化工分离过程课后答案刘家祺.docx

1、化工分离过程课后答案刘家祺化学工程与工艺教学改革系列参考书分离过程例题与习题集叶庆国 钟立梅 主编化工学院化学工程教研室前 言化学工程与工艺专业所在的化学工程与技术一级学科属于山东省“重中之 重”学科，一直处于山东省领先地位，而分离工程是该专业二门重要的必修专业课程之一。该课程利用物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理等基础基础知识中有关相平衡热力学、动力学、分子及共聚集状态的微观机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系分离和提纯技术。传统的教学方法的突出的弊端就是手工计算工程量大，而且结果不准确。同时由于现代化化学工业日趋集成化、自动化、连续化，学生能学到的东西越来越

2、少。所以，传统的教学模式不能满足现代化工业生产对高水平工业工程师的需求，开展分离工程课程教学方法与教学手段课题的研究与实践，对我们的学生能否承担起现代化 学工业的重任，与该课程的教学质量关系重大，因此对该门课程进行教学改革具有深远意义。分离工程课程的改革主要包括多媒体辅助教学课件的开发、分离工程例题与习题集、分离工程试题库的编写等工作。目前全国各高校化学工程与工艺专业使用的教材一般均为由化学工程与工艺专业委员会组织编写的化工分离过程(陈洪钫主编，化学工业出版社)，其他类似的教材已出版了十余部。这些教材有些还 未配习题，即便有习题，也无参考答案，而至今没有一本与该课程相关的例题与习题集的出版。因

3、此编写这样一本学习参考书，既能发挥我校优势，又符合形势需要，填补参考书空白，具有良好的应用前景。分离工程学习指导和习题集与课程内容紧密结合，习题贯穿目前已出版的相 关教材，有解题过程和答案，部分题目提供多种解题思路及解题过程，为学生的课堂以及课后学习提供了有力指导。编者2006 年 3 月第一章 绪论. 1 第二章 单级平衡过程. 5 第三章 多组分精馏和特殊精馏. 18 第四章 气体吸收. 23 第五章 液液萃取. 26 第六章 多组分多级分离的严格计算. 27 第七章 吸附. 33 第八章 结晶. 34 第九章 膜分离 . 35 第十章 分离过程与设备的选择与放大. 36第一章 绪论1.

4、列出 5 种使用 ESA 和 5 种使用 MSA 的分离操作。答：属于 ESA 分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。属于 MSA 分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。2. 比较使用 ESA 与 MSA 分离方法的优缺点。答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分 离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ES A)方法。3. 气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜

5、技术。气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。4. 海水的渗透压由下式近似计算：=RTC/M，式中 C 为溶解盐的浓度，g/cm3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐 0.035 g/cm3 的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为 298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少 kPa?答：渗透压 =RTC/M8.3142980.035/31.5=2.753kPa。所以反渗透膜两侧的最小压差应为 2.753kPa。5. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。求：（1） 总变更量数 Nv;（2） 有关变

6、更量的独立方程数 Nc；（3） 设计变量数 Ni;（4） 固定和可调设计变量数 Nx , Na；（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流，总变量数Nv=3(C+2)=3c+6独立方程数Nc物料衡算式 C个FTP习题5附图V , yi ,Tv , PvL , x, T, P热量衡算式1个相平衡组成关系式C个1个平衡温度等式1个平衡压力等式 共2C+3个故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量NxC+2,加上节流后的压力，共C+3个可调设计变量Na0解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（2） Nc 物 c 能 1 相 c

7、内在(P，T) 2Nc = 2c+3（3） Ni = N v Nc = c+3（4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3（5） Nau = c+3 ( c+3 ) = 0思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2)独立方程数Nc：物料衡算式 C个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个设计变量数 Ni=N v-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个可调设计变量 Na：有 06. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求：（1） 设计变更量数是多少？塔顶产物（2） 如果有，请指出哪些附加变进料，227K，2068kPa

8、量需要规定？解： Nxu 进料 c+2 压力 9Nau 串级单元 1 传热 1合计 2组分 Kmol/hN1.0C54.4C67.6C141.1C54.7C33.392习题6附图塔底产物NVU = Nxu+Nau= 20附加变量：总理论板数。7. 附图为热藕合精馏系统，进料为三组分混合物，采出三个产品。确定该系统：（1） 设计变量数;（2） 指定一组合理的设计变量。 解: Nxu 压力 N+M+1+1进料 c+2 合计 N+M+c+4 ( c = 3 )Nau 串级 6分配器 1侧线 3 传热 2吸 收 塔尾气TP冷却器加热器 换热器泵CO+蒸汽蒸T出P塔水蒸气10Nvu = N+M+3+4

9、= N+M+19习题7附图8. 利用如附图所示的系统将某混合物分离成三个产品。试确定：（1） 固定设计变量数和可调设计变量数;（2） 指定一组合理的设计变更量 解: Nxu 进料 c+2 压力 N+M+1+1+1 c+N+M+5Nau 串级 4 进料分配 1侧线 1 传热 4全凝器液 M汽汽液 2产品1产品210习题14附图再沸器 产品3全凝器N阀产品19. 采用单个精馏塔分离一个三组分混合140kPaS进料 F22再沸器产品2402001140kPa 阀 20Kmol/h苯 261.5 10甲苯 84.6联苯 5.1299.95%(mol)苯87.2 kmol/h含进料中苯的1%204kPa

10、冷却器习题8附图产品3习题9附图物为三个产品(见附图),试问图中所注设计变量能否使问题有唯一解?如果不,你认为还应规定哪个(些)设计变 量?解: NXU 进料 c+2 压力 40+1+1 c+44 = 47Nau 3+1+1+2 = 7Nvu = 54设计变量：回流比，馏出液流率。第二章 单级平衡过程1. 计算在 0.1013MP a 和 378.47K 下苯(1)- 甲苯 (2)- 对二 甲苯 (3) 三元 系，当 x 1 =0.3125，x 2 =0.2978，x 3 =0.3897 时的 K 值。汽相为理想气体，液相为非 理想溶液。并与完全理想系的 K 值比较。已知三个二元系的 Wils

11、on 方程参数。?12 ? ?11 ? ?1035 .33; ?12 ? ?22 ? 977.83?23 ? ?22 ? 442.15?13 ? ?11 ? 1510 .14; ?23 ? ?33 ? ?460.05; ?13 ? ?33 ? ?1642 .813(单位：J/mol)在 T=378.47K 时液相摩尔体积为：1v L ? 100.91?10 ?3 m3安托尼公式为：2k m o l；v L ? 117.55 ?10 ?3；v L ? 136.69 ?10 ?3s苯： ln P1? 20.7936 ? 2788 .51 ?T ? 52.36? ；s甲苯： ln P2? 20.90

12、65 ? 3096 .52?T ? 53.67 ?；s对二甲苯： ln P3? 20.9891 ? 3346 .65 ?T ? 57.84?；( P s: Pa;T : K )?解 1：由 Wilson 参数方程 ? ijLijLiij exp ? ? ? ? ?viRT ?v L? ? 2exp? ? ? ?v? RT ?v12 L112 11?3? 117.55 ?10exp? ? 1035 .33? ?8.314 ? 378.47 ?100.91?10 ?3=1.619vLv?1? 21 L2exp ? ?21 ? ?22 ?RT ?3? 100.91 ?10exp? ?977.83?

13、?8.314 ? 378.47 ?117.55 ?10 ?3=0.629同理： ?13 ? 0.838? 23 ? 1.010； ? 31 ? 1.244； ? 32 ? 0.995? ? ? ki xk由 Wilson 方程 ln ? i ? 1 ? ln? ? ? ij x j ? ? ? ? ? x ：? j ? kjkj j? 1 ? 0.9184；? 2 ? 0.9718；? 3 ? 0.9930根据安托尼方程：1P s ? 0.2 0 7M5由式(2-38)计算得：2Pa ； P s ? 8.693 ?10 4 Pa3； P s ? 3.823 ?10 4 PaK1 ? 1.88；

14、 K 2 ? 0.834； K 3 ? 0.375如视为完全理想系，根据式(2-36)计算得：K1 ? 2.0 4 8 ； K 2 ? 0.858解 2：在 T=378.47K 下； K 3 ? 0.3771苯： ln P s s? 20.7936 ? 2788 .5 /(378.47 ? 52.36) ；?1P s =207.48Kpas甲苯：ln P2s? 20.9065 ? 3096 .52 /(378.47 ? 53.67) ；? P2 =86.93Kpas对二甲苯： ln P3Wilson 方程参数求取? 20.9891 ? 3346 .65 /(378.47 ? 57.84) ；?

15、 P3 =38.23Kpav L? ? 1? ? ? 100.91 ? 10 ?3exp(? 12 11 ) ?exp(? 1035 .33) ? 1.193v12 L2RT 117.55 ? 10 ?38.314 ? 378.47v L? ? 2? ? ? 117.55 ? 10 ?3exp(? 12 22 ) ?exp(?977.83) ? 0.854v21 L1RT 100.91 ? 10 ?38.314 ? 378.47v L? ? 2? ? ? 117.55 ? 10 ?3exp(? 23 22 ) ?exp(?442.15) ? 0.7472v23 L3RT 136.69 ? 10

16、 ?38.314 ? 378.47v L? ? 3? ? ? 136.69 ? 10 ?3exp(? 23 33 ) ?exp(? 460.05) ? 1.346v32 L2RT 117.55 ? 10 ?38.314 ? 378.47v L? ? 1? ? ? 136.69 ? 10 ?3exp(? 13 11 ) ?exp(?1510 .14) ? 0.457v13 L2RT 100.91 ? 10 ?38.314 ? 378.47v L? ? 3? ? ? 136.69 ? 10 ?3exp(? 13 33 ) ?exp(? 1642 .81) ? 2.283v31 L1RT 100.9

17、1 ? 10 ?38.314 ? 378.47ln r ? 1 ? ln( x ? ?x ? ?x ) ? ( x1? ?21 x2? ?31 x3 )1 1 12 2 13 3x1 ? ?12 x2 ? ?13 x3?21 x1 ? x2 ? ?23 x3?31 x1 ? ?32 x2 ? x3? 1 ? ln(0.3125 ?1.193? 0.2978 ? 0.457 ? 0.3897) ? (0.31250.3125 ? 1.193? 0.2978 ? 0.457 ? 0.3897? 0.854 ? 0.2978? 2.283? 0.3897 )0.854 ? 0.3125 ? 0.29

18、78 ? 0.7472 ? 0.3897 2.283? 0.3125 ? 1.346 ? 0.2978 ? 0.3897? ?0.09076? r1 =0.9132ln r? 1 ? ln( x ? ? x? x ?) ? (x? x? ?x)x? ?x? ?x?x? x? ?x?x? ?x? x? 1 ? ln(0.3125 ? 0.854 ? 0.2978 ? 0.7472 ? 0.3897) ? (0.2125 ?1.1930.3125 ? 1.193? 0.2978 ? 0.457 ? 0.3897? 0.2978? 0.3897 ?1.346 )0.854 ? 0.3125 ? 0.

19、2978 ? 0.7472 ? 0.3897 2.283? 0.3125 ? 1.346 ? 0.2978 ? 0.3897? 0.0188? r2 =1.019ln r? 1 ? ln( x ? ? x? ? x ) ? (x? ?x?x)x? ?x? ?x?x? x? ?x?x? ?x? x1 ? ln(0.3125 ? 0.457 ? 0.2987 ?1.346 ? 0.3897) ? (0.3125 ? 0.4570.3125 ? 1.193 ? 0.2978 ? 0.457 ? 0.3897? 0.7472 ? 0.2978 ?0.3897 )0.854 ? 0.3125 ? 0.2

20、978 ? 0.7472 ? 0.3897 2.283 ? 0.3125 ? 1.346 ? 0.2978 ? 0.3897? 0.2431? r3 =1.2752故sK r P?1 1 1 P ? 0.9132 ? 207.48101.3 ? 1.87sK r P?2 2 2 P ? 1.019 ? 86.93101.3 ? 0.8744sK r P?3 3 3 P ? 1.2752 ? 38.23101.3 ? 0.4813而完全理想系：P sK1 ?PK 2 ?PK3 ?1 P ? 207.48101.3 ? 2.048s2 P ? 86.93101.3 ? 0.8581s3 P ? 3

21、8.23101.3 ? 0.37742. 一液体混合物的组成为：苯 0.50；甲苯 0.25；对二甲苯 0.25 (摩尔分率)。分别用平衡常数法和相对挥发度法计算该物系在 100kPa 式的平衡温度和汽相组成。假设为完全理想系。 解 1：(1)平衡常数法：设 T=368K用安托尼公式得：P s ? 156.24k Pa ； P s ? 63.28k Pa； P s ? 26.88k Pa1由式(2-36)得：K1 ? 1.562y1 ? 0.7 8 12； K 2 ? 0.633； y2 ? 0.1583； K 3 ? 0.269； y3 ? 0.067； ? yi ? 1.006由于 ? y

22、i 1.001，表明所设温度偏高。由题意知液相中含量最大的是苯，由式(2-62)得：1K ? K1? 1.5 5 3可得T ? 367.78Kyi重复上述步骤：1K ? 1.5531； K 22? 0.6284； K 33? 0.2667? iy ? 0.7765； y ? 0.1511；y ? 0.066675 ；y ? 1.0003在温度为 367.78K 时，存在与之平衡的汽相，组成为：苯 0.7765、甲苯 0.1511、对二甲苯 0.066675。(2)用相对挥发度法：设温度为 368K，取对二甲苯为相对组分。计算相对挥发度的：组分 i苯(1)甲苯(2)对二甲苯(3)?xi0.500

23、.250.251.000? ij5.8072.3531.000? ij xi2.90350.58830.25003.7418? ij ? xi? ij ? xi0.77600.15720.06681.0000?13 ? 5 . 8 0 7 ；? 23 ? 2.353；? 33 ? 1.000解 2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设 t=951苯： ln P s? 20.7936 ? 2788 .5 /(95 ? 273.15 ? 52.36) ? 11.96 ；1? P s ? 1.569 ?10 5 Pa甲苯：2ln P s? 20.9065 ? 3096 .52 /(95 ? 273

24、.15 ? 53.67) ? 11.06 ；2? P s ? 6.358 ?10 4 Pa3对二甲苯： ln P s? 20.9891 ? 3346.65 /(95 ? 273.15 ? 57.84) ? 10.204 ；3? P s ? 2.702 ?10 4 PassK P 5 ； K ? P? 0.63581 ?K3 ?1 P ? 1.569 ?10sP3 P ? 0.2702105 ? 1.569 2 2 P? ? Ki xi ? 1.596 ? 0.5 ? 0.2702 ? 0.25 ? 0.6358 ? 0.25 ? 1.011选苯为参考组分： K12 ? 1.569 1.011

25、? 1.552 ；解得 T2=94.61s s 4? ln P2 ? 11.05 ；P2 ? 6.281 ?10 Pas s 4ln P3 ? 10.19 ；P3 ? 2.6654 ?10 Pa? K 2 =0.6281K 3 =0.2665? ? Ki xi ? 1.552 ? 0.5 ? 0.6281 ? 0.25 ? 0.2665 ? 0.25 ? 0.9997 ? 1故泡点温度为 94.61，且 y1 ? 1.552 ? 0.5 ? 0.776 ；y2 ? 0.6281 ? 0.25 ? 0.157 ； y3 ? 0.2665 ? 0.25 ? 0.067(2)相对挥发度法设 t=95，同上求得 K1