化工分离过程课后答案刘家祺

化工分离过程课后答案

刘家祺

文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

分离工程习题

第一章

1.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。

5.海水的渗透压由下式近似计算：π=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 g/cm3的海水中制取纯水，M=，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π=RTC/M＝×298×=。

所以反渗透膜两侧的最小压差应为。

9.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

F z i

T F

P F

V , y i ,T v , P v

L , x i , T L , P L

习题5附图

独立方程数Nc

物料衡算式 C个

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Nx＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个

可调设计变量Na＝0

解：

（1）Nv = 3 ( c+2 )

（2）Nc 物 c

能 1

相 c

内在(P，T) 2

Nc = 2c+3

（3）Ni = Nv – 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=Nv-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0

11.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

（2）如果有，请指出哪些附加

变量需要规定

解： N

x

u 进料 c+2

压力 9

c+11=7+11=18

N

a

u 串级单元 1

传热 1

合计 2

N V U = N

x

u+N

a

u = 20

附加变量：总理论板数。

16.采用单个精馏塔分离一个三组分混合物为三个产品(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: N

X

U进料 c+2

压力 40+1+1

c+44 = 47

N a u 3+1+1+2 = 7

进料，

顶产物

底产物

习题6附图

N v u = 54

设计变量：回流比，馏出液流率。

第二章

4.一液体混合物的组成为：苯；甲苯；对二甲苯(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：

kPa P s 24.1561= ；kPa P s 28.632= ；kPa P s 88.263= 由式(2-36)得：

562.11=K ；633.02=K ；269.03=K

781.01=y ；158.02=y ；067.03=y ；006.1=∑i y 由于∑i y >，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： 553.11

'1==

∑i

y K K 可得K T 78.367'= 重复上述步骤：

553.1'1=K ；6284.0'

2

=K ；2667.0'3=K 7765.0'1=y ；1511.0'2

=y ；066675.0'3=y ；0003.1=∑i y 在温度为时，存在与之平衡的汽相，组成为：苯、甲苯、对二甲

苯。

(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： 5.807 13=α ； 2.353 23=α ；000.133=α

解2：

(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95℃

苯： 96.11)36.5215.27395/(5.27887936.20ln 1=-+-=s P ； 甲苯： 06.11)67.5315.27395/(52.30969065.20ln 2=-+-=s P ； 对二甲苯：204.10)84.5715.27395/(65.33469891.20ln 3=-+-=s P ；

569.11010

569.15

5

11=?==

P

P K s ；6358.022==

P

P K s

选苯为参考组分：552.1011.1569.112==K ；解得T 2=℃

05.11ln 2=s P ；

Pa P s 4210281.6?= 19.10ln 3=s P ；

Pa P s 43106654.2?=

2K = 3K =

故泡点温度为℃，且776.05.0552.11=?=y ；

157.025.06281.02=?=y ；067.025.02665.03=?=y

(2)相对挥发度法

设t=95℃，同上求得1K =，2K =，3K =

807.513=α，353.223=α，133=α

故泡点温度为95℃，且776.074

.35

.0807.51=?=

y ；

157.074.325.0353.22=?=

y ；067

.074.325

.013=?=y

11.组成为60%(mol)苯，25%甲苯和15%对二甲苯的100kmol 液体混合物，在和100℃下闪蒸。试计算液体和气体产物的量和组成。假设该物系为理想溶液。用安托尼方程计算蒸气压。

解：在373K 下

苯： ()36.5251.27887936.20ln 1--=T P S kPa P S 315.1791= 甲苯： )67.5352.30969065.20ln 2--=T P S kPa P S 834.732= 对二甲苯：()84.5765.3346981.20ln 3--=T P S kPa P S 895.313= 计算混合组分的泡点T B T B = 计算混合组分的露点T D T D = 此时：x 1=，x 2=，x 3=，L=； y 1=，y 2=，y 3=，V=。

12.用图中所示系统冷却反应器出来的物料，并从较重烃中分离轻质气体。计算离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。从反应器出来的物料温度811K ，组成如下表。闪蒸罐操作条件下各组分的K 值：氢-80；甲烷-10；苯；甲苯

组分

流率，mol/h

解：以氢为1，甲烷为2，苯为3，甲苯为4。

总进料量为F=460kmol/h ，

4348.01=z ，4348.02=z ，1087.03=z ，0217.04=z

又K1=80，K2=10，K3=，K4= 由式(2-72)试差可得：Ψ=， 由式(2-68)计算得： y1=，y2=，y3=，y4=；V=h 。

14.在下，对组成为45%(摩尔)正己烷，25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。

⑴求泡点和露点温度

⑵将此混合物在下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度，两相的组

成。

解：⑴因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可看成理想溶液，K I 只取决于温度

和压力，可使用烃类的P-T-K 图。 泡点温度计算得：T B =86℃。 露点温度计算得：T D =100℃。

⑵由式(2-76)求T 的初值为93℃，查图求K I

所以闪蒸温度为93℃。 由式(2-77)、(2-68)计算得：

x C6=，x C7=，x C8=

y C6=，y C7=，y C8=

所以液相中含正己烷%，正庚烷%，正辛烷%； 汽相中含正己烷%，正庚烷%，正辛烷%。

第三章

12.在压力下氯仿(1)-甲醇(2)系统的NRTL 参数为： 12τ=mol ，12τ=mol ，12α=。试确定共沸温度和共沸组成。 安托尼方程(S P ：Pa ；T ：K)

氯仿：）（16.4679.26968660.20ln 1--=T P S

甲醇：）

（29.3455.36264803.23ln 2--=T P S 解：设T 为℃ 则）

（16.4665.32679.26968660.20ln 1--=S P S P 1= S P 2=

由）（ij ij ij G τα-=exp ，ij α=ji α

）（121212exp τα-=G =）（9665.83.0exp ?-=

）（212121exp τα-=G =）

（8365.03.0exp ?= =??

????+-?+?-+?--2112212

2

1]06788.01[06788.09665.8]2852.11[2852.18365.01x x x x x ）（）（）（）（ =??????-+---21

212

193212.016086.02852.02852.13817.11）（）（）（x x x =??????-+?-++-?21

121122

1]12852.1[2852.18365.006788.0106788.09665.8）（）（x x x x x =????

??

--+-2121212852.02852.107507

.193212.0104131.0）（

）（x x x 1ln γ-2ln γ=S S P P 2

1ln =6.645951

.76990ln

=

求得1x = 1γ= 2γ=

=8971.06.6459568.02092.11.7699032.0??+??

= 设T 为60℃

则）（16.4615.33379.26968660.20ln 1--=S P

S P 1= S P 2=

1ln γ-2ln γ=S S P P 2

1ln =9.845999

.95721ln

= 设T 为56℃

则）（16.4615.32979.26968660.20ln 1--=S P

S P 1= S P 2=

1ln γ-2ln γ=S S P P 2

1ln =3.717592

.83815ln

= 当1ln γ-2ln γ=时求得1x = 1γ= 2γ=

=9500.03.7175970.01099.12.8381530.0??+??

= 某1、2两组分构成二元系，活度系数方程为221ln Ax =γ，2

12ln Ax =γ，端值

常数与温度的关系：A=? (T ，K)

蒸汽压方程为

T P S

4050

0826.16ln 1-

=

T P S 4050

3526.16ln 2-

= (P ：kPa ：T ：K)

假设汽相是理想气体，试问时①系统是否形成共沸物②共沸温度是多少 解：设T 为350K

则A=??

3504050

0826.16ln 1-

=S P ；∴S

P 1= kPa

3504050

3526.16ln 2-

=S P ；S

P 2= kPa

因为在恒沸点

由12

21

112==S S

P P γγα得S

S P P 1221=γγ

解得：1x =

2x =

∴2

10513.03009.0ln ?=γ；1γ=

229487.03009.0ln ?=γ；2γ=

P=∑S

i i i P x γ=????75.99≠ kPa

设T 为340K

则A=??

3404050

0826.16ln 1-

=S

P ；S

P 1= kPa

3404050

3526.16ln 2-

=S P ；S

P 2= kPa

由）（121

21ln x A P P S S -=；）（1213434.08458.847695.64ln x -=

解得：1x =

2x ==

∴2

11069.03434.0ln ?=γ；1γ=

228931.03434.0ln ?=γ；2γ=

P=∑S

i i i P x γ=????75.99≠ kPa

设T 为352K

则A=??

3524050

0826.16ln 1-

=S

P ；S

P 1= kPa

3524050

3526.16ln 2-

=S P ；S

P 2= kPa

由）（12121ln x A P P

S S -=；）（1212924.03473.1272143.97ln x -=

∴1x =

2x ==

∴2

10383.02924.0ln ?=γ；1γ=

229617.02924.0ln ?=γ；2γ=

P=∑S

i i i P x γ=????75.99≈ kPa

说明系统形成共沸物，其共沸温度为352K 。

判断

31

.16738

.7513

.991

2==S

S

P

P ，而1γ=，2γ=

2

12

1γγ>>S

S P P ，且S

S P P P 21,>，

故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为。

第四章

1.某原料气组成如下：

组分 CH 4 C 2H 6 C 3H 8 i-C 4H 10 n -C 4H 10 i -C 5H 12 n -C 5H 12 n-C 6H 14

y 0(摩尔分率)

先拟用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔吸收塔中进行吸收，平均吸收温度为38℃，压力为，如果要求将i-C 4H 10回收90%。试求：

(1) 为完成此吸收任务所需的最小液气比。

(2) 操作液气比为组小液气比的倍时，为完成此吸收任务所需理论板数。 (3) 各组分的吸收分率和离塔尾气的组成。 (4)

求塔底的吸收液量

解：(1)最小液气比的计算：

在最小液气比下 N=∞，A 关=?关

关关）（A K V L ?=min = ?=

(2)理论板数的计算：

操作液气比min

2.1）（V L V L ==?尾气的数量和组成计算：

非关键组分的

i

i VK L A =

吸收率

11

1--=++N i N i i

A A A ?

被吸收的量为i N v ??+1，塔顶尾气数量i i N v v =-?+)1(1? 塔顶组成

V v y i i =

1

按上述各式计算，将结果列于下表

(4)塔底的吸收量N L

塔内气体平均流率：

185.90237

.80100=+=

v Kmol/h

塔内液体平均流率：

514.51185.905712.020=?=?=+=

均均）（V V L

L L L N

而N N L V L V +=++101，即100+0L =+N L

联立求解得N L =h. 0L =h 解2：由题意知，i-C 4H 10为关键组分

由P=，t 平=38℃ 查得K 关= (P-T-K 图)

(1)在最小液气比下 N=∞，A 关=中关=

关关）（A K V L ?=min = ?=

(2)min 1.1）（V L V L ==?所以 理论板数为 (3)它组分吸收率公式 i i

VK L

A =，1

11

--=++N i N i i A A A ? 计算结果如下：

以CH4为例：

i A =

032.04

.175544

.0==i VK L

i

φ=32.01032.099

.0032.0148.9148.9=--++

V1(CH4)=(1-i

φ)VN+1=?=

（3） 塔内气体平均流率：10.902

190

.80100=+=

v Kmol/h

塔内液体平均流率：L=905.92

81.19000+=++L L L ）

（

由v l =

0L =h