化工原理下册课后题答案(第二版)(共31页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第七章 传质与分离过程概论1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔混合气中氨含量为5.5%（质量分数，下同），吸收后出塔气体中氨含量为0.2%，试计算进、出塔气体中氨的摩尔比、。解：先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数和。 进、出塔气体中氨的摩尔比、为 由计算可知，当混合物中某组分的摩尔分数很小时，摩尔比近似等于摩尔分数。2. 试证明由组分A和B组成的双组分混合物系统，下列关系式成立： （1） （2） 解：（1） 由于 故 （2） 故 3. 在直径为0.012 m、长度为0.35 m的圆管中，CO气体通过N2进行稳态分子扩散。管内N2的温度为373 K，总压为101

2、.3 kPa，管两端CO的分压分别为70.0 kPa和7.0 kPa，试计算CO的扩散通量。解：设 ACO； BN2 查附录一得 4. 在总压为101.3 kPa，温度为273 K下，组分A自气相主体通过厚度为0.015 m的气膜扩散到催化剂表面，发生瞬态化学反应。生成的气体B离开催化剂表面通过气膜向气相主体扩散。已知气膜的气相主体一侧组分A的分压为22.5 kPa，组分A在组分B中的扩散系数为1.8510-5 m2/s。试计算组分A和组分B的传质通量和。 解：由化学计量式 可得代入式（7-25），得分离变量，并积分得 5. 在温度为278 K的条件下，令某有机溶剂与氨水接触，该有机溶剂与水不

3、互溶。氨自水相向有机相扩散。在两相界面处，水相中的氨维持平衡组成，其值为0.022（摩尔分数，下同），该处溶液的密度为998.2 kg/m3；在离界面5 mm的水相中，氨的组成为0.085，该处溶液的密度为997.0 kg/m3。278 K时氨在水中的扩散系数为1.24109 m2/s。试计算稳态扩散下氨的传质通量。 解：设 ANH3；BH2O离界面5 mm处为点1、两相界面处为点2，则氨的摩尔分数为，点1、点2处溶液的平均摩尔质量为溶液的平均总物质的量浓度为 故氨的摩尔通量为 6. 试用式（7-41）估算在105.5 kPa、288 K条件下，氢气（A）在甲烷（B）中的扩散系数。解：查表7-

4、1，得 cm3/mol查表7-2，计算出由式7-41 7. 试采用式（7-43）估算在293 时二氧化硫（A）在水（B）中的扩散系数。解：查得293 K时水的黏度为查表7-3，得 查表7-4，得 cm3/mol 由式（7-43） 8. 有一厚度为8 mm、长度为800 mm的萘板。在萘板的上层表面上有大量的45 的常压空气沿水平方向吹过。在45 下，萘的饱和蒸气压为73.9 Pa，固体萘的密度为1 152 kg/m3，由有关公式计算得空气与萘板间的对流传质系数为0.016 5 m/s。 试计算萘板厚度减薄5所需要的时间。解：由式（7-45）计算萘的传质通量，即 式中为空气主体中萘的浓度，因空气

5、流量很大，故可认为；为萘板表面处气相中萘的饱和浓度，可通过萘的饱和蒸气压计算，即 kmol / m3 设萘板表面积为S，由于扩散所减薄的厚度为b，物料衡算可得第八章 气体吸收1. 在温度为40 、压力为101.3 kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0 kPa时，氨在水中的溶解度为76.6 g (NH3)/1 000 g(H2O)。试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。解：水溶液中氨的摩尔分数为 由 亨利系数为 kPa 相平衡常数为由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40 时水的密度为 kg/m3 溶解度系数为 2. 在温度为25 及总压为10

6、1.3 kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350 g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m3。解：水溶液中CO2的浓度为对于稀水溶液，总浓度为 kmol/m3水溶液中CO2的摩尔分数为 由 kPa气相中CO2的分压为 kPa 操作空塔气速为 泛点率为 经校核，选用=1.0 m 合理。第九章 蒸馏1在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82 ，在该温度下，两组分的饱和蒸气压分别为=107.6 kPa及41.85 kPa，取样测得液面上方气

7、相中组分A的摩尔分数为0.95。试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。解：本题可用露点及泡点方程求解。解得 kPa本题也可通过相对挥发度求解由气液平衡方程得2试分别计算含苯0.4（摩尔分数）的苯-甲苯混合液在总压100 kPa和10 kPa的相对挥发度和平衡的气相组成。苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸气压和温度的关系为式中p的单位为kPa，t的单位为。苯甲苯混合液可视为理想溶液。（作为试差起点，100 kPa和10 kPa对应的泡点分别取94.6 和31.5 ）解：本题需试差计算（1）总压p总100 kPa初设泡点为94.6，则 得 kPa同理 kPa或 则 （2）总压为p总10 kPa通过试差

8、，泡点为31.5，=17.02kPa，5.313kPa随压力降低，增大，气相组成提高。3在100 kPa压力下将组成为0.55（易挥发组分的摩尔分数）的两组分理想溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏。原料液处理量为100 kmol，汽化率为0.44。操作范围内的平衡关系可表示为。试求两种情况下易挥发组分的回收率和残液的组成。解：（1）平衡蒸馏（闪蒸）依题给条件 则 由平衡方程 联立两方程，得y = 0.735， x = 0.4045kmol = 44kmol（2）简单蒸馏kmol kmol即 解得 xW = 0.3784简单蒸馏收率高（61.46%），釜残液组成低（0.3784）4在一连续精馏塔中分离苯

9、含量为0.5（苯的摩尔分数，下同）苯甲苯混合液，其流量为100 kmol/h。已知馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05，试求（1）馏出液的流量和苯的收率；（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能的流量。解：（1）馏出液的流量和苯的收率 （2）馏出液的最大可能流量当A=100%时，获得最大可能流量，即 5在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。原料液的处理量为100 kmol/h，其组成为0.45（易挥发组分A的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为96，釜液的组成为0.033。试求（1）馏出液的流量和组成；（2）若操作回流比为2.65，写出精馏段的操作线方程；

10、（3）提馏段的液相负荷。解：（1）馏出液的流量和组成由全塔物料衡算，可得 （2）精馏段操作线方程（3）提馏段的液相负荷6在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。进料量为60 kmol/h，其组成为0.46（易挥发组分的摩尔分数，下同），原料液的泡点为92 。要求馏出液的组成为0.96，釜液组成为0.04，操作回流比为2.8。试求如下三种进料热状态的q值和提馏段的气相负荷。（1）40 冷液进料；（2）饱和液体进料；（3）饱和蒸气进料。已知：原料液的汽化热为371 kJ/kg，比热容为1.82 kJ/(kg )。解：由题给数据，可得 （1）40 冷液进料 q值可由定义式计算，即（2）饱和液体进

11、料 此时 q = 1（3）饱和蒸气进料 q = 0三种进料热状态下，由于q的不同，提馏段的气相负荷（即再沸器的热负荷）有明显差异。饱和蒸气进料最小。7在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。原料液流量为50 kmol/h，要求馏出液中易挥发组分的收率为94。已知精馏段操作线方程为y = 0.75x+0.238；q线方程为y = 2-3x。试求（1）操作回流比及馏出液组成；（2）进料热状况参数及原料的总组成；（3）两操作线交点的坐标值xq及yq；（4）提馏段操作线方程。解：（1）操作回流比及馏出液组成 由题给条件，得及解得 R = 3，xD = 0.952（2）进料热状况参数及原料液组成 由于及

12、解得 q = 0.75（气液混合进料），xF = 0.5（3）两操作线交点的坐标值xq及yq 联立操作线及q线两方程，即解得 xq = 0.4699及yq = 0.5903（4）提馏段操作线方程 其一般表达式为式中有关参数计算如下 则 8在连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，其组成为0.48（苯的摩尔分数，下同），泡点进料。要求馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.05。操作回流比为2.5，平均相对挥发度为2.46，试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。解：由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。习题8 附 表x00.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

13、00.1150.2140.3810.5130.6210.7110.7870.8520.9080.9571.0习题8 附 图在x-y图上作出平衡线，如本题附图所示。由已知的xD，xF，xW在附图上定出点a、e、c。精馏段操作线的截距为，在y轴上定出点b，连接点a及点b，即为精馏段操作线。过点e作q线（垂直线）交精馏段操作线于点d，连接cd即得提馏段操作线。从点a开始，在平衡线与操作线之间绘阶梯，达到指定分离程度需11层理论板，第5层理论板进料。9在板式精馏塔中分离相对挥发度为2的两组分溶液，泡点进料。馏出液组成为0.95（易挥发组分的摩尔分数，下同），釜残液组成为0.05，原料液组成为0.6。已

14、测得从塔釜上升的蒸气量为93 kmol/h，从塔顶回流的液体量为58.5 kmol/h，泡点回流。试求（1）原料液的处理量；（2）操作回流比为最小回流比的倍数。解：（1）原料液的处理量 由全塔的物料衡算求解。对于泡点进料，q = 1则 解得 （2）R为Rmin的倍数R = 1.70对于泡点进料，Rmin的计算式为 于是 10在常压连续精馏塔内分离苯-氯苯混合物。已知进料量为85 kmol/h，组成为0.45（易挥发组分的摩尔分数，下同），泡点进料。塔顶馏出液的组成为0.99，塔底釜残液组成为0.02，操作回流比为3.5，塔顶采用全凝器，泡点回流。苯、氯苯的汽化热分别为30.65 kJ/mol和

15、36.52 kJ/mol。水的比热容为4.187 kJ/ (kg )。若冷却水通过全凝器温度升高15 ，加热蒸汽绝对压力为500 kPa（饱和温度为151.7 ，汽化热为2 113 kJ/kg）。试求冷却水和加热蒸汽的流量。忽略组分汽化热随温度的变化。解：由题给条件，可求得塔内的气相负荷，即对于泡点进料，精馏段和提馏段气相负荷相同，则（1）冷却水流量 由于塔顶苯的含量很高，可按纯苯计算，即（2）加热蒸汽流量 釜液中氯苯的含量很高，可按纯氯苯计算，即 11在常压连续提馏塔中，分离两组分理想溶液，该物系平均相对挥发度为2.0。原料液流量为100 kmol/h，进料热状态参数q=1，馏出液流量为60

16、 kmol/h，釜残液组成为0.01（易挥发组分的摩尔分数），试求（1）操作线方程；（2）由塔内最下一层理论板下降的液相组成xm。解：本题为提馏塔，即原料由塔顶加入，因此该塔仅有提馏段。再沸器相当一层理论板。（1）操作线方程 此为提馏段操作线方程，即式中 则 （2）最下层塔板下降的液相组成 由于再沸器相当于一层理论板，故xm与yW符合操作关系，则提馏塔的塔顶一般没有液相回流。12在常压连续精馏塔中，分离甲醇-水混合液。原料液流量为100 kmol/h，其组成为0.3（甲醇的摩尔分数，下同），冷液进料（q =1.2），馏出液组成为0.92，甲醇回收率为90，回流比为最小回流比的3倍。试比较直接水

17、蒸气加热和间接加热两种情况下的釜液组成和所需理论板层数。甲醇-水溶液的t-x-y数据见本题附表习题12 附 表温度t液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数温度t液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01

18、.078.00.300.665解：（1）釜液组成 由全塔物料衡算求解。 间接加热 直接水蒸气加热关键是计算R。由于q =1.2，则q线方程为在本题附图上过点e作q线，由图读得：xq = 0.37，yq = 0.71于是 显然，在塔顶甲醇收率相同条件下，直接水蒸气加热时，由于冷凝水的稀释作用，xW明显降低。（2） 所需理论板层数 在xy图上图解理论板层数 附 图1 附 图2习题12 附 图间接加热 精馏段操作线的截距为 由及截距0.323作出精馏段操作线ab，交q线与点d。由定出点c，连接cd即为提馏段操作线。由点a开始在平衡线与操作线之间作阶梯，NT = 5（不含再沸器），第4层理论板进料。直

19、接蒸汽加热 图解理论板的方法步骤同上，但需注意xW=0.0172是在x轴上而不是对角线上，如本题附图所示。此情况下共需理论板7层，第4层理论板进料。计算结果表明，在保持馏出液中易挥发组分收率相同条件下，直接蒸汽加热所需理论板层数增加。且需注意，直接蒸汽加热时再沸器不能起一层理论板的作用。习题13附图习题13 附 图13在具有侧线采出的连续精馏塔中分离两组分理想溶液，如本题附图所示。原料液流量为100 kmol/h，组成为0.5（摩尔分数，下同），饱和液体进料。塔顶馏出液流量为20 kmol/h，组成xD1为0.98，釜残液组成为0.05。从精馏段抽出组成xD2为0.9的饱和液体。物系的平均相对

20、挥发度为2.5。塔顶为全凝器，泡点回流，回流比为3.0，试求（1）易挥发组分的总收率；（2）中间段的操作线方程。解：（1）易挥发组分在两股馏出液中的总收率 由全塔的物料衡算，可得的计算如下及 整理上式，得到则 于是 （2）中间段的操作线方程 由s板与塔顶之间列易挥发组分的物料衡算，得 （1）式中 将有关数值代入式（1）并整理，得到14在常压连续精馏塔中分离两组分理想溶液。该物系的平均相对挥发度为2.5。原料液组成为0.35（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气加料。已知精馏段操作线方程为y = 0.75x+0.20，试求（1）操作回流比与最小回流比的比值；（2）若塔顶第一板下降的液相组成为0

21、.7，该板的气相默弗里效率EMV1。解：（1）R与Rmin的比值 先由精馏段操作线方程求得R和xD，再计算Rmin。由题给条件，可知解得 对饱和蒸气进料，q = 0，yq = 0.35则 （2）气相默弗里效率 气相默弗里效率的定义式为 （1）式中 将有关数据代入式（1），得15在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为100 kmol/h，组成为0.5（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气进料。馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.05。物系的平均相对挥发度为2.0。塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。塔釜的汽化量为最小汽化量的1.6倍，试求（1）塔釜汽化量；（2）从塔顶往下数第二层

22、理论板下降的液相组成。解：先求出最小回流比，再由最小回流比与最小汽化量的关系求得。液相组成x2可用逐板计算得到。（1）塔釜汽化量 对于饱和蒸汽进料q = 0，yF = 0.5，Rmin可用下式计算，即而 则 也可由提馏段操作线的最大斜率求得，即即 将 = 50 kmol/h代入上式，解得（2）第2层理论板下降液相组成x2 逐板计算求x2需导出精馏段操作线方程。解得 塔顶全凝器 16某制药厂拟设计一板式精馏塔回收丙酮含量为0.75（摩尔分数，下同）水溶液中的丙酮。原料液的处理量为30 kmol/h，馏出液的组成为0.96，丙酮回收率为98.5%。塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。试根据如下

23、条件计算塔的有效高度和塔径。进料热状况 饱和液体 总板效率 61操作回流比 2 全塔平均压力 110 kPa理论板层数 17.0 全塔平均温度 81 板间距 0.40 m 空塔气速 0.82 m/s解：由题给条件，可得 取28（1）塔的有效高度（2）塔径 精馏段和提馏段气相负荷相同，则式中 于是 根据系列标准，选取塔径为900 mm。17在连续精馏中分离A、B、C、D、E（按挥发度降低顺序排列）五组分混合液。在所选择流程下，C为轻关键组分，在釜液中组成为0.006（摩尔分数，下同）；D为重关键组分，在馏出液中的组成为0.005。原料液处理量为100 kmol/h，其组成如本题附表1所示。17题

24、 附表1组 分ABCDExF0.2130.2440.1830.1420.218试按清晰分割法估算馏出液、釜残液的流量和组成。解：由题意，A、B组分在釜残液中不出现，E组分在馏出液中不出现，且xW,C=0.006，xD,D=0.005。作全塔物料衡算，得将有关数据代入上式，解得计算结果列于本题附表2。17题 附表2组 分ABCDE/（kmol/h）21.324.418.314.221.8100/（kmol/h）21.324.418.080.320064.1/（kmol/h）000.2213.8821.835.90.33230.38070.28210.00501.0000.0060.38660.60721.0专心-专注-专业