分离工程课后习题答案_.pdf

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1、. . 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：=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

2、压差应为2.753kPa 。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 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 NxC+2,加上节流后的压力，共 C+3个可调设计变量 Na

3、0 解：（1） Nv = 3 ( c+2 ) （2） Nc 物c 能1 相c 内在(P，T) 2 V-2Fzi TF PFV , yi ,T v , PvL , xi , TL , PL习 题5附图. . 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

4、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：Nxu 进料c+2 压力9 c+11=7+11=18 Nau 串级单元1 传热1 合计2 NVU = N xu+N au = 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: NXU进料c+2 压力40+1+1 c+44 = 47 Nau3+1+1+2 = 7 Nvu = 54

5、 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：进料，227K，2068kP a 组分 N2 C1 C2 C3 C4 C5 C6Kmol/h 1.0 54.4 67.6 141.1 54.7 56.0 33.3塔顶产物塔底产物92习题6附图. . 设 T=368K 用安托尼公式得：k P aPs24.1561；kPaPs28.632；kPaPs88.263由式(2-36)得：56 2.11K；63

6、3.02K；269.03K78 1. 01y；158.02y；067.03y；006.1iy由于iy 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：5 5 3.11 1 iyKK可得KT78.367重复上述步骤：5 5 3.1 1K；6284.0 2K；2667.0 3K7 7 65.0 1y；1511.0 2y；066675.0 3y；0003.1iy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：5.

7、8 0 713；2.35323；000.133组分 i 苯(1) 甲苯(2) 对二甲苯 (3) 0.50 0.25 0.25 1.000 5.807 2.353 1.000 2.9035 0.5883 0.2500 3.7418 0.7760 0.1572 0.0668 1.0000 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/(5.27887936.20ln1sP；甲苯：06.11)67.5315.27395/(52.30969065.20ln2sP；对二甲苯：204.10)84.5715.27395/(65.33469891.20ln3

8、sP；569.11010569.155 1 1PPKs ；6358. 02 2PPKs. . 选苯为参考组分：552.1011.1569.112K；解得 T2=94.6105.11ln2sP；PaPs4 210281.619.10ln3sP；PaPs4 3106654.22K =0.6281 3K=0.2665 故泡点温度为 94.61，且776. 05.0552.11y；157.025. 06281.02y；067.025.02665.03y(2)相对挥发度法设 t=95，同上求得1K=1.569，2K=0.6358，3K=0.2702 807.513，353.223，133故泡点温度为 9

9、5，且776.0 74.35 .0807.5 1y；157.0 74.325.0353.2 2y ；067.0 74.325.01 3y11.组成为 60%(mol)苯，25%甲苯和 15%对二甲苯的 100kmol 液体混合物，在 101.3kPa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：36.5251.27887936.20ln1TPSkPaPS315.1791甲苯：67.5352.30969065.20ln2TPSkPaPS834.732对二甲苯：84.5765.3346981.20ln3TPSkPaPS895

10、.313计算混合组分的泡点TBTB=364.076K 计算混合组分的露点TD TD=377.83K 此时： x1=0.38，x2=0.3135，x3=0.3074，L=74.77kmol；y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968，V=25.23kmol。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-0.01；甲苯-0.004 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

11、 F=460kmol/h，4348. 01z，4348. 02z，1087.03z，0217.04z又 K1=80，K2=10，K3=0.01，K4=0.004 由式(2-72)试差可得： =0.87 ，由式(2-68)计算得：y1=0.4988，y2=0.4924，y3=0.008，y4=0.0008；V=400.2mol/h。14.在 101.3kPa下，对组成为 45%(摩尔)正己烷， 25%正庚烷及 30%正辛烷的混合物。求泡点和露点温度将此混合物在 101.3kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度，两相的组成。解：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可看成理想溶液，KI只取决

12、于温度和压力，可使用烃类的 P-T-K 图。泡点温度计算得： TB=86。露点温度计算得： TD=100。由式 (2-76)求 T 的初值为 93，查图求 KI组分正己烷正庚烷正辛烷zi 0.45 0.25 0.30 Ki1.92 0.88 0.41 0.2836 -0.0319 -0.2511 所以闪蒸温度为 93。由式(2-77)、(2-68)计算得：xC6=0.308，xC7=0.266，xC8=0.426 yC6=0.591，yC7=0.234，yC8=0.175 所以液相中含正己烷30.8%，正庚烷 26.6%，正辛烷 42.6%；汽相中含正己烷 59.1%，正庚烷 23.4%，正辛

13、烷 17.5%。第三章12.在 101.3Kpa 压力下氯仿 (1)-甲醇(2)系统的 NRTL 参数为：12=8.9665J/mol，12=-0.83665J/mol，12=0.3。试确定共沸温度和共沸组成。安托尼方程 (SP ：Pa；T：K) 氯仿：）（16.4679.26968660.20ln1TPS甲醇：）（29.3455.36264803.23ln2TPS解：设 T 为 53.5氢200 甲烷200 苯50 甲苯10 . . 则）（16.4665.32679.26968660.20ln1SPSP1=76990.1 SP2=64595.6 由）（ijijijGexp，ij=ji）（12

14、1212expG=）（9665.83.0exp=0.06788 ）（212121expG=）（8365.03.0exp=1.2852 =2 112 212 2 106788.0106788.09665.82852.112852.18365.01xxxxx）（）（）（）（=2 12 12 193212.016086.02852.02852.13817.11）（）（）（xxx=2 112 112 2 112852.12852.18365.0 06788.0106788.09665.8 ）（）（xxxxx=2 12 12 12852.02852.107507.1 93212.0104131.0 ）（

15、）（xxx1ln-2ln=SSPP21ln=6.645951.76990ln=0.1755 求得1x=0.32 1=1.2092 2=0.8971 =8971.06.6459568.02092. 11.7699032.0=69195.98Pa 101.3kPa 设 T 为 60则）（16.4615.33379.26968660.20ln1SPSP1=95721.9 SP2=84599.9 1ln-2ln=SSPP21ln=9.845999.95721ln=0.1235 设 T 为 56则）（16.4615.32979.26968660.20ln1SPSP1=83815.2 SP2=71759.

16、3 1ln-2ln=SSPP21ln=3.717592.83815ln=0.1553 . . 当1ln-2ln=0.1553时求得1x=0.30 1=1.1099 2=0.9500 =9500.03.7175970.01099.12.8381530.0=75627.8Pa101.3kPa 14.某 1、2 两组分构成二元系，活度系数方程为2 21lnAx，2 12lnAx，端值常数与温度的关系：A=1.7884-4.2510-3T (T，K) 蒸汽压方程为TPS40500826.16ln1TPS40503526.16ln2(P：kPa：T：K) 假设汽相是理想气体，试问99.75Kpa时系统是

17、否形成共沸物？共沸温度是多少？解：设 T为350K 则 A=1.7884-4.2510-3350=1.7884-1.4875=0.3009 3 5 04 0 5 00 8 2 6.16ln1SP ；SP1=91.0284 kPa 3 5 04 0 5 03 5 2 6.16ln2SP ；SP2=119.2439 kPa 因为在恒沸点由12211 12SSPP得SSPP1221解得：1x=0.9487 2x=0.0513 2 10513.03009.0ln；1=1.0008 2 29487.03009.0ln；2=1.3110 P=S iiiPx=1.00080.9487 91.0284+1.3

18、110 0.0513119.2439 =95.069275.99kPa 设 T 为 340K 则 A=1.7884-4.2510-3340=0.3434 34040500826.16ln1SP ；SP1=64.7695 kPa 34040503526.16ln2SP ；SP2=84.8458 kPa . . 由）（1 2121lnxAPPSS；）（1213434.08458.847695.64lnx解得：1x=0.8931 2x=1-0.8931=0.1069 2 11069.03434.0ln；1=1.0039 2 28931.03434.0ln；2=1.3151 P=S iiiPx=1.0

19、0390.8931 64.7695+1.3151 0.1069 84.8458 =69.999275.99kPa 设 T 为 352K 则 A=1.7884-4.2510-3352=0.2924 35240500826.16ln1SP ；SP1=97.2143 kPa 35240503526.16ln2SP ；SP2=127.3473 kPa 由）（1 2121lnxAPPSS；）（1212924.03473.1272143.97lnx1x=0.9617 2x=1-0.9617=0.0383 2 10383.02924.0ln；1=1.0004 2 29617.02924.0ln；2=1.31

20、05 P=S iiiPx=1.00040.9617 97.2143+1.3105 0.0383 127.3473 =99.920275.99kPa 说明系统形成共沸物，其共沸温度为352K。判断31.16738.7513.9912SSPP，而1=1.313，2=1.002 2 12 1SSPP，且SSPPP21,，故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为344.5K。. . 第四章1.某原料气组成如下：组分CH4C2H6 C3H8i-C4H10n-C4H10 i-C5H12 n-C5H12 n-C6H14 y0(摩尔分率 ) 0.765 0.045 0.035 0.025 0.045 0.015 0

21、.025 0.045 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1.013Mpa，如果要求将 i-C4H10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1.1 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）（AKVLmin=0.56 0.85=0.476 (2)理论板数的计算：操作液气比min2.1）（VLVL=1.20.476=0.5712 (3)尾气的数量和组成计算：非关键组分的iiVKLA

22、吸收率111N iN i iAAA被吸收的量为iNv1，塔顶尾气数量iiNvv)1(1塔顶组成Vvyi i 1按上述各式计算，将结果列于下表组分Kmol/h Ki CH476.5 17.4 0.033 0.032 2.524 73.98 0.920 C2H64.5 3.75 0.152 0.152 0.684 3.816 0.047 C3H83.5 1.3 0.439 0.436 1.526 1.974 0.025 i-C4H102.5 0.56 1.02 0.85 2.125 0.375 0.0047 n-C4H104.5 0.4 1.428 0.95 4.275 0.225 0.0028

23、i-C5H121.5 0.18 3.17 1.00 1.500 0.0 0.0 n-C5H122.5 0.144 3.97 1.00 2.500 0.0 0.0 . . n-C6H144.5 0.056 10.2 1.00 4.500 0.0 0.0 合计100.0 - - - 19.810 80.190 (4)塔底的吸收量NL塔内气体平均流率：185.90237.80100v Kmol/h 塔内液体平均流率：514.51185.905712.020 均均）（VVLLLLN而NNLVLV101，即 100+0L=80.37+NL联立求解得NL=61.33Kmol/h. 0L=41.70Kmol

24、/h 解 2：由题意知， i-C4H10为关键组分 由 P=1.013Mpa，t 平=38 查得 K关=0.56 (P-T-K 图) (1)在最小液气比下N=，A关=中关=0.9 关关）（AKVL min=0.56 0.9=0.504 (2)min1.1）（VLVL=1.10.504=0.5544 所以 理论板数为(3)它组分吸收率公式 iiVKLA，111N iN i iAAA计算结果如下：组分进料量相平衡常数Ki 被吸收量塔顶尾气数量组成CH476.5 17.4 0.032 0.032 2.448 74.05 0.923 C2H64.5 3.75 0.148 0.148 0.668 3.8

25、34 0.048 C3H83.5 1.3 0.426 0.426 1.491 2.009 0.025 i-C4H102.5 0.56 0.99 0.90 2.250 0.250 0.003 n-C4H104.5 0.4 1.386 0.99 4.455 0.045 0.0006 i-C5H121.5 0.18 3.08 1.00 1.500 0.0 0.0 n-C5H122.5 0.144 3.85 1.00 2.500 0.0 0.0 n-C6H144.5 0.056 9.9 1.00 4.500 0.0 0.0 合计100.0 - - - 19.810 80.190 以 CH4 为例：. . iA=032.04.175544.0iVKLi=32.01032.099.0032.0148.9148.9V1(CH4)=(1-i)VN+1=(1-0.032)76.5=74.05 （3） 塔内气体平均流率：10.902190.80100vKmol/h 塔内液体平均流率： L=905.9281.19000LLL）（由vl=0.5544 0L =40.05Kmol/h