化工原理_zyxt作业习题2-考研试题文档资料系列.doc

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1、化工原理(下) 教学日历 任课教师： 余立新 yulixin 6278-9238(H), 62788777(O)周次授课内容1序论 分离过程与传递现象Ch 1 蒸馏 1 蒸馏概述 2 汽液平衡关系 3 平衡蒸馏与简单蒸馏 2 4 精馏原理 3 5 板式塔课堂讨论1 (连续精馏的特例)6 特种精馏4机动 (国庆节)57 多组分精馏简介课堂讨论2(9-17的扩展)精馏小结及小测验6Ch 2 吸收 1 吸收概述 2 气液平衡关系3 吸收过程设计计算 7 4 填料塔5 吸收过程的强化 6 高浓度气体吸收 8课堂讨论吸收小结Ch 3 萃取 1 概述 2 液液平衡关系 3萃取过程计算9期中测验 3萃取过程

2、计算10期中测验评述 4 萃取设备 5 萃取过程进展11课堂讨论12萃取小结传质强化专题Ch 4 干燥 1 干燥概述 2 湿空气性质 13 3 干燥平衡关系 4 干燥动力学 5 干燥器 14干燥讨论1 (干燥动力学) 6 干燥过程设计计算 15干燥讨论2(过程设计)干燥小结Ch5 其它分离过程16Ch5 其它分离过程课程总结第1周1. 气液平衡数据的获取：请给出任意一个二元体系的汽液平衡数据，给出出处及获取该数据的途径, 并分析用精馏方法分离该体系时可能具有的特点。2. 分析简单蒸馏过程：分析是否可以用简单蒸馏的方法从7%(质量分数)的乙醇发酵液制得75%(质量分数)的医用酒精？ 如果可以,

3、最多可以得到多少？ 3. 某两组分混合液100kmol，其中易挥发组分的摩尔分数为0.4, 在101.33kPa下进行平衡蒸馏， 最终所得液相产物中易挥发组分的摩尔分数为0.3，试求所得汽相产物的量和组成。假设该体系为理想体系，相对挥发度为3.0。定性分析如果将操作压力降低（即改为真空操作），那么两相产物的量和组成会如何变化？第2周1. 用逐板计算法，图解法和简捷法计算如下精馏任务所需的理论板数和进料位置。请设计一分离苯-甲苯溶液的连续精馏塔，料液含苯0.5，要求馏出液中含苯0.97，残液中含苯低于0.04 (均为摩尔分数)，泡点加料时温度为多少，回流比取为最小回流比的1.5倍，最小回流比与塔

4、釜浓度要求有关吗？苯与甲苯的相对挥发度平均可以取2.5， 可以用恒摩尔流假设。* 思考: 计算过程中如果板数出现小数, 该怎样理解和处理？第3周1. 某常压连续精馏塔, 共有15块塔板(不包括再沸器), 用于精馏甲醇水溶液。进料中含有甲醇40%(质量百分数，下同)，要求馏出液中含甲醇98%，釜残液中含甲醇2%。假定实际操作为泡点进料，回流液为饱和液体，回流比为最小回流比的1.5倍。试确定 (1) 画出精馏系统的流程图；(2) 进料温度；(3) 试求该塔的全塔板效率；(4) 若进料甲醇的组成下降为30%，为达到相同的分离任务，应该采用何种措施(要求尽量定量说明)。2. An equimolar

5、mixture of benzene and tolune is to be separated in a sieve plate tower at the rate of 100kmol/h at 1 atm atmosphere. The overhead product must contain at least 98 mole percentage benzene. The feed is saturated liquid. A tower is available containing 24 plates. Feed may be introduced either on the 1

6、1th or the 17th plate from the top. The maximum vaporization capacity of the reboiler is 120 kmol/h. The plates are about 50% efficient. How many moles per hour of overhead product can be obtained from this tower?第4周预习讨论题：一精馏塔直径已经确定，有40块实际板，正常操作时全塔效率在50%左右。用来分离苯和四氯化碳的混和液，常压下连续操作，进料量恒定，料液中含四氯化碳0.60(摩

7、尔分数, 下同), 要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于0.20。试问塔顶产品中四氯化碳的含量最高可以达到多少? 温度/C80.279.378.878.57877.677.176.6蒸汽压/kPa苯101.3398.8097.897.3397.0696.896.66四氯化碳117.73113.46110.80107.60105.33103.20101.33第5周1. 一精馏塔直径已经确定, 有40块实际板, 正常操作时全塔效率在50%左右。用来分离苯和四氯化碳的混和液，常压下连续操作，进料量恒定，料液中含四氯化碳0.60(摩尔分数, 下同), 要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于0.20。试问塔顶

8、产品中四氯化碳的含量最高可以达到多少? 温度/C80.279.378.878.57877.677.176.6蒸汽压/kPa苯101.3398.8097.897.3397.0696.896.66四氯化碳117.73113.46110.80107.60105.33103.20101.332. 试针对以下问题推出自己的看法: 某精馏塔一直稳定操作. 忽一日, 加热蒸汽系统突然出现了故障(压力降低), 使得上升蒸汽量下降为原来的80%。在进料量, 加料热状态以及回流比不变的条件下, 问塔顶和塔底的产量和组成有什么变化？说法1: 由于精馏段理论级数不变, R不变(精馏段操作线斜率不变), 所以塔顶组 成

9、不变. 由于进料状态没有变化, 所以精馏段和提馏段操作线的交点不变; 由于提馏段的理论板数不变, 所以塔底的组成亦不变. 由于进料量和塔顶塔底组成没有变化, 所以根据物料衡算塔顶和塔底的出料亦不变. ? 这就奇怪了. 难道原来的蒸汽用量一直用多了不成?!说法2: 根据V=(R+1)D, 由于R不变, V的下降使得D变小, 此时W要变大. 矛盾: 说法1和说法2的矛盾出在哪里呢? 应该怎样变化呢?第6周1. 在填料塔中用水吸收混合气中的氨, 气体与水并流接触. 气体的流量为1000 m3/h (标准), 含氨0.01(摩尔分数),塔内的平均温度为25C, 总压为常压, 此条件下氨在相间的平衡关系

10、为Y=0.93X.(1) 试给出该吸收过程的流程示意图;(2) 如用水量为5 m3/h, 水中不含氨, 求氨的最高吸收率;(3) 如用水量为10 m3/h, 水中不含氨, 求氨的最高吸收率;(4) 如用水量为5 m3/h, 水中含氨5kg/1000kg水, 求氨的最高吸收率;(5) 定性判断填料层内的温度分布;(6) 如果改为逆流, 则最高吸收率会有何变化?2. 200 m3/h(28C,101.3kPa)的空气-氨气混合气, 用水吸收其中的氨, 使氨含量由0.05降到0.004(均为摩尔分数). 现有一填料塔, 塔径为0.3米, 填料层高度为3.5米, 填料为25253mm的瓷环, 问该塔是

11、否适用? 如果可用, 则用水量需要多大?在28C,101.3kPa时, 相平衡关系符合亨利定律, Y=1.44X;动力学参数的经验式为: KGa=0.27210-5G0.35W0.38 kmol/(m3hPa).式中, G为气体的质量流速, kg/( m2h); W为液体的质量流速,kg/( m2h).第7周1. 试设计一个用清水吸收烟道气中二氧化碳的填料塔. 烟道气中二氧化碳含量为0.13(摩尔分数). 要求二氧化碳的吸收率为90%,气体流量为1000 m3/h(常压, 20C). 塔底流出的水中二氧化碳含量为0.2g/1000g水. 计算用水量, 塔径和填料层高度.设计数据如下:(1) 空

12、塔气速0.2 m/s (常压, 20C)(2) 填料5050mm2瓷环，不规则堆放；(3) 平衡关系： Y1420X；(4) 传质系数：KX115 kmol/(m2hDX) Y与X均为摩尔比如在上述设计出的塔中，分别只变更以下条件，试计算吸收率的变化。(1) 气体流量减少10% (水量, 塔高, 塔径不变);(2) 二氧化碳进口组成降低为0.10 (气体总流量, 水量, 塔高, 塔径不变).第8周1. 用如图所示的管壳式中空纤维膜吸收装置对含有氨的废水进行净化.所用净化剂为硫酸溶液. 膜吸收装置的纤维根数为n, 纤维的外径为do, 内径为di, 壁厚为d; 空隙率为e. 设废水侧氨的传质系数为

13、kiX(以内表面为基准). 氨在空气中的扩散系数为D, 操作压力为常压, 操作温度为常温. 空气中氨和水中氨的平衡关系为Y=mX. 其中Y和X为摩尔比浓度. 已知废水的摩尔流量为V(以水计), 其中氨的含量为Xi1(摩尔比,下同). 要求处理后氨的含量为Xi2. 硫酸水溶液的初始浓度为Xo1. 假设: 可以忽略水的传递; 假设废水和硫酸为完全逆流; 假设硫酸水溶液一侧硫酸向膜面的补充足够快;中空纤维丝内外直径的算术平均值等于对数平均值;由于浓度很低, 可以认为Y=y. 试求: (1) 为保证最大传质推动力而需的硫酸溶液的最小摩尔流量(以水计)Lmin; (2) 推导氨的总传质系数KoY(以纤维

14、丝的外表面为基准); (3) 如果实际硫酸溶液流量为L(大于Lmin), 问纤维丝的长度应该为多少?2. An aqueous waste stream containing 1.0 weight percent NH3 is to be stripped with air in packed column to remove 99% of the NH3. What is the minimum air rate, in kilograms of air per kilogram of water, if the column operates at 20C? How many transf

15、er units are required at twice the minimum air rate?第9周1. 现有溶剂10克和溶质1克组成的溶液, 用萃取剂进行萃取.因溶液较稀, 分配系数为常数, 等于4(组成用质量比表示). 假定溶剂和萃取剂不互溶. 现拟用10克萃取剂进行萃取. 试设计出你认为最佳的萃取方法.第10周1. 100kg/h混和液, 含溶质A0.40(质量分数, 下同),稀释剂B0.60. 用100kg/h萃取剂S进行萃取. 求在下述不同操作条件下的萃余相浓度及萃取率, 并进行比较.(1) 采用两级错流操作,每级所用的萃取剂为50kg/h.(2) 采用两级逆流操作,萃取剂

16、流量为100kg/h.相平衡关系如下:萃余相(质量分数)萃取相(质量分数)ABSABS00.980.0200.10.90.050.920.030.140.050.810.10.860.040.220.0450.7350.150.800.050.2950.0450.660.200.7380.0620.3550.060.5850.250.6750.0750.4050.080.5150.300.610.090.4450.1030.4520.350.5350.1150.480.130.390.400.450.150.4950.1750.330.450.3650.1850.500.220.280.480

17、.300.220.4950.250.255第11周1. In a continuous countercurrent train of mixer-settler, 100 kg/h of a 40:60 acetone-water solution is to be reduced to 10 percent acetone by extraction with pure 1,1,2-trichloroethane at 25C. (a) Find the minimum solvent rate; (b) At 1.8 times the minimum (solvent rate)/(f

18、eed rate), find the number of stages required. （c ）For conditions of part (b) find the mass flow rates of all streams. Data are given below.Limiting solubility curveC2H3Cl3, wt% Water , wt% Acetone , wt% 94.73 0.26 5.0179.58 0.76 19.6667.52 1.44 31.0454.88 2.98 42.1438.31 6.84 54.8524.04 15.37 60.59

19、15.39 26.28 58.33 6.77 41.35 51.881.72 61.11 37.170.92 74.54 24.540.65 87.63 11.720.44 99.56 0.00Tie linesweight % in water layer weight % in trichloroethane layerC2H3Cl3 Water Acetone C2H3Cl3 Water Acetone 0.52 93.52 5.96 90.93 0.32 8.750.73 82.23 17.04 73.76 1.10 25.141.02 72.06 26.92 59.21 2.27 3

20、8.521.17 67.95 30.88 53.92 3.11 42.971.60 62.67 35.73 47.53 4.26 48.212.10 57.00 40.90 40.00 6.05 53.953.75 50.20 46.05 33.70 8.90 57.406.52 41.70 51.78 26.26 13.40 60.34(希望不用图解法求解)第12周1. 如果让你来选择, 你会选择下面哪种空气作为干燥介质?(1) T=60C, H=0.01(kg水/kg干空气);(2) T=70C, H=0.036(kg水/kg干空气);(3) T=80C, H=0.045(kg水/kg干空

21、气);2. 将温度为20C,相对湿度为0.05的新鲜空气和温度为50C,相对湿度为0.8的废气混合(为什么要混合，不是说返混不好吗?), 混合比为2:5(以绝对干燥空气为基准). 废气和新鲜空气的湿比热容可以视为相等, 试求混合气的湿度,焓,以及再加热到90C时的湿度,相对湿度和焓.第13周 1. 为保证一个学校建筑物内有良好的空气状况, 现采用以下空气调节措施. 假设每天学生平均数目为100, 而每人热的产生速率为每小时200 kcal, 若学校外面的湿气状况在夏天是38oC及95%(相对湿度). 室外的新鲜空气经冷却后和部分来自学校建筑物的再循环排出气混合. 混合后气体的温度应该在21oC

22、以上, 相对湿度应在70%以下. 室内排出气体的温度和相对湿度分别为23oC和60%. 试求: 1)循环气的流量?2)新鲜空气的流量?3)每小时进口空气在冷却器中的传热量为多少?4)该系统还能如何改进?2. 将含绝对干燥物料为10kg的湿物料均匀平摊在长0.8米宽0.6米的浅盘中,温度为70C的热空气以一定的流速在物料表面掠过,2小时后物料的湿含量为0.1降至0.08 kg水/kg干物料.已知在此条件下物料的临界含水量为0.05kg水/kg干物料. 进行必要的假设后,试求: (1) 欲将物料含水量降为0.04kg水/kg干物料, 所需总的干燥时间为多少?(2) 若保持空气状态不变而将流速加倍,

23、只需3.7小时便可将物料含水量降至0.04kg水/kg干物料, 问此时物料的临界含水量有何变化?第14周1. 将干球温度为16C,湿球温度为14C的空气预热到80C,然后进入干燥器, 出口气体的相对湿度为0.5, 干燥器每小时把2吨含水量为0.50(质量分数, 即湿基, 下同)的湿物料干燥到含水量为0.05.(1) 试作等焓干燥的操作线(此处操作线该如何定义?空气和物料中水分组成的关系?), 并求所需的空气量和热量;(2) 如果热损失为116kW, 忽略物料中水分带入的热量及其升温所需要的热量, 问空气用量和耗热量各变为多少? 干燥器内无补充加热. (3) 在H-I图上定性画出两种情况下空气状

24、态的变化, 并且分析结果的合理性.2. 用热空气干燥某湿物料。湿物料的处理量为0.6 kg/s, 初始含水量为0.015, 要求干燥产品的含水量不超过0.006(皆为质量分数,湿基). 所用空气的初始温度为20C, 初始湿度为0.005 kg水/kg干空气, 预热至温度150C. 若干燥过程可视为理想的干燥过程, 试求:(1) 要保证热效率不低于50%, 所需空气的用量应该为多少? 空气的出口温度为多少?(2) 若空气的出口温度与(1)相同, 为将热效率提高至60%, 空气的需要量及其预热温度应该调整到多少.第15周1. 在常压并流操作的干燥器中, 用热空气将某物料由初始含水量1.0 kg水/

25、kg干物料, 干燥到终含水量0.1 kg水/kg干物料. 空气进口温度为135C,湿度为0.01 kg水/kg干空气, 空气出口温度为60C. 假设干燥过程中空气经历等焓变化过程. 根据实验, 恒速阶段的速率可以用下式表示:-dX/dt = 30DH, kg水/kg干物料hr. 降速阶段干燥速率可以表示为: -dX/dt = 12X, kg水/kg干物料hr. 试计算达到上述干燥要求所需的时间；若改为逆流操作如何变化（选做）?2. 对于稀醋酸废水的处理, 试根据本学期所学内容提出若干分离方案, 并简要进行比较.第16周湿的甘蔗渣中含有5%(质量百分数, 下同)的蔗糖溶液, 蔗糖溶液中含有5%的蔗糖. 现欲用水洗的方法回收其中的蔗糖. 经过初步的试验得知, 每次水洗后从洗槽中取出的甘蔗渣中溶液含量为0.053kg溶液/kg干固体(渣). 如果湿甘蔗渣的处理量为4000kg/hr, 水洗所用水量为400kg/hr. 试 (1)设计3种水洗流程, (2)分别计算每种流程所得的蔗糖溶液的量和组成, (3)比较蔗糖的回收率各为多少, (4) 并提出倾向性处理方案.