化工分离过程_课后答案刘家祺.docx

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1、分别化学工过程与程工艺例教学题改革与系列参习考书题集叶庆国 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，始终处于山东省领先地位，而分别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、传递过程原理等根底根底学问中有关相平衡热力学、动力学、分子及共聚拢状态的微观机理，传热、传质和动量传递理论来争论化工生产实际中简单物系分别和提纯技术。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少。所以，传统的教学模式不能满

2、足现代化工业生产对高水平工业工程师的需求，开展分别工程课程教学方法与教学手段课题的争论与实践，对我们的学生能否担当起现代化学工业的重任，与该课程的教学质量关系重大，因此对该门课程进展教学改革具有深远意义。分别工程课程的改革主要包括多媒体关心教学课件的开发、分别工程例题与习题集、分别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别过程(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。因此编写这样一本学习参考书，既能发挥

3、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。分别工程学习指导和习题集与课程内容严密结合，习题贯穿目前已出版的相关教材，有解题过程和答案，局部题目供给多种解题思路及解题过程，为学生的课堂以及课后学习供给了有力指导。编者2023 年 3 月名目第一章绪论.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第四章气体吸取.23第五章液液 萃取. 26 第六章 多组分多级分别的严格计算.27 第七章吸附.33第八章结晶.34第 九 章膜 分别 . 35 第十章 分别过程与设备的选择与放大.36第一章 绪论1. 列出 5 种使用 ESA 和

4、5 种使用 MSA 的分别操作。答：属于ESA 分别操作的有精馏、萃取精馏、吸取蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。属于 MSA 分别操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取双溶剂、吸取、吸附。2. 比较使用 ESA 与 MSA 分别方法的优缺点。答：当被分别组分间相对挥发度很小，必需承受具有大量塔板数的精馏塔才能分别时，就要考虑承受萃取精馏 MSA，但萃取精馏需要参加大量萃取剂，萃取剂的分别比较困难，需要消耗较多能量，因此，分别混合物优先选择能量媒介(ES A)方法。3. 气体分别与渗透蒸发这两种膜分别过程有何区分？答：气体分别与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。气体分别更成熟些， 渗透蒸发是有相

5、变的膜分别过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与集中性能的差异而实现分别。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。假设从含盐 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，全部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

6、计变量数 Ni;FT（4） 固定和可调设计变量数 Nx , PV,Na；习y题i（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你 5思路1：附将推举规定哪些变量？图,Tv,3股物流均视为单相物流，P总变量数Nv=3(C+2)=3c+6v L独立方程数Ncx,物料衡算式 C个,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内在(P，T)2Nc = 2c+3（3） Ni = N v Nc

7、 = c+34 Nxu = ( c+2 )+1 = c+35 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. 满足以下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） 假设有，请指出哪些附加变塔顶产物解： Nx量需要规定？u进料c+2压力9进料， 227K，2068kPa组分Kmol/h N1.0C5

8、4.4C67.6C141.192习题6附图塔底产物N u串级单元1a传热1合计2C54.7 C33.3N U = N u+N uVxa= 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:Nu压力N+M+1+1x进料c+2合计N+M+c+4 ( c = 3 )吸加热器换收塔热器尾气泵TCO+蒸汽P蒸冷T出N u串级6a安排器1侧线3传热210却 P塔器水蒸气习题7附图N u = N+M+3+4 = N+M+19v8. 利用如附图所示的系统将某混合物分别成三个产品。试确定：（1） 固定设计变

9、量数和可调设计变量数;（2） 指定一组合理的设计变更量解:N u进料c+2x压力 N+M+1+1+1全凝器 产品1液M产品2 汽汽N u串级a安排侧线c+N+M+5液24进料11传热410习题14附图再沸器产品3全凝器9.产品1采用单个精馏塔分别一个N阀三 组分混合S进料F22再沸器140k Pa产品2402001140kPa阀20Kmol/h99.95%(mol)苯87.2 kmol/h含进料中苯的1% 204kPa苯261.510甲苯84.6联苯5.12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 ?假设不,你认为还应规定哪个(些)设计

10、变 量?解:N U进料X压力c+2 40+1+1c+44 = 47Nau3+1+1+2 = 7Nvu = 54设计变量：回流比，馏出液流率。其次章 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 =0.3125，x =0.2978，x =0.3897 时的 K 值。汽相为抱负气123体，液相为非 抱负溶液。并与完全抱负系的 K 值比较。三个二元系的Wilson 方程参数。? ?1211? ?1035 .33; ? ?1222? 977.83? ?2322; ? ?2333(单位：J/mol)442.15?46

11、0.05? ?1311; ? ?13331510 .141642 .813在 T=378.47K 时液相摩尔体积为：1v L ? 100.91?10?3k m o；v L? 117.55；v L? 136.69 ?10m3安托尼公式为：l?102?3?3苯： ln s ? 20.7936 ? 2788 .51 ?T ? 52.36? ；P1甲苯： ln s ? 20.9065 ?T ? 53.67 ?；P3096 .522?对二甲苯： ln s ? 20.9891 ? 3346 .65 T ?: Pa;T : K )P57.84 ?；( P s3解 1：由 Wilson 参数方程?L? ?ij

12、jLe?xp ? i ? RTiv L? ?v?jivi? RT?2 exp ? ?12vL11211? 117.55 ?10?3100.91?10 ?3exp? ? 1035 .33? ?8.314 ? 378.47 ?=1.619vL21?121vLexp ? ?RT ?2 ?22? 100.91 ?10?3exp? ?977.83? ?8.314 ? 378.47 ?117.55 ?10 ?3同理： ?0.838=0.629?13； ? 1.24431； ? 0.99532?xkik?23?x?由 Wilson1方.0程10 lni ? 1 ? ln?ijj? ?x：?j?kjkjj?1

13、0.9184； ?20.9718； ? 0.99303依据安托尼方程：P a ； P s ? 8.693 ?10； P s? 3.823 ?10 4 PaP s ? 0.2 017M5由式(2-38)计算得：4 Pa231K ?； K ?； K ? 0.37531.8820.834如视为完全抱负系，依据式(2-36)计算得：K ? 2.0 4 8 ； K ?12； K ? 0.37730.858解 2：在 T=378.47K 下苯：ln P1s? 20.7936 ? 2788 .5 /(378.47 ?52.36) ；?P s =207.48Kpa1甲苯：lnsP2s? 20.9065 ? 3

14、096 .52 /(378.47 ? 53.67) ；? P=86.293Kpa对二甲苯： lns ? 20.9891 ? 3346 .65 /(378.47 ? 57.84) s；? PP3Wilson 方程参数求取=38.23Kpa31?v L? ?100.91 ? 10exp(?) ? 1.193?31035 .33exp(?1211 ) ?12vLRT2117.55 ? 108.314 ? 378.472?v L?3? ?3117.55 ? 10exp(?977.83) ? 0.854exp(?1222 ) ?21vLRT1100.91 ? 108.314 ? 378.47?3v L?

15、 ?117.55 ? 10442.1?2?3exp(?136.69?10136.69?10exp(?2322 ) ?5) ? 0.747223vLRT38.314 ? 378.47?3v L? ?3 ?3exp(?460.05) ? 1.346exp(?2333 ) ?32vLRT2117.55 ? 108.314 ? 378.47?3v L? ?136.69 ? 101510 .1?1?3exp(?4) ? 0.457exp(?1311 ) ?13vLRT2100.91 ? 108.314 ? 378.47?33?v L? ?136.69 ? 10?3exp(?1642 .81) ? 2.2

16、8331vLexp(?1333 ) ?1RT10 ?3100.91 ?8.314 ? 378.47ln r ? 1 ? ln(x ? ?x ?x?) ? (x?x?21 2?x31 3)131112213xx1? ?x ? ?12 213?x ? x ? ?x21 1223?x31 1? ?x ? x3223? 1 ? ln(0.3125?1.193? 0.29738? 0.457? 0.3897)? (30.31250.3125? 1.193? 0.2978? 0.457?0.3897?0.29780.854?2.283? 0.3897)0.854? 0.3125? 0.2978? 0.74

17、72? 0.3897? 0.3897? ?0.09076?r1=0.91322.283? 0.3125? 1.346? 0.2978ln r?1 ? ln( x? x ) ?x?xx? ?x? ?x? x?(?x? x? ?x?x) ?x? ?x? x? 1 ? ln(0.3125 ? 0.854 ? 0.2978 ? 0.7472 ? 0.3897) ? (?0.2970.2125?1.1930.3125 ? 1.193? 0.2978 ?0.457 ? 0.38970.3897 ?1.346)80.854 ? 0.3125 ? 0.2978 ? 0.7472 ? 0.38970.2978

18、? 0.3897?2.283? 0.3125 ? 1.346 ?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 ? 0.2978 ? 0.7472 ? 0.38972.283 ? 0.3125 ? 1.346 ?

19、0.2978 ?0.3897? 0.2431?r3故=1.2752K ? r Ps? 0.9132 ? 207.48? 1.87111P101.3K ? r Ps? 1.019 ? 86.93? 0.874422 2 P101.3K ? r Ps? 1.2752 ? 38.23? 0.481333 3 P101.3而完全抱负系：s1PK ? P1207.482.048?101.3s2PK ? PK2 ? P386.93?101.3? 0.8581s3P?38.23101.3? 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

20、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。假设为完全抱负系。解 1：(1) 平衡常数法：设 T=368K用安托尼公式得：P s ? 156.24k P a ； P s ?63.28k Pa1； P s ? 26.88k Pa22由式(2-36) ； K ?得：； K ?3；? y3i? 1.0060.6330.2691K ?； y ?； y ?1.562y ? 0.7 81120.15830.067由于? yi1.001，说明所设温度偏高。由题意知液相中含量最大的是苯，由式(2-62)得：K1?K ” ?1y? 1.5 5 可得T ” ? 367.78 K3重复上述步

21、骤i ：?K ” ?； K12； K ? 0.26671.5531” 0.6284”3?23iy ” ?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：? 5 . 8 0 7 ；?1323；? 1.00033?解 2：2.353 组分 ixi苯(1) 甲苯(2) 对二甲苯(3)0.500.250.251.000(1)平衡常数法。假? 设为完全5.理80想

22、7 系。2.设353t=951.000?苯：ln P i?j 20.7936 ? 2788 .5 /(95 ? 273.15 ? 52.36) ? 11.96 ；xs1 iji2.9035 0.58830.25003.7418?0.7760 0.15720.06681.0000?P s ij? 1.569 ?10 5 Pa甲苯：1x?20.9065 ? 3096 .52 /(95 ? 273.15 ? 53.67) ? 11.06 ；?ln P i?2?s? P s2? 6.358 ?10 4 Pa对二甲苯： ln P ? 20.9891 ? 3346.65 /(95 ? 273.15 ? 5

23、7.84) ?s3 10.204 ；? P s3? 2.702 ?104 Pas1?10Ps2P1PK ? P3K ?s3PP? 1.5695105? 0.2702? 1.56；9 K?2? 0.6358i? ? Ki x? 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 ? 1.552 ；解得 T2=94.61? ln Ps11.05 2；?P s2? 6.281 ?140 Paln Ps?P s? 2.6654 ?140 Pa10.139 ；3? K 2 =0.6281K 3 =0.2

24、665? ? K xii? 1.552 ? 0.5 ? 0.6281 ? 0.25 ? 0.2665 ? 0.25 ?0.9997 ? 1故泡点温度为 94.61，且 y1y2? 1.552 ? 0.5 ? 0.776 ；? 0.6281 ? 0.25 ? 0.157 ； y3? 0.2665 ? 0.25(2) 相对挥发度法设 t=95，同上求得 K? 0.067=1.569， K=0.6358， K3=0.2702? ?13? 5.1 807，? 232? 2.353， 33 ? 1?xii? 5.807 ? 0.5 ? 2.353 ? 0.25 ? 1? 0.25 ? 3.74? y ?

25、 ? ?iixi? 5.807 ? 0.5 ?2.353 ? 0.25 ?1? 0.25? 1.0?xii3.743.743.74故泡点温度为 95，且 y5.807 ? 0.51 ? 0.776 ；3.74y ? 2.353 ? 0.25? 0.157 ? 1? 0.25 ? 0.067y23.74； 33.743. 一烃类混合物含甲烷 5%(mol)，乙烷 10%，丙烷 30%及异丁烷 55%，试求混合物在 25时的泡点压力和露点压力。解 1：由于各组分都是烷烃，所以汽、液相均可以看成抱负溶液，K温度和压力。可使用烃类的 P-T-K 图。泡点压力的计算：75348假设 P=2.0MPa，因

26、 T=25，查图求 Ki组分 i甲烷(1) 乙烷(2) 丙烷(3) 异丁烷(4) 值只取决于ix0.05iK8.5i0.101.80.300.570.550.261.00?y ? Kiix0.4250.180.1710.1430.919K x =0.9191，说明所设压力偏高，重设?iiP=1.8MPaK 组x分 =i1.0甲05烷(11，) 故乙泡烷点(2压)力丙为烷1(.38)MP异a。丁烷(4) ii露点x压力的计0.算05：i0.100.300.551.00假设 PK=0.6MPa，9因.4T=251.,9查5图求0K.6i 2i0.28y组分? iKii甲0烷.4(71) 乙0.烷1

27、9(52) 丙0烷.1(836) 异丁0.烷15(4) 1.005x y0.05i0.100.300.551.00K26.0i5.01.60.64yx ?i0.00190.020.18750.85941.0688? yiKi K组分i=1.06881.00，说明压力偏高，重设 P=0.56MPa。甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006iyiiKx ? yi K? yii K =1.0061，故露点压力为 0.56MPa。解 2：(1)求泡点i压力：设 P =10

28、00KPa，由 25，1000KPa，查 P-T-K 列线图得K1iK =16.5 KK123K =0.434=3.2=1.0所以? yi1? 0.05 ? 16.5 ? 0.1 ? 3.2 ? 0.3 ? 1.0 ? 0.55 ? 0.43 ? 1.68 ?选异丁烷为参考组分K? K43y ? 0.25642 ?得?i0.907? 0.282 ，查得 P=1771KPa在此条件下求y =1.02 ? 1，连续调整i43 ?K? K44y ? 0.282 1.02 ? 0.279 ，查得 P=1800KPai(2序)求号露点组压分力x1000KPa2023KPa1770KPa1800KPa设

29、P =1000KPa，由 25，1000KPa，查 P-T-K 列线图得Ki1K =16.5KyKyKyKyi1234甲烷1乙烷0.05 16.5K0.825 8.4iKi0.42 9.36iK=0.4ii iii=3.20.10 3.2230.32 1.754=1.00.1751.950.48 9.40.195 1.92所以丙? 烷?0.y30 1.0 0.30? 0.05? 0.100.570.171 0.630.189 0.62选异丁? 烷为参考组分异丁i烷x?0.55 0.43Kii0.1264.50.25630.141 0.2850.04.3157 0.279? 0.55? 1.61

30、4K? K? ? x ? 0.43 ? 1.614 ? 0.6941.001.680.9070.470.1920.1860.1531.001求得： ? yi? 1.001 ? 1 ，故混合物在 25的泡点压力为 1800KPa4241i由 25， K42=0.694 查得 P=560KPa，查得各组分的K 值i求得? x ?0.990 ? 1 故混合物在 25时的露点压力为 560KPai4. 含有 80%(序mo号l)醋组酸成乙酯(A组)和成201%0乙00醇KP(aE)的二5元60物KP系a，液相活度系数用VanKxKxLaar 方程计算， A =0.144， A =0.i170。i试计算

31、在i 101.3i kPa 压力下的泡点温1A甲E烷0.05EA16.5 0.003 27.5 0.0020.103.20.0315.200.0190.301.00.301.700.176度和露点温度2 。 乙烷安托尼方程3 为：丙烷醋酸乙酯：4 ln P异S ?丁2烷1.004.4545? 207.9403.510.280.694 0.793A?T ? 57.15?乙醇： lnPS1.6140.990 SE解 1：泡点温度? 23.8047 ? 3803.98 ?T ?(P ：Pa41.68?；T：K)此时x ? 0.8 ， ? 0.2AExln ?A?AAEA x 2?A?Ex0.1700

32、.170?0.8? 0.0 0 7 50.1440.144?21 ?AEA?1 ? ?x0.1 7 0? 0.2 ?EA? 1.0 0 7 5Aln ?AEEAA?20.2?1 ? 0.1 0 1 321 ?EA?E?E?A x0.1 4 4? 0.8设 T=350K?1.1067AE?A?ln P SA? 21.0444 ? 2790 .50 ?T ? 57.15? ? 11.516P S? 100271 PaAln P SE? 23.8047 ? 3803 .98 ?T ? 41.68? ? 11.4669P S? 95505 PaE?K ?APA APS? 0.9 9 7 2K E? ?

33、P S E E ? 1.0 4 3 4P? K xii?x? K A x A ? K ? 0.9 9 7 2?40.8 ? 1.0 4 3 ?4 0.2 ? 1.0 0 6EEK x ? 1ii所以泡点温度为 350K。露点温度此时 yAy? 0.8 ， ? 0.2E设 T=350K，ln P SA? 21.0444 ? 2790 .50?T ? 57.15? 11.516P S? 100271 PaAln P SE? 23.8047 ? 3803 .98? 41.68?T? 11.4669P S? 95505 PaE设? 1， ?AEK ?PA AP? 1SA? 0.98984SK ?EPE EP? 0.94279x? 0.8 0 8 2yAAKAx ?yE? 0.2121EKEln ? ?AAAE?0.144? 0.00806”A x 21 ?AEA?0.80802.144 ?2?1 ?A x ?0.170 ? 0.2121?”?AEAE?1.0081ln ?E”AEA?20.1 702? 0.0 9 9 0 8?1 ?A x ?EAE?A? x ?AEA0.0.2?11?1 40.4?0.88 2?01 7 0?2 ?1?” ? 1.1 0 4 2E?” PS1.0