化工原理天津大学下册课后习题答案

化工原理天津大学下册课后习题参考答案第五章蒸馏1已知含苯05摩尔分率的苯甲苯混合液若外压为99KPA试求该溶液的饱和温度。苯和甲苯的饱和蒸汽压数据见例11附表。T801859095100105X09620748055203860236011解利用拉乌尔定律计算气液平衡数据查例11附表可的得到不同温度下纯组分苯和甲苯的饱和蒸汽压PBPA由于总压P99KPA则由XPPB/PAPB可得出液相组成这样就可以得到一组绘平衡TX图数据。以T801为例X9940/10133400962同理得到其他温度下液相组成如下表根据表中数据绘出饱和液体线即泡点线由图可得出当X05时相应的温度为922正戊烷C5H12和正己烷C6H14的饱和蒸汽压数据列于本题附表试求P133KPA下该溶液的平衡数据。温度C5H1222312330244025102606275129173093KC6H1424822591276927902890304832283419饱和蒸汽压KPA132653801332665321013解根据附表数据得出相同温度下C5H12A和C6H14B的饱和蒸汽压以T2482时为例当T2482时PB13KPA查得PA6843KPA得到其他温度下AB的饱和蒸汽压如下表T2482512591260627512769279289291730483093PAKPA684380001247213300266002948433425488735320089000101300PBKPA130016342600282650275300800013300156942660033250利用拉乌尔定律计算平衡数据平衡液相组成以2606时为例当T2606时XPPB/PAPB1332826/13328261平衡气相组成以2606为例当T2606时YPAX/P1331/1331同理得出其他温度下平衡气液相组成列表如下T260627512769279289X10383503308002850Y10767073305240根据平衡数据绘出TXY曲线3利用习题2的数据计算相对挥发度在平均相对挥发度下的XY数据并与习题2的结果相比较。解计算平均相对挥发度理想溶液相对挥发度PA/PB计算出各温度下的相对挥发度T24802510259126062751276927902890291730483093529155634178取2751和279时的值做平均M52914178/24730按习题2的X数据计算平衡气相组成Y的值当X03835时Y47303835/14731038350746同理得到其他Y值列表如下T260627512769279289529155634178X10383503308020850Y10746070005550作出新的TXY曲线和原先的TXY曲线如图4在常压下将某原料液组成为06易挥发组分的摩尔的两组溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏若汽化率为1/3试求两种情况下的斧液和馏出液组成。假设在操作范围内气液平衡关系可表示为Y046X0549解简单蒸馏由LNW/FXXFDX/YX以及气液平衡关系Y046X0549得LNW/FXXFDX/0549054X054LN0549054XF/0549054X汽化率1Q1/3则Q2/3即W/F2/3LN2/3054LN054905406/0549054X解得X0498代入平衡关系式Y046X0549得Y0804平衡蒸馏由物料衡算FXFWXDYDWF将W/F2/3代入得到XF2X/3Y/3代入平衡关系式得X0509再次代入平衡关系式得Y07835在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四硫化碳所组成的混合液。已知原料液流量F为4000KG/H组成XF为03二硫化碳的质量分率下同。若要求釜液组成XW不大于005馏出液回收率为88。试求馏出液的流量和组分分别以摩尔流量和摩尔分率表示。解馏出回收率DXD/FXF88得馏出液的质量流量DXDFXF884000030881056KG/H结合物料衡算FXFWXWDXDDWF得XD0943馏出液的摩尔流量1056/760943147KMOL/H以摩尔分率表示馏出液组成XD0943/76/0943/760057/1540976在常压操作的连续精馏塔中分离喊甲醇04与说6均为摩尔分率的溶液试求以下各种进料状况下的Q值。1进料温度402泡点进料3饱和蒸汽进料。常压下甲醇水溶液的平衡数据列于本题附表中。温度T液相中甲醇的气相中甲醇的温度T液相中甲醇的气相中甲醇的摩尔分率摩尔分率摩尔分率摩尔分率10000007530400729964002013473105007799350040234712060082591200603046930700870893008036567608009158770100418660090095884401505176500950979817020057964010107800300665解1进料温度40753时甲醇的汽化潜热R1825KJ/KG水蒸汽的汽化潜热R223136KJ/KG576时甲醇的比热CV12784KJ/KG水蒸汽的比热CV24178KJ/KG查附表给出数据当XA04时平衡温度T75340进料为冷液体进料即将1MOL进料变成饱和蒸汽所需热量包括两部分一部分是将40冷液体变成饱和液体的热量Q1二是将753饱和液体变成气体所需要的汽化潜热Q2即QQ1Q2/Q21Q1/Q2Q104322784753402850748KJ/KGQ282504322313606183554688KJ/KGQ1Q1/Q21082泡点进料泡点进料即为饱和液体进料Q13饱和蒸汽进料Q07对习题6中的溶液若原料液流量为100KMOL/H馏出液组成为095釜液组成为004以上均为易挥发组分的摩尔分率回流比为25试求产品的流量精馏段的下降液体流量和提馏段的上升蒸汽流量。假设塔内气液相均为恒摩尔流。解产品的流量由物料衡算FXFWXWDXDDWF代入数据得W6044KMOL/H产品流量D10060443956KMOL/H精馏段的下降液体流量LLDR253956989KMOL/H提馏段的上升蒸汽流量V40进料Q108VV1QFD1R13846KMOL/HV14646KMOL/H8某连续精馏操作中已知精馏段Y0723X0263提馏段Y125X00187若原料液于露点温度下进入精馏塔中试求原料液馏出液和釜残液的组成及回流比。解露点进料Q0即精馏段Y0723X0263过XDXDXD0949提馏段Y125X00187过XWXWXW00748精馏段与Y轴交于0XD/R1即XD/R10263R261连立精馏段与提馏段操作线得到交点坐标为0534506490XF06499在常压连续精馏塔中分离苯和甲苯的混合溶液。若原料为饱和液体其中含苯05摩尔分率下同。塔顶馏出液组成为09塔底釜残液组成为01回流比为20试求理论板层数和加料板位置。苯甲苯平衡数据见例11。解常压下苯甲苯相对挥发度246精馏段操作线方程YRX/R12X/309/32X/303精馏段Y1XD09由平衡关系式YX/11X得X107853再由精馏段操作线方程Y2X/303得Y208236依次得到X206549Y307366X305320Y406547X404353X4XF05X3精馏段需要板层数为3块提馏段X1X404353提馏段操作线方程YLX/LWWXW/LW饱和液体进料Q1L/LWLF/V1W/3D由物料平衡FXFWXWDXDDWF代入数据可得DWL/LW4/3W/LWW/LDW/3D1/3即提馏段操作线方程Y4X/301/3Y205471由平衡关系式YX/11X得X203293依次可以得到Y304058X302173Y402564X401229Y501306X500576X5XW01X4提馏段段需要板层数为4块理论板层数为N3418块包括再沸器加料板应位于第三层板和第四层板之间10若原料液组成和热状况分离要求回流比及气液平衡关系都与习题9相同但回流温度为20试求所需理论板层数。已知回流液的泡殿温度为83平均汽化热为32104KJ/KMOL平均比热为140KJ/KMOL解回流温度改为20低于泡点温度为冷液体进料。即改变了Q的值精馏段不受Q影响板层数依然是3块提馏段由于Q的影响使得L/LW和W/LW发生了变化QQ1Q2/Q21Q1/Q2Q1CPJ/KMOLQ232104KJ/KMOLQ18820/3210412756L/LWVWF1Q/VF1Q3DWF1Q/3DF1QDWF2D得L/LW1Q/05Q12815W/LWD/3DF1Q1/12Q02815提馏段操作线方程为Y12815X002815X1X404353代入操作线方程得Y205297再由平衡关系式得到X203141依次计算Y303743X301956Y402225X401042Y501054X500457X5XW01X4提馏段板层数为4理论板层数为3418块包括再沸器11在常压连续精馏塔内分离乙醇水混合液原料液为饱和液体其中含乙醇015摩尔分率下同馏出液组成不低于08釜液组成为002操作回流比为2。若于精馏段侧线取料其摩尔流量为馏出液摩尔流量的1/2侧线产品为饱和液体组成为06。试求所需的理论板层数加料板及侧线取料口的位置。物系平衡数据见例17。解如图所示有两股出料故全塔可以分为三段由例17附表在XY直角坐标图上绘出平衡线从XD08开始在精馏段操作线与平衡线之间绘出水平线和铅直线构成梯级当梯级跨过两操作线交点D时则改在提馏段与平衡线之间绘梯级直至梯级的铅直线达到或越过点CXWXW。如图理论板层数为10块不包括再沸器出料口为第9层侧线取料为第5层12用一连续精馏塔分离由组分AB组成的理想混合液。原料液中含A044馏出液中含A0957以上均为摩尔分率。已知溶液的平均相对挥发度为25最回流比为163试说明原料液的热状况并求出Q值。解在最回流比下操作线与Q线交点坐标XQYQ位于平衡线上且Q线过XFXF可以计算出Q线斜率即Q/1Q这样就可以得到Q的值由式147RMINXD/XQ1XD/1XQ/1代入数据得0630957/XQ2510957/1XQ/251XQ0366或XQ107舍去即XQ0366根据平衡关系式Y25X/115X得到YQ0591Q线YQX/Q1XF/Q1过04404403660591Q/Q10591044/0366044得Q0670Q1原料液为气液混合物13在连续精馏塔中分离某种组成为05易挥发组分的摩尔分率下同的两组分理想溶液。原料液于泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器分凝器向塔内提供回流液其组成为088全凝器提供组成为095的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率96。若测得塔顶第一层板的液相组成为079试求1操作回流比和最小回流比2若馏出液量为100KMOL/H则原料液流量为多少解1在塔顶满足气液平衡关系式YX/11X代入已知数据095088/108812591第一块板的气相组成Y12591X1/11591X12591079/115910790907在塔顶做物料衡算VLDVY1LXLDXD0907LD088L095DL/D1593即回流比为R1593由式147RMINXD/XQ1XD/1XQ/1泡点进料XQXFRMIN10312回收率DXD/FXF96得到F100095/0509619792KMOL/H15在连续操作的板式精馏塔中分离苯甲苯的混合液。在全回流条件下测得相邻板上的液相组成分别为028041和057试计算三层中较低的两层的单板效率EMV。操作条件下苯甲苯混合液的平衡数据如下X026038051Y045060072解假设测得相邻三层板分别为第N1层第N层第N1层即XN1028XN041XN1057根据回流条件YN1XNYN028YN1041YN2057由表中所给数据24与第N层板液相平衡的气相组成YN24041/1041140625与第N1层板液相平衡的气相组成YN124057/1057140483由式151EMVYNYN1/YNYN1可得第N层板气相单板效率EMVNXN1XN/YNXN057041/0625041744第N层板气相单板效率EMVN1XNXN1/YN1XN1041028/048302864第六章吸收1从手册中查得10133KPA,25时,若100G水中含氨1G,则此溶液上方的氨气平衡分压为0987KPA。已知在此浓度范围内溶液服从亨利定律试求溶解度系数HKMOL/M3KPA及相平衡常数M解液相摩尔分数X1/17/1/17100/1800105气相摩尔分数Y0987/10133000974由亨利定律YMX得MY/X000974/001050928液相体积摩尔分数C1/17/101103/10305824103MOL/M3由亨利定律PC/H得HC/P05824/09870590KMOL/M3KPA210133KPA,10时氧气在水中的溶解度可用P331106X表示。式中P为氧在气相中的分压KPAX为氧在液相中的摩尔分率。试求在此温度及压强下与空气充分接触的水中每立方米溶有多少克氧。解氧在气相中的分压P10133212128KPA氧在水中摩尔分率X2128/331106000643103每立方米溶有氧0006410332/181061143G3某混合气体中含有2体积CO2其余为空气。混合气体的温度为30总压强为5066KPA。从手册中查得30时CO2在水中的亨利系数E188105KPA试求溶解度系数HKMOL/M3KPA及相平衡常数M并计算每100G与该气体相平衡的水中溶有多少GCO2。解由题意Y002ME/P总188105/5066037103根据亨利定律YMX得XY/M002/0371030000054即每100G与该气体相平衡的水中溶有CO2000005444100/1800132GH/18E103/101881052955104KMOL/M3KPA7在10133KPA27下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气液两相中的浓度都很低平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数H1995KMOL/M3KPA气膜吸收系数KG155105KMOL/M2SKPA液膜吸收系数KL208105KMOL/M2SKMOL/M3。试求总吸收系数KG并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。解由1/KG1/KG1/HKL可得总吸收系数1/KG1/1551051/1995208105KG1128105KMOL/M2SKPA气膜阻力所占百分数为1/KG/1/KG1/HKLHKL/HKLKG1995208/199520815509289288在吸收塔内用水吸收混于空气中的甲醇操作温度为27压强10133KPA。稳定操作状况下塔内某截面上的气相甲醇分压为5KPA液相中甲醇浓度位211KMOL/M3。试根据上题有关的数据算出该截面上的吸收速率。解由已知可得KG1128105KMOL/M2SKPA根据亨利定律PC/H得液相平衡分压PC/H211/19951058KPANAKGPP1128105510584447105KMOL/M2S016KMOL/M2H9在逆流操作的吸收塔中于10133KPA25下用清水吸收混合气中的CO2将其浓度从2降至01体积。该系统符合亨利定律。亨利系数552104KPA。若吸收剂为最小理论用量的12倍试计算操作液气比L/V及出口组成X。解Y12/9800204Y201/9990001ME/P总552104/1013300545104由L/VMINY1Y2/X1Y1Y2/Y1/M002040001/00204/54551828L/V12L/VMIN622由操作线方程YL/VXY2L/VX2得出口液相组成X1Y1Y2/L/V002040001/622312105改变压强后亨利系数发生变化及组分平衡发生变化导致出口液相组成变化ME/P总552104/1013300545105L/V12L/VMIN622X1Y1Y2/L/V002040001/62231210410根据附图所列双塔吸收的五种流程布置方案示意绘出与各流程相对应的平衡线和操作线并用图中边式浓度的符号标明各操作线端点坐标。11在10133KPA下用水吸收混于空气中的中的氨。已知氨的摩尔分率为01混合气体于40下进入塔底体积流量为0556M3/S空塔气速为12M/S。吸收剂用量为最小用量的11倍氨的吸收率为95且已估算出塔内气相体积吸收总系数KYA的平均值为00556KMOL/M3S水在20温度下送入塔顶由于吸收氨时有溶解热放出故使氨水温度越近塔底越高。已根据热效应计算出塔内氨水浓度与起慰问度及在该温度下的平衡气相浓度之间的对应数据列入本题附表中试求塔径及填料塔高度。氨溶液温度T/氨溶液浓度气相氨平衡浓度XKMOL氨/KMOL水YKMOL/KMOL20002350005000562600100102900150018315002002734002500436500300543950035007442004009744500450125470050156解混合气流量GD2U/4D4G/U1/240556/314121/2077MY101/090111Y2Y11005010005Y20005/09950005根据附表中的数据绘成不同温度下的XY曲线查得与Y10111相平衡的液相组成X100425L/VMINY1Y1/X101110005/004252497L/V11L/VMIN275由操作线方程YL/VXY2可得X1V/LY1Y201110005/27500386由曲线可查得与X1相平衡的气相组成Y10092YMY1Y2/LNY1Y2011100920005/LN01110092/000500105OGY1Y2/YM01110005/0010510105惰性气体流量G055610105560905004M3/S0500410133103/83143131949MOL/SHOGV/KYA1949103/005560772/476556103M填料层高度HOGHOG10105765561037654M12在吸收塔中用请水吸收混合气体中的SO2气体流量为5000M3标准/H其中SO2占10要求SO2的回收率为95。气液逆流接触在塔的操作条件下SO2在两相间的平衡关系近似为Y267X试求1若取用水量为最小用量的15倍用水量应为多少2在上述条件下用图解法求所需理论塔板数3如仍用2中求出的理论板数而要求回收率从95提高到98用水量应增加到多少解1Y2Y110110950005Y101/090111Y20005/100050005L/VMINY1Y2/X1Y1Y2/Y1/26701110005267/01112550L/V15L/VMIN3825惰性气体流量V500009/22420089用水量L3825200897684KMOL/H2吸收操作线方程YL/VXY2代入已知数据Y3825X0005在坐标纸中画出操作线和平横线得到理论板数NT55块14在一逆流吸收塔中用三乙醇胺水溶液吸收混于气态烃中的H2S进塔气相中含H2S体积291要求吸收率不低于99操作温度300压强10133KPA平衡关系为Y2X进塔液体为新鲜溶剂出塔液体中H2S浓度为0013KMOLH2S/KMOL溶剂已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为0015KMOL/M2S气相体积吸收总系数为0000395KMOL/M3SKPA。求所需填料蹭高度。解Y2Y11002910010000291Y2Y20000291Y100291/100291002997YMY1Y1Y2/LNY1Y1/Y2002997001320000291/LN00299700132/000029100014OGY1Y2/YM0029970000297/00014212HOGV/KYA0015/0000395101330375HOGHOG212037579M第七章干燥1已知湿空气的总压强为50KPA温度为60相对湿度40试求1湿空气中水气的分压2湿度3湿空气的密度解1查得60时水的饱和蒸汽压PS19932KPA水气分压P水气PS19932047973KPA2H0622P水气/PP水气06227973/5079730118KG/KG绝干31KG绝干气中含0118KG水气X绝干1/29/1/290118/18084X水气0118/18/1/290118/18016湿空气分子量M018X水气29X绝干气180162908427249G/MOL湿空气密度MP/RT272410350103/83143330493KG/M3湿空气2利用湿空气的HI图查出本题附表中空格内的数值并给出序号4中各数值的求解过程序号干球温度湿球温度湿度相对湿度焓水气分压露点KG/KG绝干KG/KG绝干KPA1603500322140530240270024090325320180013755021543028002585954253干球温度为20湿度为0009KG/KG绝干的湿空气通过预热器加热到50再送往常压干燥器中离开干燥器时空气的相对湿度为80。若空气在干燥器中经历等焓干燥过程试求11M3原湿空气在预热器过程中焓的变化21M3原湿空气在干燥器中获得的水分量。解1原湿空气的焓I0101188H0T2490H01011880009202490000943KJ/KG绝干通过预热器后空气的焓I110118800095024900000973756KJ/KG绝干焓变化HI1I030756KJ/KG绝干空气的密度MP/RT2910310133103/8314293121KG/M31M3原湿空气焓的变化为H30756121/1009369KJ/KG湿气2等焓干燥I1I273756KJ/KG绝干假设从干燥器中出来的空气湿度T268查得此时水蒸汽的饱和蒸汽压PS3635KPAH20622PS/PPS0622083635/1013308363500184KJ/KG绝干由I273756101188H2T22490H2试差假设成立H200184KJ/KG绝干获得水分量HH2H000184000900094KJ/KG绝干00094121/10090011KJ/KG湿气4将T025050的常压新鲜空气与干燥器排出的T250280的常压废气混合两者中绝干气的质量比为13。分别用计算法和做图法求混合气体的湿度和焓。解1查得25时和50时水的饱和蒸汽压分别为3291KPA和1234KPA新鲜空气湿度H006220PS/P0PS0622053291/10133053291001027KG水/KG绝干废气湿度H206222PS/P2PS0622081234/10133081234020142KG水/3KG绝干混合气湿度HM0010270067143/1300529KG水/KG绝干混合气温度TM25503/134375混合气焓IM101188HMTM2490HM10118800529437524900052918026KJ/KG绝干2做图发略5干球温度T026湿球温度T023的新鲜空气预热到T195后送入连续逆流干燥器内离开干燥器时温度为T