化工分离 化工原理作业解答.doc

第一章2.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Na0解：1) Nv = 3 ( c+2 )2) Nc 物 c 能 1 相 c 内在(P，T) 2 Nc = 2c+33) Ni = Nv Nc = 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=Nv-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0第二章1.计算在0.1013MPa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。汽相为理想气体，液相为非理想溶液。并与完全理想系的K值比较。已知三个二元系的Wilson方程参数。 ; ; (单位：J/mol)在T=378.47K时液相摩尔体积为： ； ； 安托尼公式为： 苯：； 甲苯：； 对二甲苯：；()解：由Wilson参数方程 =1.619 =0.629同理： ； ；由Wilson方程： ； ；根据安托尼方程： ； ；由式(2-38)计算得： ； ；如视为完全理想系，根据式(2-36)计算得： ； ；3.一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： 设T=368K 用安托尼公式得： ； ； 由式(2-36)得： ； ； ； ； ； 由于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： 可得 重复上述步骤： ； ； ； ； ； 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： ； ；组分i苯(1)甲苯(2)对二甲苯(3)0.500.250.251.0005.8072.3531.0002.90350.58830.25003.74180.77600.15720.06681.0000解2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95苯： ； 甲苯： ；对二甲苯：；选苯为参考组分：；解得T2=94.61；=0.6281=0.2665故泡点温度为94.61，且；(2)相对挥发度法设t=95，同上求得=1.569，=0.6358，=0.2702，故泡点温度为95，且；5、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：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可以看成理想溶液，值只取决于温度和压力。可使用烃类的P-T-K图。 泡点压力的计算：75348 假设P=2.0MPa，因T=25，查图求组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919=0.9191，说明所设压力偏高，重设P=1.8MPa组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.009.41.950.620.280.470.1950.1860.1541.005=1.0051，故泡点压力为1.8MPa。 露点压力的计算：假设P=0.6MPa，因T=25,查图求组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.0026.05.01.60.640.00190.020.18750.85941.0688=1.06881.00，说明压力偏高，重设P=0.56MPa。组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006=1.0061，故露点压力为0.56MPa。解2：(1)求泡点压力：设P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列线图得=16.5=3.2=1.0=0.43所以选异丁烷为参考组分，查得P=1771KPa在此条件下求得=1.021，继续调整，查得P=1800KPa求得：，故混合物在25的泡点压力为1800KPa序号组分1000KPa2000KPa1770KPa1800KPa1甲烷0.0516.50.8258.40.429.60.489.40.472乙烷0.103.20.321.750.1751.950.1951.920.1923丙烷0.301.00.300.570.1710.630.1890.620.1864异丁烷0.550.430.240.2560.1410.2850.1570.2790.1531.001.680.9071.001(2)求露点压力设P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列线图得=16.5=3.2=1.0=0.43所以选异丁烷为参考组分由25，=0.694查得P=560KPa，查得各组分的值求得故混合物在25时的露点压力为560KPa序号组成组成1000KPa560KPa1甲烷0.0516.50.00327.50.0022乙烷0.103.20.0315.200.0193丙烷0.301.00.301.700.1764异丁烷0.550.431.280.6940.7931.6140.9906、含有80%(mol)醋酸乙酯(A)和20%乙醇(E)的二元物系，液相活度系数用Van Laar方程计算，=0.144，=0.170。试计算在101.3kPa压力下的泡点温度和露点温度。安托尼方程为： 醋酸乙酯： 乙醇： (PS：Pa ；T：K)解1：泡点温度 此时， 设T=350K 所以泡点温度为350K。露点温度此时，设T=350K， 设， 所以露点温度为350K。解2：(1)计算活度系数：=1.0075=1.107(2)计算泡点温度设T=353.15K(80)调整解得T2=349.65，即T2=76.50=11.504=11.453=0.9857=1.0288故泡点温度为76.5(3)计算露点温度设T=353.15K(80)解得T2=349.67K(76.52)=11.505=11.454故露点温度为76.527.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zi0.450.250.30Ki1.920.880.410.2836-0.0319-0.2511所以闪蒸温度为93。由式(2-77)、(2-68)计算得：xC6=0.308，xC7=0.266，xC8=0.426yC6=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%，正辛烷17.5%。第四章2的类型题：某原料气组成如下：组分 CH4 C2H6 C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12 n-C6H14y0(摩尔分率) 0.7650.045 0.0350.025 0.0450.0150.0250.045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=0.0.85=0.56 0.85=0.476(2)理论板数的计算：操作液气比=1.20.476=0.5712(3)尾气的数量和组成计算：非关键组分的吸收率被吸收的量为，塔顶尾气数量塔顶组成按上述各式计算，将结果列于下表组分Kmol/hKiCH476.517.40.0330.0322.52473.980.920C2H64.53.750.1520.1520.6843.8160.047C3H83.51.30.4390.4361.5261.9740.025i-C4H102.50.561.020.852.1250.3750.0047n-C4H104.50.41.4280.954.2750.2250.0028i-C5H121.50.183.171.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.971.002.5000.00.0n-C6H144.50.05610.21.004.5000.00.0合计100.0-19.81080.190(4)塔底的吸收量塔内气体平均流率：Kmol/h塔内液体平均流率： 而，即100+=80.37+联立求解得=61.33Kmol/h. =41.70Kmol/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=0.56 0.9=0.504(2)=1.10.504=0.5544所以 理论板数为(3)它组分吸收率公式 ，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CH476.517.40.0320.0322.44874.050.923C2H64.53.750.1480.1480.6683.8340.048C3H83.51.30.4260.4261.4912.0090.025i-C4H102.50.560.990.902.2500.2500.003n-C4H104.50.41.3860.994.4550.0450.0006i-C5H121.50.183.081.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.851.002.5000.00.0n-C6H144.50.0569.91.004.5000.00.0合计100.0-19.81080.190 以CH4为例：=V1(CH4)=(1-)VN+1=(1-0.032)76.5=74.05（3） 塔内气体平均流率：Kmol/h塔内液体平均流率：L=由=0.5544=40.05Kmol/h2.KC2=0.56 (L/V)min=kiA=0.56*0.99=0.5544L/V=1.5(L/V)min=0.8316由Ai=(L/V)/Ki 的得Ai 代入C2=数据得N=8.87 取N=9 v1=vn+1(1-i)组分H2C10C2=C20C3=n C04摩尔分数0.13200.37180.30200.0970.08400.032Ki02.70.560.430.1220.032Ai00.3191.4851.9346.81425.987i00.3080.99050.998711v1i13.225.7290.28630.012390L0/AIL/V=(L0+LN)/(VN+1+V1)=(L0+L0+VN+1-V1)V1=v1i 联解得V1=40.325 L0=28.513、V1+L0=VN+1+LN(L0+LN)/2/(V1+VN+1)/2)=L/V=0.8316(L/V)1v140.290.706815L028.47758VN+1100(L/V)NLN88.187580.881876(L/V)10.7068150.7068150.7068150.7068150.706815Ki2.70.560.430.1220.032A1i0.2617833331.262171.6437565.79356622.087972.70.560.430.1220.032(l/v)N0.8818760.8818760.8818760.8818760.881876AN0.3266207411.5747792.0508747.22849227.558630.6621246073.8124165.67201149.35723636.52270.8137103951.9525412.3815987.0254725.2294Ae0.3137103951.4525411.8815986.5254724.7294Ae(10)9.23186E-0641.81036556.24931.4E+088.55E+130.3137040590.9889110.9984121113.237.1830.29.78.41.3213.225.516483080.3348840.0154011.15156840.21834误差-0.001784(L/V)1v1390.699903L027.2962VN+1100(L/V)NLN88.29620.8829620.8829620.8829620.8829620.8829620.882962零下42.720.640.4650.1590.042AN0.3246181.3796281.8988435.5532221.0229零下242.520.480.370.090.0230.699030.699030.699030.699030.69903A10.2773931.4563131.889277.76730.392610.6646653.6387985.73627148.93508660.21380.815271.9075632.3950516.99536125.69463Ae0.315271.4075631.8950516.49536125.19463Ae(10)9.7E-0630.52667597.32361.34E+081.03E+140.3152630.9861970.9984991113.237.1830.29.78.41.3213.225.458510.4168570.0145591.13030440.22023误差0.001732第六章2、 分离苯(B)、甲苯(T)和异丙苯(C)的精馏塔，塔顶采用全凝器。分析釜液组成为：xB = 0.1(mol)，xT = 0.3，xC = 0.6。蒸发比V/W =1.0。假设为恒摩尔流。相对挥发度BT =2.5，TT =1.0，CT =0.21，求再沸器以上一板的上升蒸汽组成。解：根据提馏段物料衡算得：L=W+V由V/W =1.0L/V =2.0； L/W =2.0。由式得：yB =0.3698；yT =0.4438；yC =0.1864。由提馏段操作线方程：xB =0.2349；xT =0.3719；xC =0.3932。再沸器以上一板的上升蒸汽组成：yB =0.5637；yT =0.3570；yC =0.0793。3、 精流塔及相对挥发度与习题2相同。进料板上升蒸汽组成yB =0.35(mol)，yT =0.20，yC =0.45。回流比L/D =1.7，饱和液体回流。进料板上一级下流液体组成为xB =0.24(mol)，xT =0.18，xC =0.58。求进料板以上第2板的上升蒸汽组成。解：根据精馏段物料衡算得：V = L+D；由L/D =1.7V/L =2.7/1.7 =1.588；D/L =1/1.7 =0.588。根据精馏段操作线方程得：xD,B =0.537；xD,T =0.234；xD,C =0.229。进料板上1板上升蒸汽组成为：yB =0.6653；yT =0.1996；yC =0.1351。根据精馏段操作线方程得进料板上2板下流液体组成为：xB =0.74；xT =0.18；xC =0.08。进料板上2板上升蒸汽组成为：yB =0.904；yT =0.088；yC =0.008。4、 分离苯(B)、甲苯(T)和异丙苯(C)的精馏塔，操作压力为101.3kPa。饱和液体进料，其组成为25%(mol)苯，35%甲苯和40%异丙苯。进料量100kmol/h。塔顶采用全凝器，饱和液体回流，回流比L/D =2.0。假设恒摩尔流。相对挥发度为常数BT =2.5，TT =1.0，CT =0.21。规定馏出液中甲苯的回收率为95%，釜液中异丙烷的回收率为96%。试求：（1） 按适宜进料位置进料，确定总平衡级数；（2） 若在第5级进料(自上而下)，确定总平衡级数。解：全塔物料衡算和计算起点的确定：按清晰分割：FzB =DxB,D =2.5； DxT,D =0.95(FzT) =33.25； DxC,D =(1-0.96)(FzC) =1.6；物料衡算表：组分馏出液釜液Dxi,Dxi,DWxi,Wxi,wB250.41800C33.250.5551.750.044T1.60.02738.40.95659.851.040.151.0操作线方程精馏段式中；提馏段式中L=2D+F=219.7；V=V=L+D =3D =179.55L/V=1.224；W/V =0.224。逐级计算组分第1级第2级yi,1=xi,Dxi,1yi,2xi,2B0.4180.1930.2680.084T0.5550.6550.6220.497C0.0270.1510.1100.4191.00.9991.01.0核实第2级是否为进料级：按精馏段操作线计算yi,3得： yB,3= 0.1953；yT,3 =0.5163；yC,3 =0.2883按提馏段操作线计算yi,3得： yB,3= 0.1028；yT,3 =0.5985；yC,3 =0.2987则 所以第2级不是进料级。所以：yB,3= 0.1953；yT =0.5163；yC =0.2883核实第3级是否为进料级：按精馏段操作线计算yi,4得： yB,4= 0.166；yT,4 =0.360；yC,4 =0.474按提馏段操作线计算yi,4得： yB,4= 0.049；yT,4 =0.311；yC,4 =0.640则 故第3级为进料板，以下按提馏段操作线逐级计算：组分第4级第5级yi,4xi,4yi,5xi,5B0.0490.00580.0070.0006T0.3110.09200.1030.0237C0.6400.90210.8900.97561.00.99991.00.9999因xC,5 xC,W和xT,5 xT,W所以第5级(包括再沸器)为最后一级。估计值的校核W值应调整为：解得：W =40.174；D =59.826。xB,D =0.4175；0.01满足准确度，不再重复逐级计算。5、 某精馏塔共有三个平衡级，一个全凝器和一个再沸器。用于分离由60%(mol)的甲醇，20%乙醇和20%正丙醇所组成的饱和液体混合物。在中间一级上进料，进料量为1000kmol/h。此塔的操作压力为101.3kPa。馏出液量为600kmol/h。回流量为2000kmol/h。饱和液体回流。假设恒摩尔流。用泡点法计算一个迭代循环，直到得出一组新的Ti 值。安托尼方程：甲醇：乙醇：正丙醇： (T：K ；PS：Pa)提示：为开始迭代，假定馏出液温度等于甲醇的正常沸点，而塔釜温度等于其它两个醇的正常沸点的算术平均值，其它级温按线性内插。解：馏出液量D = U1= 600kmol/h，L1= 2000kmol/h，由围绕全凝器的总物料衡算得V2=L1+U1=2600kmol/h。由安托尼方程算出物料的沸点得：T甲醇 =337.65K，T乙醇 =351.48K，T正丙醇 =370.35K。假定馏出液温度等于甲醇的正常沸点，而塔釜温度等于其它两个醇的正常沸点的算术平均值，其它级温按线性内插。迭代变量的初值列于下表级序号，jVj，mol/hTj，K级序号，jVj，mol/hTj，K10337.6542600355.0122600343.4452600360.7932600349.22在假定的级温度及101.3kPa压力下，由安托尼方程得到的K值为：组分Ki,j12345甲醇11.251.551.912.33乙醇0.560.720.911.151.43正丙醇0.250.330.420.540.69第1个组分甲醇的矩阵方程推导如下当V1 = 0，Gj = 0(j =1，5)时，从式(4-19)可得所以，A5 =V5+F3 U1 =2600+1000 600=3000类似得，A4