分离工程课后习题答案_

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 M 8 314 298 0 035 31 5 2 753kPa 所以反渗透膜两侧的最小压差应为 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Nx C 2 加上节流后的压力 共C 3个 V 2 Fzi TF PF V yi Tv Pv L xi TL PL 习题5附图 可调设计变量Na 0 解 1 Nv 3 c 2 2 Nc 物 c 能 1 相 c 内在 P T 2 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 Nxu Nau 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 进料 227K 2068kPa 组分 N2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 Kmol h 1 0 54 4 67 6 141 1 54 7 56 0 33 3 塔顶产物 塔底产物 9 2 习题6附图 Nau 3 1 1 2 7 Nvu 54 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 设 T 368K 用安托尼公式得 kPaP s 24 156 1 kPaP s 28 63 2 kPaP s 88 26 3 由式 2 36 得 562 1 1 K 633 0 2 K 269 0 3 K 781 0 1 y 158 0 2 y 067 0 3 y 006 1 i y 由于 i y 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 553 1 1 1 i y K K 可得KT78 367 重复上述步骤 553 1 1 K 6284 0 2 K 2667 0 3 K 7765 0 1 y 1511 0 2 y 066675 0 3 y 0003 1 i y 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 5 807 13 2 353 23 000 1 33 组分 i苯 1 甲苯 2 对二甲苯 3 i x 0 500 250 251 000 ij 5 8072 3531 000 iijx 2 90350 58830 25003 7418 iij iij x x 0 77600 15720 06681 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 20ln 1 s P PaP s5 1 10569 1 甲苯 06 11 67 5315 27395 52 30969065 20ln 2 s P PaP s4 2 10358 6 对二甲苯 204 10 84 5715 27395 65 33469891 20ln 3 s P PaP s4 3 10702 2 569 1 10 10569 1 5 5 1 1 P P K s 6358 0 2 2 P P K s 2702 0 3 3 P P K s 011 1 25 0 6358 025 0 2702 0 5 0596 1 iix K 选苯为参考组分 552 1 011 1 569 1 12 K 解得 T2 94 61 05 11ln 2 s P PaP s4 2 10281 6 19 10ln 3 s P PaP s4 3 106654 2 2 K 0 6281 3 K 0 2665 19997 0 25 02665 0 25 0 6281 0 5 0552 1 iix K 故泡点温度为 94 61 且776 0 5 0552 1 1 y 157 025 0 6281 0 2 y 067 0 25 0 2665 0 3 y 2 相对挥发度法 设 t 95 同上求得 1 K 1 569 2 K 0 6358 3 K 0 2702 807 5 13 353 2 23 1 33 74 3 25 0125 0 353 25 0807 5 iix 0 1 74 3 25 01 74 3 25 0 353 2 74 3 5 0807 5 ii ii i x x y 故泡点温度为 95 且776 0 74 3 5 0807 5 1 y 157 0 74 3 25 0 353 2 2 y 067 0 74 3 25 0 1 3 y 11 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 20ln 1 TP S kPaP S 315 179 1 77 1 1 K 甲苯 67 5352 30969065 20ln 2 TP S kPaP S 834 73 2 729 0 2 K 对二甲苯 84 5765 3346981 20ln 3 TP S kPaP S 895 31 3 315 0 3 K 计算混合组分的泡点 TB TB 364 076K 计算混合组分的露点 TD TD 377 83K 65 0 076 36483 377 076 364373 1 040443 0 11 1 1 1 i ii K Kz f 414 0 11 1 2 1 2 1 i ii K Kz f 7477 0 1 1 12 f f 00024 0 2 f 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 解 以氢为 1 甲烷为 2 苯为 3 甲苯为 4 总进料量为 F 460kmol h 4348 0 1 z 4348 0 2 z 1087 0 3 z 0217 0 4 z 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 4 00 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 组 分 流率 mol h 氢200 甲 烷 200 苯50 甲 苯 10 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 30 Ki1 920 880 41 11 1 i ii K zK 0 2836 0 0319 0 2511 00006 0 11 1 i ii K zK 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 S P Pa T K 氯仿 16 46 79 2696 8660 20ln 1 T PS 甲醇 29 34 55 3626 4803 23ln 2 T PS 解 设 T 为 53 5 则 16 4665 326 79 2696 8660 20ln 1 S P 29 3465 326 55 3626 4803 23ln 2 S P S P1 76990 1 S P2 64595 6 由 ijijij G exp ij ji 121212 exp G 9665 83 0exp 0 06788 212121 exp G 8365 03 0exp 1 2852 2 1212 1212 2 2121 2 21212 21 ln Gxx G Gxx G x 2 11 2 21 2 2 1 06788 01 06788 09665 8 2852 11 2852 18365 0 1 xxxx x 2 1 2 1 2 1 93212 01 6086 0 2852 02852 1 3817 1 1 xx x 2 2121 2121 2 1212 2 12122 12 ln Gxx G Gxx G x 2 11 2 11 2 2 1 12852 1 2852 18365 0 06788 01 06788 09665 8 xxxx x 2 1 2 1 2 1 2852 02852 1 07507 1 93212 01 04131 0 xx x 1 ln 2 ln S S P P 2 1 ln 6 64595 1 76990 ln 0 1755 求得 1 x 0 32 1 1 2092 2 0 8971 222111 SS i S ii PxPxPx 8971 06 6459568 02092 11 7699032 0 69195 98Pa 101 3kPa 设 T 为 60 则 16 4615 333 79 2696 8660 20ln 1 S P 29 3415 333 55 3626 4803 23ln 2 S P S P1 95721 9 S P2 84599 9 1 ln 2 ln S S P P 2 1 ln 9 84599 9 95721 ln 0 1235 设 T 为 56 则 16 4615 329 79 2696 8660 20ln 1 S P 29 3415 329 55 3626 4803 23ln 2 S P S P1 83815 2 S P2 71759 3 1 ln 2 ln S S P P 2 1 ln 3 71759 2 83815 ln 0 1553 当 1 ln 2 ln 0 1553 时求得 1 x 0 30 1 1 1099 2 0 9500 222111 SS i S ii PxPxPx 9500 03 7175970 01099 12 8381530 0 75627 8Pa 101 3kPa 14 某 1 2 两组分构成二元系 活度系数方程为 2 21 lnAx 2 12 lnAx 端 值常数与温度的关系 A 1 7884 4 25 10 3T T K 蒸汽压方程为 T PS 4050 0826 16ln 1 T P S 4050 3526 16ln 2 P kPa T K 假设汽相是理想气体 试问99 75Kpa时 系统是否形成共沸物 共沸温 度是多少 解 设T为350K 则 A 1 7884 4 25 10 3 350 1 7884 1 4875 0 3009 350 4050 0826 16ln 1 S P S P1 91 0284 kPa 350 4050 3526 16ln 2 S P S P2 119 2439 kPa 因为在恒沸点 由 1 22 11 12 S S P P 得 S S P P 1 2 2 1 1 2 1 2 221 2 1 2 1 21lnlnlnlnxAxxA P P S S 1 213009 0 2439 119 0284 91 lnx 解得 1 x 0 9487 2 x 0 0513 2 1 0513 0 3009 0ln 1 1 0008 2 2 9487 0 3009 0 ln 2 1 3110 P S iii Px 1 0008 0 9487 91 0284 1 3110 0 0513 119 2439 95 0692 75 99 kPa 设 T 为 340K 则 A 1 7884 4 25 10 3 340 0 3434 340 4050 0826 16ln 1 S P S P1 64 7695 kPa 340 4050 3526 16ln 2 S P S P2 84 8458 kPa 由 1 2 1 21lnxA P P S S 1 213434 0 8458 84 7695 64 lnx 解得 1 x 0 8931 2 x 1 0 8931 0 1069 2 1 1069 0 3434 0ln 1 1 0039 2 2 8931 0 3434 0ln 2 1 3151 P S iii Px 1 0039 0 8931 64 7695 1 3151 0 1069 84 8458 69 9992 75 99 kPa 设 T 为 352K 则 A 1 7884 4 25 10 3 352 0 2924 352 4050 0826 16ln 1 S P S P1 97 2143 kPa 352 4050 3526 16ln 2 S P S P2 127 3473 kPa 由 1 2 1 21lnxA P P S S 1 212924 0 3473 127 2143 97 lnx 1 x 0 9617 2 x 1 0 9617 0 0383 2 1 0383 0 2924 0ln 1 1 0004 2 2 9617 0 2924 0 ln 2 1 3105 P S iii Px 1 0004 0 9617 97 2143 1 3105 0 0383 127 3473 99 9202 75 99 kPa 说明系统形成共沸物 其共沸温度为 352K 判断 31 1 6738 75 13 99 1 2 S S P P 而 1 1 313 2 1 002 2 1 2 1 S S P P 且 SS PPP 21 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 CH4 C2H6 C3H8i C4H10n C4H10i C5H12n C5H12 n C6H14 y0 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 关关 AK V L min 0 56 0 85 0 476 2 理论板数的计算 操作液气比 min 2 1 V L V L 1 2 0 476 0 5712 02 1 56 0 5712 0 关关 关 VK L A 32 5 1 02 1 log 85 0 1 85 0 02 1 log 1 log 1 log A A N 3 尾气的数量和组成计算 非关键组分的 i i VK L A 吸收率 1 1 1 N i N i i A AA 被吸收的量为 iN v 1 塔顶尾气数量 iiN vv 1 1 塔顶组成 V v y i i 1 按上述各式计算 将结果列于下表 组分 1 N v Kmol h Ki i Ai iN v 1 i v i y CH476 517 40 0330 0322 52473 980 920 C2H64 53 750 1520 1520 6843 8160 047 C3H83 51 30 4390 4361 5261 9740 025 i C4H102 50 561 020 852 1250 3750 0047 n C4H104 50 41 4280 954 2750 2250 0028 i C5H121 50 183 171 001 5000 00 0 n C5H122 50 1443 971 002 5000 00 0 n C6H144 50 05610 21 004 5000 00 0 合计100 0 19 81080 190 4 塔底的吸收量 N L 塔内气体平均流率 185 90 2 37 80100 v Kmol h 塔内液体平均流率 514 51185 905712 0 2 0 均均 V V LLL L N 而 NN LVLV 101 即 100 0 L 80 37 N L 联立求解得 N L 61 33Kmol h 0 L 41 70