分离工程习题2016

分离工程习题 第一章第一章 多组分精馏多组分精馏 1、欲分离苯（1） 、甲苯（2）和二甲苯（3）的三元混合物，精馏塔的进料、塔顶产品和塔 底产品的组成如下： 组分 苯 甲苯 二甲苯 塔顶产品 0.995 0.005 0 塔底产品 0.005 0.744 0.251 进料 0.600 0.300 0.100 塔于常压下操作。试求： （1）塔顶分凝器和塔釜温度。 （用修正平衡常数法计算，塔顶和塔釜温度初值都设为（用修正平衡常数法计算，塔顶和塔釜温度初值都设为 90 oC） （2）若进料温度为 92oC，确定进料相态。 假设液相服从拉乌尔定律，汽相可作为理想气体。三个组分的蒸汽压分别用下列各式计算： KT mmHgP TP TP TP i S S S S = = = )04.58/(99.33661390.16ln )67.53/(52.30960137.16ln )36.52/(51.27889008.15ln 3 2 1 2、异丙醇（1）水（2）系统的无限稀释活度系数。，22. 378. 9 21 = 试用此对数值计 算 wilson 常数 12和 21，并计算 x1=0.1665（mole 分率）时的泡点温度和汽相组成 y1。 已知：异丙醇和水的蒸汽压可分别用下列各式计算： KT mmHgP TP TP i S S S = = )13.46/(44.38163036.18ln )54.53/(20.36406929.18ln 2 1 系统处于常压。 （提示：试差求 12和 21时，可取初值 12=0.1327） 3、组成为 60%(mol 分率)苯，25%甲苯和 15%对二甲苯的 100kmol 混合物，在 101.3kPa 和 100下是否能够进行闪蒸？如果能闪蒸，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。 假设该物系为理想溶液。各组分蒸汽压按下式计算（Ps单位 Pa， 温度单位为 K） ： 苯： ()36.5251.27887936.20ln 1 =TP S 甲苯： ()67.5352.30969065.20ln 2 =TP S 对二甲苯：()84.5765.3346981.20ln 3 =TP S （提示：汽化率初值 e1=(T-TB)/(TD-TB)，用牛顿切线法迭代计算，|G(e)|0.005 视为收敛） 4、用常规精馏分离下列烃类混合物： 组分 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4（烷烃） mol% 0.52 24.9 8.83 8.7 3.05 54.0 工艺规定塔顶馏出液中 C4浓度不大于 0.002，塔釜残液中 C3H8不大于 0.0015，试应用清晰 分割法估算塔顶和塔底产品的量和组成。 5、 在一精馏塔中分离苯(B)， 甲苯(T)， 二甲苯(X)和异丙苯(C)四元混合物。 进料量 200mol/h， 进料组成(mol 分率)：zB=0.2, zT=0.1, zX=0.4。塔顶采用全凝器，饱和液体回流。相对挥发度 数据为： BT =2.25， TT =1.0， XT =0.33， CT =0.21。规定异丙苯在釜液中的回收率为 99.8%，甲苯在馏出液中的回收率为 99.5%。求最少理论板数和全回流操作下的组分分配。 （提示：首先确定重关键组分，重新计算相对挥发度，再按 Fenske 进行组分分配计算） 。 6、某料液的组成如下： 组分 丙烯 丙烷 异丁烷 mole 分率 0.7811 0.2105 0.0084 于泡点时加入常规精馏塔进行分离。要求塔顶产品中丙烯的 mole 分率99.5%，塔底产品中 的丙烯 mole 分率5%。试计算： （1）分离所需的 Rm，并取 R=2Rm，计算所需的理论板数 N。 （2）如果塔顶精丙烯产品中精丙烯浓度达 99.7%，塔底组成保持不变，试计算此时能耗比 生产 99.5%产品时的增加多少？ 已知：12=1.12184，22=1.0，32=0.54176。 第二章第二章 特殊精馏特殊精馏 1、某合成橡胶厂欲用萃取精馏分离丁烯1（1）和丁二烯（2） ，以乙腈作为萃取剂，料液 量为 100Kmol/h，含丁烯1 为 0.7，丁二烯为 0.3（mole 分率） ，于露点加入塔中。塔内萃 取剂浓度基本保持为 xS=0.8。工艺要求塔釜液脱腈后丁二烯纯度达 99.5%；塔顶丁二烯浓度 小于 0.05%，乙腈含量小于 0.1%，试计算所需的理论板数和溶剂量。 已知：xS=0.8 时，12/s=1.67，1s=19.2，2s=11.5，取 R=1.5Rm 。 2、由乙酸乙酯和乙醇组成的二元系，在常压下汽相可以作为理想气体处理，液相的活度系 数可由范拉尔方程计算，范拉尔常数为 A12=0.8552，A21=0.7526。试判别 72.6oC 时此系统是 否是恒沸物？如存在其组成如何？ 已知：两组分的蒸汽压可以按下列方程计算： 乙酸乙酯： 乙醇： ln./ (.) ln./ (.) PTPmmHg PTTK ssi s 1 2 1615162790505715 1891193803984168 = = 3、某二元混合液用恒沸精馏方法进行分离，加入的挟带剂 S 和组分 A 形成最低恒沸物，从 塔顶蒸出，应用空气冷却器使它全部冷凝，部分作为回流，部分作为塔顶产品。设定空冷器 的空气进出口温度分别为 35和 45，要求空冷器的有效温差为 10。 （1）试估算塔的操作压力最小为多少？ （2）计算恒沸物的组成。 已知：组分 A 和挟带剂 S 的饱和蒸汽压分别由下式计算： ln./ (.) ln./ (.) PT PT PmmHg TK SA SS Si = = 1575272766635050 1665132940463593 两者活度系数按下列方程估算： ln.ln. AssA xx=1515 22 汽相可以作为理想气体处理。 第三章第三章 吸收吸收 1. 某厂脱乙烷塔顶气体组成如下： 组分 C2H6 C2H4 C2H2 总和 mol 分率 12.6 87.0 0.4 100 拟用丙酮作吸收剂除去其中乙炔，操作压力为 18 绝对压，操作温度为-20，此条件下各组 分的相对平衡常数 K 为： K C2H6 =3.25 K C2H4 =2.25 K C2H2 =0.3 乙炔的回收率为 0.9995。 求： （1）完成此任务所需的最小液气比。 （2）取操作液气比为最小液气比 1.83 倍所需的理论板数。 （3）各组分的回收率和出塔尾气组成。 （4）进料为 100kmol/小时，塔顶应加入吸收剂丙酮的用量。 2、气体混合物中的 SO2用水吸收，此时水溶液中发生如下电离过程： SO2 + H2O H+ + HSO3- 吸收温度 20oC，常压操作。试求：当气相中 SO2的 mol 分率为 0.04 时，SO2 在水中被吸收 的平衡总浓度 kgSO2/m3。 已知上述电离过程的平衡常数为 K HHSO SO kmol m= + 3 2 23 1710./，20oC 时 SO2的 溶解度常数HatmKmol m SO2 0613 3 = ./ (/)。 3、一级不可逆反应的化学吸收过程。已知 k1=10-4m/s，DL=1.510-9m2/s。试讨论： （1）反应速度常数 k1*高于什么值时，将在液膜中进行快速反应过程；k1*低于什么值时， 将在液流主体中发生慢反应？ （2）如果 k1*=0.1S-1，试问液相主体体积与液膜体积之比1大于多少，反应方能在液相主体 中完成？ （3）如果1=30，k1*=0.2S-1，试求增强因子多大。 4、 计算 25oC 时， 用浓度为 0.8kmol/m3的 NaOH 溶液吸收 CO2 的速率 NA。 已知 k1=210-4m/s， CO2的溶解度常数H PaKmol m CO2 3 106 3 = /(/)，气相中 CO2分压 pA=105Pa，扩散系数 DAL=DBL=1.510-9 m2/s，kg=310-2kmol/(m2.s.atm)，反应速率常数 k*2=8800m3/kmol.s。 （提示： 计算时可首先假设 CAi=pA/HA，再校正） 。 5、某易溶于水的气体 A 的亨利系数 HA=0.5atm/(mol 分率)，难溶于水的气体 B 的亨利系数 HB=50000atm/(mol 分率)。溶液的 mol 密度 CM=55.6Kmol/m3 。 （1）如果是物理吸收，分别计算这两种气体的气膜和液膜阻力之比。此时，k1=10-3cm/s， kg=1.6710-5mol/(cm2.s.atm)。 （2）试分析对于哪一种气体应用快速反应的化学吸收增强作用会更大些。 6、空气中含有有害杂质 A 需要除去，要求其含量由 0.1%减至 0.02%(mol)。试计算下列三 种逆流吸收的填料层高度： （1）纯水吸收，已知 kga=32kmol/(m3.h.atm) , kla=0.1(l/h) 。A 在纯水中的溶解度常数 HA=0.125atm/(kmol/m3) 气液两相流率分别为 L=63.5kmol/m2.h，V=9.1kmol/m2.h。液相的摩 尔密度 CM=56.1kmol/m3 。常压吸收。 （2）用 CB=0.8kmol/m3 即（0.8N）的强酸溶液进行吸收。已知 DAL=D