化工原理答案下册概要

1、(夏清、贾绍义主编 . 化工原理第二版(下册) . 天津大学 出版)社 ,. )第 1 章 蒸馏1. 已知含苯(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1-1 附表。t (C) 859095100105x解：利用拉乌尔定律计算气液平衡数据查例 1-1 附表可的得到不同温度下纯组分苯和甲苯的饱和蒸汽压P * ，P *，由于总压B A* * *P = 99kPa ，则由 x = (P-P B )/(P A -PB ) 可得出液相组成，这样就可以得到一组绘平 衡 t-x 图数据。以 t = °C为例 x =( 99-40

2、) / ()=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 x = 时，相应的温度为 92C2. 正戊烷(C5 H12)和正己烷(C6H14)的饱和蒸汽压数据列于本题附表，试求P =下该溶液的平衡数据。温度 C 5H12K C 6H14饱和蒸汽压 (kPa)解：根据附表数据得出相同温度下C5H12 ( A)和CeH14 ( B)的饱和蒸汽压*以t = C时为例，当 t = C时P B =*查得 PA=得到其他温度下 A?B 的饱和蒸汽压如下表t( C )248 251279289*PA* * PB*(kPa)利用拉乌尔定律计算平衡数据平衡液相组成以°

3、C时为例当 t=C时x =(P-P*B )/(P A () / (*-PB )= 1平衡气相组成以C为例当 t=C时y =*P A x/P=X1/ = 1同理得出其他温度下平衡气液相组成列表如下t( C )279289x 1 0 y 1 0 根据平衡数据绘出 t-x-y 曲线x-y 数据，并与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 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 a = Pa*/P b*计算出各温度下的相对挥发度 t( C)a-取C和279 C时的a值做平 a m=(+) /2 =均 按习题 2 的 x 数据计算平衡气相组成 y 的值

4、当 x = 时，y = X 1+ X =同理得到其他 y 值列表如下t( C)279289ax10y10 作出新的 t-x-y ' 曲线和原先的 t-x-y 曲线如图4. 在常压下将某原料液组成为 (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 y = +解：简单蒸馏由 ln( W/F)=/ xFdx/(y-x)以及气液平衡关系 y = +x得 ln(W/F)= / xFdx/ =汽化率 1-q = 1/3贝U q = 2/3 即 W/F = 2/3I n(2= 解得x =代入

5、平衡关系式 y = + 得y =平衡蒸馏由物料衡算 Fx f = Wx + DyD+W=F将 W/F=2/3 代入得到xf = 2x/3 + y/3代入平衡关系式得x =再次代入平衡关系式得y =5. 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（二硫化碳的质量分率，下同）。若要求釜液组成xw不大于，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 =Dx d/Fx f = 88 %得 馏出液的质量流量Dx d = Fx f 88 % = 4000 XX = 1056kg/h结合物料衡算 Fx f

6、 = Wx w + Dx dD + W = F 得 xd =馏出液的摩尔流量1056/（76 X = h以摩尔分率表示馏出液组成 x d = 76）/76）+154）6. 在常压操作的连续精馏塔中分离喊甲醇与说.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40 C；（ 2）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1中甲醇的C摩尔分率摩尔分率C摩尔分彷率摩尔分率100LJ1解：(1 )进料温度40 CC时，甲醇的汽化潜热r i = 825kJ/kg水蒸汽的汽化潜热 r 2 =

7、 kgC时，甲醇的比热Cvi = (kgC )水蒸汽的比热C V2 = (kg)查附表给出数据 当XA =时，平衡温度 t = C40 C进料为冷液体进料即将 imol 进料变成饱和蒸汽所需热量包括两部分一部分是将40 C冷液体变成饱和液体的热量 Qi，二是将C饱和液体变成气体所需要 的汽化潜热 Q ，即 q =(Q+Q)/ Q = i + (Q/Q )2i 22i 2Q i = x 32 xx() = kgQ 2 = 825 xx 32 + xx 18 = kJ/kgq = i + (Qi/Q2)=( 2)泡点进料 泡点进料即为饱和液体进料 q = i( 3)饱和蒸汽进料 q = 07. 对

8、习题 6 中的溶液，若原料液流量为 i00kmol/h ，馏出液组成为， 釜液组成为(以上均 为易挥发组分的摩尔分率) ，回流比为，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 FX = WX + DXF W D D+W=F代入数据得W = kmol/h 产品流量 D=100- = kmol/h精馏段的下降液体流量 LL = DR = x = kmol/h提馏段的上升蒸汽流量V'40 °C进料q =V = V '+ （1-q ）F = D （1+R）= kmol/h二 V ' = kmol

9、/h8. 某连续精馏操作中，已知精馏段 y = +;提馏段y =-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 q = 0即 精馏段y二+ 过（XD ，xd）. xd =提馏段 y =- 过（xw , xw） xw =精馏段与 y 轴交于 0 ，xD/ （R+1）即 x D/ （ R+1）=二 R =连立精馏段与提馏段操作线得到交点坐标为（，）X F =9. 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（摩 尔分率，下同）。塔顶馏出液组成为，塔底釜残液组成为，回流比为，试求理论板层数 和加料板位置。苯 - 甲苯平衡数据见例

10、 1-1 。解：常压下苯-甲苯相对挥发度a =精馏段操作线方程 y = Rx/ （R+1）= 2x/3 + 3= 2x/3 +精馏段 y 1 = x D = 由平衡关系式 y = a x/1 +（ a -1）x 得x1 =再由精馏段操作线方程 y = 2x/3 + 得y2 =依次得到 x2 = y 3 =x3 =yX4 =/ X4 V X F = < X 3精馏段需要板层数为 3 块 ''（L' -W） - Wx W/ （L' -W）饱和液体进料 q = 1L ' / （L' -W）= （L+F）/V = 1 + W/ （3D）由物料平衡

11、Fx F = Wx W + Dx DD+W=F代入数据可得 D = WL '/ （L' -W） = 4/3W/（L' -W）= W/（L+D）= W/3D = 1/3即提馏段操作线方程y ' = 4x ' /3- 3y 2 =由平衡关系式y = a x/1 +（ a -1）x得X 2 =依次可以得到 y' 3 = x ' 3y ' 4=x' 4=y ' 5=x' 5=IIx 5 < x W = < x 4提馏段段需要板层数为4块块(包括再沸器)二理论板层数为 n = 3 + 4 + 1 = 8加

12、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 C,试求所需理论板层数。已知回流液的泡殿温度为83 C,平均汽化热为X104kJ/kmol ,平均比热为 140 kJ/(kmol °C )解：回流温度改为20 C,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 ' / ( L' -W)和W/ ( L' -W)发生了变化q =(Q1+Q2) / Q 2 = 1 +( Q1/Q2)Q1= Cp T = 140 X( 8

13、3-20 ) = 8820 kJ/kmol24Q= X 10 kJ/kmol q = 1 + 8820/X 104)=L' / ( L' -W) =V + W - F(1-q)/V - F(1-q)=3D+W- F(1-q)/3D- F(1-q)v D=W, F=2D 得L' / ( L' -W) = (1+q)/+q)=IW/(L -W) = D/3D- F(1-q)= 1/(1+2q) =x1 = x 4 = 代入操作线方程得IIx2 = 依次计算 y3=y 2 = 再由平衡关系式得到x3 ' =y4 ' =x4 ' =y5 '

14、; =x5 ' =II/ X 5 < x W = < x 4提馏段板层数为 4理论板层数为 3 + 4 + 1 = 8 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(摩尔分率，下同)，馏出液组成不低于，釜液组成为；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。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 1-7 。解：如图所示，有两股出料，故全塔可以分为三段，由例1-7 附表，在 x-y 直角坐标图上绘出平衡线，从xD = 开始，在精馏段操作线

15、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 C(xW ，xW) 。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 A?B组成的理想混合液。原料液中含 A ,馏出液中含A (以上均为摩尔分率)。已知溶液的平均相对挥发度为， 最回流比为，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(Xq ，yq)位于平衡线上；且 q线过(xf ，xf)可以计算出q线斜率即q/(1-q)，这样就可以得到q的值由式 1-47

16、R = (X /X )- a (1-X)/(1-X)/ (a -1 )代入数据得minDqDq=X q) X /(1-X q)/() xq = 或 xq = (舍去)即 X q = 根据平衡关系式 y =(1 + )得到 yqq 线 y = qX/ ( q-1 )- X F/(q-1 )过(，)，(，)q/ ( q-1 ) = () / ()得 q = 0 < q < 1 原料液为气液混合物13. 在连续精馏塔中分离某种组成为 (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，全凝器提供组成为的合格产品

17、。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，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 y =a x/1 +( a -1)x 代入已知数据a /1 + ( a -1).a第一块板的气相组成 y 1 = ( 1 +在塔顶做物料衡算V=L+DVyX( 1X)1 = Lx L + Dx DL+D) = + L/D=即回流比为 R =由式 1-47 R = (x /xminD q)-a (1-X )/(1-XD)/ (a -1 )泡点进料 x = xq q FRmin( 2)回收率 DxD

18、/Fx F = 96 得到 F= 100 X(X) = kmol/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 ，和，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：y解：假设测得相邻三层板分别为第 n-1 层，第 n 层，第 n+1 层 即 x n-1 = x n = x n+ 1 =根据回流条件 y n+1 = x n y n = y n+1 = y n+2=由表中所给数据 a =与第 n 层板液相平衡的气相组成 y n* = X( 1+X) =*与第 n+1 层板液相平衡的气相组成 y

19、 n+1= X( 1+X) =由式 1-51 E MV =( yn-y n+1 )/( yn *-y n+1 )*可得第 n 层板气相单板效率 E MVn =( xn-1 -x n ) / ( yn -x n)= () /()第 n 层板气相单板效率 E MVn+1 = (xn-x n+1) / ( yn+1 -x n+1)= ()/ ()= 64 第 2章吸收1.从手册中查得，25 C时，若100g水中含氨1g,则此溶液上方的氨气平衡分压为。已知在此浓度范围内溶液服从亨利定律，试求溶解度系数H kmol/(m 3 kPa)及相平衡常数 m解：液相摩尔分数 x = (1/17 )/ (1/17

20、 )+( 100/18 ) =气相摩尔分数 y = =由亨利定律 y = mx 得 m = y/x = =-3333液相体积摩尔分数 C =(1/17 ) / (101 X 10 /10 ) = X 10 mol/m由亨利定律 P = C/H 得 H = C/P = = kmol/(m 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 C,总压强 为。从手册中查得30 C时CO2在水中的亨利系数E = X 105 kPa，试求溶解度系数H kmol/(m 3 kPa)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 y = ，m = E

21、/P 总 = X105/ = X103根据亨利定律 y = mx 得 x = y/m =X103 =即每 100g 与该气体相平衡的水中溶有 CO X 44X100/18 = g2H = p /18E = 10 3/ (10 xx 105) = X 10-4 kmol/(m 3 kPa) 7. 在，27C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， kPa)C时，氧气在水中的溶解度可用P = X 10数Kg，并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。解：由 1/K G = 1/k G + 1/Hk L 可得总吸收系数x表示。式中：P为氧在气相中的分压kPa ； x为氧在液相中的

22、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P= X21%=6氧在水中摩尔分率X =(X310 )= X10-6每立方米溶有氧X10 X32/(18X10 )1/Kg = 1/ X 10-5 + 1/ (XX 10-5 )Kg = X 10-5 kmol/(m 2 s kPa)气膜阻力所占百分数为：(1/ k G)/ (1/k G + 1/Hk L)= HkL/ ( HkL+ k G)= (X) /(X + )27 C,压强。稳定操作状况下塔3m。试根据上题有关的数据算出8. 在吸收塔内用水吸收混于空气中的甲醇，操作温度为 内某截面上的气相甲醇分

23、压为 5kPa ，液相中甲醇浓度位 该截面上的吸收速率。-52解：由已知可得 k g = X 10 kmol/(m s kPa) *P*=C/H= =Na = K g(P-P *)= X 10-5 ()= X 10-5 kmol/(m 2 s)=kmol/(m2 h)9. 在逆流操作的吸收塔中，于，25C下用清水吸收混合气中的CO2，将其浓度从2%降 至 (体积)。该系统符合亨利定律。亨利系数E= X 104kPa。若吸收剂为最小理论用量的倍，试计算操作液气比 L/V 及出口组成 X。解： 丫1 = 2/98 =, 丫2=m = E/P 总 = X104/ = X104*由 (L/V ) mi

24、n=( 丫1-丫2 ) /X 1 =(丫1-丫2 ) / (丫1佃)=() / ( 545 )L/V =( L/V )min = 622由操作线方程 丫 =(L/V)X + 丫 2- (L/V)X2 得 出口液相组成1 1 2 -5X = (丫-丫 )/ (L/V)=() /622 = X10 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m =E/P总' = X104/10133 = X10-5( L/V ) =( L/V ) min ='-4X 1= (丫1-丫2 )/ (L/V)= ()/ =X 1010. 根据附图所列双塔吸收的五种流程布置方案，

25、 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. 在下用水吸收混于空气中的中的氨。已知氨的摩尔分率为， 混合气体于40C下进入塔底，体积流量为s，空塔气速为s。吸收剂用量为最小用量的倍，氨的吸收率为 95 %，且已估 算出塔内气相体积吸收总系数 Kva的平均值为(m 3 s).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/ C氨溶液浓度气相氨平衡浓度Xkmol(氨)/kmol(水)丫

26、* kmol()/kmol()20 0 02629344247解：混合气流量 G = n D2u/41/2 1/2二 D = (4G/ n u) =(4 X / X = my2 = y i (1- n) = X =丫2= =根据附表中的数据绘成不同温度下的X-Y*曲线查得与Yi=相平衡的液相组成X1*=*( L/V ) min= ( Y1- Y 1) / X 1 = () /=( L/V ) = (L/V) min=由操作线方程 Y = (L/V)X + Y 2 可得 X 1 = (V/L)(Y 1-Y2 )由曲线可查得与 X1 相平衡的气相组成 Y1* =Ym=( Y1- Y2 )/ln(

27、Y1- Y2)= ( )/ln () /N = (Y-Y ) / Y= () /OG 12 m惰性气体流量G' = x = x= s=(xx 103) / (x 313)= mol/sHog= V/(K Ya Q ) = x 10-3 )/ nX 4)=x10-3 m填料层高度 H = NOG x HOG= xx10-3312. 在吸收塔中用请水吸收混合气体中的 SO2，气体流量为5000m (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 Y* = ，试求：(1) 若取用水量为最小用量的倍，用水

28、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：(1) y2 = y 1 ( 1- n) = x()=Y= Y=()=1 2*(L/V )min=(Y1-Y 2)/X 1 =(Y1-Y2)/ (Y1/ )= ()x(L/V )=(L/V ) min=惰性气体流量： V = 5000 x =用水量 L = X = 7684kmol/h( 2)吸收操作线方程 Y = (L/V ) X + Y 2 代入已知数据Y = +在坐标纸中画出操作线和平横线，得到理论板数NT= 块14 在一逆流吸收

29、塔中用三乙醇胺水溶液吸收混于气态烃中的H2 S，进塔气相中含H2 S (体积)要求吸收率不低于 99%，操作温度300 K,压强，平衡关系为 Y* = 2X，进塔液体 为新鲜溶剂，出塔液体中 H2S 浓度为 (H2S)/kmol( 溶剂 )已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为(m2 s)，气相体积吸收总系数为kmol/(m 3 s kPa)。求所需填料蹭高度。解：y2 = y 1 (1- n) = x =Y2 = y 2 = Y 1 =() =* *Ym = (Y1-Y1 )-Y2/ln(Y1-Y 1 )/Y2= () /ln() /.N OG=(Y1-Y2)/Ym =()/ =H =

30、V/(K a Q ) =(X)OGYH= NOGXHOG= X=第3章 干燥1. 已知湿空气的总压强为50kPa，温度为60 C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 C时水的饱和蒸汽压 Ps =水气分压P水气=P S巾=X =(2) H = P 水气 /(P-P 水气) = X()= kg/kg绝干(3) 1kg 绝干气中含水气x绝干 = (1/29)/(1/29)+18) =x水气 = 18)/(1/29)+18) =湿空气分子量 M0 = 18x 水气 + 29x 绝干气 = 18 X + 29 X= g/mol湿空气密度

31、p = MP/RT = (X 10-3 X 50 X 103) / (X 333)= kg/m3 湿空气中各数值的求解过2. 利用湿空气的 H-I 图查出本题附表中空格内的数值，并给出序号1)1m3 原湿空气在预热器过程中焓的变化；2)1m3 原湿空气在干燥器中获得的水分量。cc kg/kg绝干 kg/kg绝干kPa16035221405302402740903253201875502154302885954253. 干球温度为20 C,湿度为kg/kg绝干的湿空气通过预热器加热到50 c，再送往常压干燥干球温度湿球温度焓序号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

32、程，试求：器中，水气分压 露点湿 度 相对湿度解：绝干通过预热器后空气的焓 I 1 = + xx50 + 2490= kJ/kg绝干焓变化 H = I 1 - I 0 = kJ/kg绝干空气的密度 p = MP/RT =( 29 x 10-3xx 103 )/ (x 293 )1)原湿空气的焓： I 0 = + t + 2490 H 0xx 20 + 2490 x= 43 kJ/kg= kg/m 3 1m3原湿空气焓的变化为H = x = kJ/kg湿气假设从干燥器中出来的空气湿度t = c,查得此时水蒸汽的饱和蒸汽压PS = kPa H 2 = 0 P S /( P-巾Ps )= xx kJ

33、/kg绝干+ ) t 2 + 2490 H 2 试差假设成立H2 = kJ/kg 绝干获得水分量：H=H2-H0 = = kJ/kg绝干X = kJ/kg湿气4.将 t 0 = 25 °C,巾 0：=50 %的常压新鲜空气，与干燥器排出的t 2 = 50 C,巾2= 80%的常压废气混合，两者中绝干气的质量比为1：3。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 C时和50 C时水的饱和蒸汽压分别为kPa和新鲜空气湿度 Ho =$ 0 P S /( P-巾oPs)=XX()= kg水/kg绝干废气湿度 H 2 =$ 2 P S /( P-巾 2PS )XX()= kg

34、水 /3kg 绝干混合气湿度 Hm =(+X3)/ (1+3)= kg水/kg绝干混合气温度 tm = ( 25+50 X 3)/ (1+3) = C混合气焓：I m = ( +)t m + 2490 H(+ x)x + 2490 X= kJ/kg2)做图发略绝干5.干球温度t o = 26 C,湿球温度t w o = 23 C的新鲜空气，预热到t i = 95 C后送入连续逆流 干燥器内，离开干燥器时温度为t 2= 85 C。湿物料初始状况为：温度 e 1= 25 C,含水量3 1=终了时状态为：温度e 2 = C ,3 2 = %。每小时有 9200kg湿物料加入干燥器内。绝 干物料的比热

35、容 Cs = kJ/(kg 绝干C )。干燥器内无输送装置，热损失为580kJ/kg汽化的水分。试求：(1) 单位时间内回的的产品质量；(2) 写出干燥过程的操作线方程；(3) 在 H-I 图上画出操作线；(4) 单位时间内消耗的新鲜空气质量。解：(1) G = Gi (1- 3 i) = 9200 X()= 9062kg/h干燥产品质量 G2 = G/ (1- 3 2)= 9080 kg/h( 2 ) X1 = 3 1/( 1- 3 1 ) =X =3/(1- 3 )=2 2 2当干球温度t 0 = 26 C,湿球温度为23C时由图5-3查的空气的湿度H = kg 水/kg绝干0I 1 = + t1+2490H