宁波工程学院化工原理计算题

10第五单元精馏5-1．假设苯－甲苯混和液在45℃时沸腾，总压为20.3kpa。在45℃时,纯苯的饱和蒸气压，纯甲苯的饱和蒸气压.求其气液相的平衡组成及相对挥发度。〔1〕平衡时苯的液相组成x、气相组成y苯 苯而因苯—甲苯可当作抱负溶液,故相对挥发度为：此题要求把握泡、露点方程及其应用。5—3．在一两组分连续精馏塔中，进入精馏段中某层理论板n的气相组成y为0。75，从n＋1该板流出的液相组成x为0。65(均为摩尔分数)，塔内气液比V/L=2，物系的相对挥发度为n2。5,求：1)回流比R；2)流入该板的液相组成x；3)从该板上升的蒸气组成yn－1 n解：1〕求R由(1〕可解出：2R＝R＋1，R＝1〔2〕求xn－1①由精馏段操作线方程，得x＝0.85〔2D②因，代入量得，解出3〕求yn可用气液平衡方程由、xyn n此题要求娴熟运用操作线方程和平衡方程解决精馏过程有关计算问题。5—4．在泡点进料下，某两组分连续精馏塔的操作线方程为：精馏段：提馏段：求：1)回流比；2〕馏出液；3)釜残液的组成；4〕原料液的组成。解：1〕求回流比R由精馏段操作线方程可知：∴R＝2.612)馏出液组成xD∵∴1〕由于提馏段操作线与对角线交点的横坐标，故联立两线方程：得:＝0。0754〕求原料液组成xF当泡点进料q＝1，此时两操作线交点的横坐标即xF得:55．在连续精馏塔中分别两组分抱负溶液。原料液组成为。〔摩尔分数，下同0。90.02。泡点进料。求:得:1kmol/h馏出液时的原料液用量F；假设回流比为1。5，它相当于最小回流比的多少倍？假设原料液加到加料板上后，该板的液相组成仍为0。6,则上升到加料板上的气相组成。3〕解：1〕D＝1kmol/h时F由全塔物料衡算：代入量可解得：W＝0。52kmol/h，F＝1.52kmol/h。R/R,min①泡点进料q＝1,则x＝x＝0。6q F②由气液平衡方程:R，min④求R/R〔倍〕min求上升到加料板上的气相组成因加料板是提馏段第一层板，故所求量为y’2①kmol/h泡点进料q＝1，F＝1.52kmol/h,W＝0。52kmol/h，x＝0。02，x＝0。6W F①提馏段操作线方程为：,代入量：,③5-6．在常压连续提馏塔中，分别两组分抱负溶液,该物系平均相对挥发度为2.0.原料液流挥发组分摩尔分率〕,试求;操作线方程；由塔内最下一层理论板下流的液相组成x。N解：此题为提馏塔，即原料由塔顶参与，一般无回流，因此该塔仅有提馏段.再沸器相当一层理论板。操作线方程此为提馏段操作线方程,即其中 L′=L+qF=0+0。8×100=80kmol/hV=D=60kmol/hV′=V+〔q－1)F=60+〔0。8－1〕×100=40kmol/hW=F－D=100－60=40kmol/h故塔内最下一层理论板下降的液相组成x′N因再沸器相当一层理论板,故xy呈提馏段操作线关系，即N W解得 x′=0。0149N说明度要求不高，不用精馏段已可到达要求,不需回流.从稀氨水中回收氨即是回收塔的一个例子。5—7．在常压连续精馏塔中分别两组分抱负溶液.该物系的平均相对挥发度为2。50.3540％，且精馏段操作线方程为y=0.75x+0.20,试求:1)提馏段操作线方程：2〕假设塔顶第一板下降的液相组成为0.7，求该板的气相默夫里效率E。mv1解：先由精馏段操作线方程求得R和xF，通过全塔物料衡算DD、Wx,而后即可求出提馏段操作线方程。wEmv1

可由默夫里效率定义式求得。提馏段操作线方程由精馏段操作线方程知解得 R=3.0解得 x=0。8D设原料液流量F=100kmol/h则 D=0.4×100=40kmol/hW=60kmol/hq=0，故提馏段操作线方程为板效率Emv1由默夫里板效率定义知：其中 y=x=0。81 Dy=0。75×0.7+0。2=0.7252故第六单元 吸收6-1。101.325kPa20℃时，1000kg15kgNH3NH2。266kPa。试求此时之溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。3解:首先将此气液相组成换算为yx.NH17kg/kmol15kgNH3

1000kgE=P·m=101。325×1.436=145.5kPakPa溶剂水的密度ρ=1000kg/m3,摩尔质量M=18kg/kmols skmol/(m3·kPa)或:kmol/m3kmol/(m3·kPa〕此题要求把握亨利定律及亨利系数(E、H、m〕之间的相互关系。6-2．25℃E为大气压,溶质A压为0.54大气压的混合气体分别与三种溶液接触A浓度为的水溶液;②溶质A浓度A1)A向。23atm，再计算③的传质方向。解:1〕E=0.15×104atm,p=0。054atm,P=1atm，y=p/P=0。054①∴∴∴平衡②∴∴∴气相转移至液相③∴∴∴液相转移至气相2〕P=3atm y=0.054 E=0.15×104atm∴m=E/P=0。05×104x=x5。4×10-54 3∴∴∴气相转移至液相说明：利用吸取相平衡关系可推断传质过程进展的方向；计算传质过程的推动力和吸取过程可到达的极限。低温高压有利于吸取。6—3。在常压逆流吸取塔中,用纯吸取剂吸取混合气中的溶质组分.进塔气体中溶质组分为4.%体积),吸取率为9;出塔液相组成为002Y*=。5X。求：塔顶气相传质推动力；塔底气传质推动力；全塔平均推动力。解：1〕y1=0。045=4。5%出塔气相组成Y2=Y1〔1—φA〕=0。047×〔1—0.90〕=0。0047进塔液相组成x2=0。m=1.5塔顶气相推动力：ΔY2=Y2-Y2＊=Y2—mX2=0.047—0=0。0047出塔液相组成：塔底气相推动力:ΔY1=Y1—Y1*=Y1—mX1=0.047—1。5×0。0204=0。0164全塔气相平均推动力ΔYm：此题要求把握吸取过程传质推动力的计算。6—4．某传质过程的总压为300,吸取过程传质系数分别为律，亨利系数E为，试求：1)吸取过程传质总系数和；2〕液相中的传质阻力为气相的多少倍。解：1)E=10.67×103kPa，P=300kPa，∴Ky=0.3919∴K=13。94x2)此题目要求把握吸取传质系数的计算及相互关系.6—5．在常压逆流操作的填料吸取,用清水吸取空气-氨混合气体中的氨.混合气的质量流速操作条件下平衡关系为Y*=0.9X4m。求：气相总传质单元数N;OG气相总传质单元高度HOG。解：清水吸取x=02Y=Y〔1—φ〕=0。0638×(1—0.99〕=0.0006382 1 A混合气的平均摩尔质量：Mm=My+My=29×(1-0。06)+17×0。06=28.28Kg/KmolAA BB惰气的摩尔流速清水的摩尔流速为：m此题是吸取过程的根本计算,要求能娴熟把握传质单元数和传质单元高度的计算。6—6．在一逆流操作的填料塔中，用循环溶剂吸取气体混合物中溶质。气体入塔组成为0。025，液气比为6，操作条件下气液平衡关系为=1.假设循环溶剂组成为0.001，则出塔气体组成为0。0025,现因脱吸不良，循环溶剂组成变为0。01,试求此时出塔气体组成。解HOG

NOG

也一样.由原工况下求得NOG

后，即可求算出工况下出塔气体组成.原工况〔即脱吸塔正常操作)下:吸取液出口组成由物料衡算求得：吸取过程平均推动力和N为：OGΔY=Y－mX=0。025－1.2×0。0151=0。006881 1 1ΔY=Y－mX=0.0025－1。2×0。001=0.00132 2 2工况〔即脱吸塔不正常〕下;设此时出塔气相组成为YXX′，则吸取塔物2 1 2料衡算可得:〔a〕N由下式求得OG即0。025－1.2X′=5。366〔Y′－0.012〕1 2联立式〔a〕和式〔b)，解得：Y′=0.01272X′=0.01771吸取平均推动力为：说明:计算结果说明，当吸取－脱吸联合操作时,脱吸操作不正常，使吸取剂初始浓度上升，导致吸取塔平均推动力下降，分别效果变差，出塔气体浓度上升。6-7．在一填料层高度为5m的填料塔内,用纯溶剂吸取混合气中溶质组分。当液气比为1.0时，溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为Y=0.5X.现改用另一种性能较好的填料，在一样的操作条件下，溶质回收率可提高到95%，试问此填料的体积吸取总系数为原填料的多少倍？解:此题为操作型计算,N宜用脱吸因数法求算.OG原工况下:其中X=0则：2故气相总传质单元高度为:工况〔即型填料)下:则即型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。说明：对确定高度的填料塔，在其它条件不变下，承受型填料，即可提高Ka，减小Y传质阻力,从而提高分别效果。6—8．在填料高度为4m下数据:尾气入塔组成为0.02，吸取液排出的浓度为 0。008〔以上均为摩尔分率)，吸取率为0.8,并此吸取过程为气膜把握,气液平衡关系为y＊=1。5x。求:该塔的H和N；OG OG操作液气比为最小液气比的倍数；3)假设法定的气体排放浓度必需 0.002可实行哪些可行的措施?并任选其中之一进展计算。解：1〕可当作低浓气体吸取,2〕可实行的措施：a.增加填料层高度不变〔V不变，气膜把握不变〕不变b.增大用水量V不变，气膜把握,所以不变，不变又不变,所以也不变即试差或由图,查得c。其它操作条件不变,降低操作温度，m变小,，而塔高、气相总传质单元高度、气相总传质单元数不变，依据的关系图可知yb不变，故气体出口浓度ya降低。d。其它操作条件不变，增大操作压力，由，m气相总传质单元数不变,依据 的关系图可知,，y1不变,故气体出口浓度y2降低。e.其它条件不变,选用对溶质溶解度大的吸取剂，即m小。与c、d分析一样,得到y降2低。f.其它条件不变，改用另一种吸取性能较好的填料，提高吸取总传质系数及单位体积填料的有效传质面积增大,即，气相总传质单元高度变小，塔高不变，气相总传质单元数变大，又因S，y不变，故气体出口浓度yb 2说明：工业上提高吸取率，降低出口气体浓度的具体措施可以从吸取过程的设计方面入手，收剂，还可降低吸取剂入口浓度。7-115％〔质量〕30kg60kg25℃下作单级萃取，试求：萃取相、萃余相的量及组成；平衡两相中醋酸的安排系数，溶剂的选择性系数。125℃下,水〔B〕-醋酸(A〕-乙醚〔S)系统的平衡数据〔均以质量％表示〕水水醋酸层乙醚水乙醚醋酸层乙醚93.206。72。3097.788.05。16。93。63.892.684.08.87。25.07.387。778。213。88。07.212.580.372.118。49。510.418。171。565。023。111。915.123。661.355。727。916。423.628。747。7解:1〕①作溶解平衡曲线，并作几条连结线F点，连结FS,测量其长度③求作MF+S=M,/=S/F=60/30=2M三等分FS，且靠近SME和萃余相R⑤量出线段RE、MER/E=/ R=M×/RE=26。4kg E=M—R=63。6kg⑥从图上读出：萃取相E y=0。048 y=0.040 y=0。912A B s萃余相R x=0.063 x=0.860 x=0。077A B S2〕k=y/x=0.048/0.063=0.762A A Aβ=〔y/x/〔y/x〔0.048/0。063)/(0.040/0。860〕=16。381A A B B7—2。100kg25℃下用纯乙醚为溶剂作单级萃取，原料液含醋酸χ=0.20，欲使萃余相中中醋酸χ=0。1〔均为质量分率。试求：A萃余相及萃取相的量和组成;溶剂用量S。25℃下物系的平衡关系为УA

=1。356χ1.201AУ=1.61—。639。96ASχ=0.067+1。43χ2.273S A式中УχA A——萃取相中溶剂的浓度;SχS，У,χ均为质量分数。A S S解：a。χ=0。1 У=1.356χ1.201=0。085A A AУ=1.61—0.6391。96A=0.86χ=0.067+4χ2.27=0.075S S Ab.作溶解度平衡曲线，找出萃余相萃取相的组成点R、E。c.连结REFS交于点M，测量ME，MR，MS，MFd。解方程组①R/E=/②R+E=F+S③F/S=/代入即①R=0。6266E ②R+E=100+S ③100/S=0.7930解得R=87kg E=139kg S=126kge.故萃余相的量是R=87kg，其组成为χ=0.1,χ=0.825,χ=0.075A B S萃取相的量是E=139kg,其组成为У0。085，У=0.053，У==0.0862溶剂用量S=126kg。

A B S7-3．在25℃下以水(S〕为萃取剂从醋酸〔A〕与氯仿〔B〕的混合液中提取醋酸。原料液流量为1000kg/h35%，其余为氯仿。用水量为800kg/h.操作温度下，E相和R试求：1〕经单级萃取后ER假设将E相和R操作条件下的选择性系数β；4假设组分BS要求原料液中溶质A80％进入萃取相,则每公斤稀释剂BS？解：依据题给数据，在等腰直角三角形坐标图中作出溶解度曲线和关心曲线,如附表2所示。2氯仿层〔R相〕 水 层〔E相〕醋 酸 水 醋 酸 水0．000．990．0099．166．771．3825．1073．6917．722．2844．1248．5825．724．1550．1834．7127．655．2050．5631．1132．087．9349．4125．3934．1610．0347．8723．2842．516．542．5016．50两相的组成和流量依据醋酸在原料液中的质量百分率为35％,在ABF点，联结点F、S,按F、S的流量用杠杆定律在FS线上确定和点M。由于ER相的组成均未给出，需借关心曲线用试差作图法确定通过M点的联结线ER。由图读得两相的组成为Ey=27％,y=1。5%,y=71.5％A B SR相x=7。2％，x=91.4%，x=1.4%A B S依总物料衡算得M=F+S=1000+800=1800kg/h由图量得=45.5mm=73.5mmR=M－E=1800－1114=686kg/h萃取液、萃余液的组成和流量连接点S、E，并延长SEAB边交于E′，由图读y′=92%.E连接点S、R，并延长SRAB边交于R′，由图读得x′=7.3％。R8-368-37萃取液的流量E8-233〕选择性系数β8—27由于该物系的氯仿B、水S4〕B需要的S量由于组分B、S8—34便。有关参数计算如下：Y=0SY

与X呈平衡关系，即 Y=3。4X=3。4×0.1077=0.36621 1 1 1S/B=(X－X〕/Y=〔0.5385－0。1077〕/0。3662=1。176F 1 1即每公斤稀释剂B1.176kg萃取剂S。需要指出，在生产中因溶剂循环使用，其中会含有少量的组分A与B。同样，萃取液和萃余液中也会含少量S.这种状况下，图解计算的原则和方法照旧适用，仅在三角形相图中S、E′及R′的位置均在三角形坐标图的均相区内。7-4.以二异丙醚在逆流萃取器中使醋酸水溶液的醋酸含量由3％降到5〔重量％可以认为是纯态,其流量为原料液的两倍，应用三角形图解法求出所需的理论级数。操作温20℃，此温度下的平衡数据如表33醋酸〔A〕—水〔B)-二异丙醚〔S〕20℃下的平衡数据〔质量％〕序号水相异 丙醚相％A％B％S％A %B％S10。6998.11.20.18 0。599。321。497。11.50.37 0.798.932.795.71.60。79 0。898。446。491。71.91.9 1。097.1513。3084.42.34。8 1。993。3625.5071.13.411。40 3。984.7737.0058。64。421.60 6.971。5844。3045.110。631。10 10。858。1946。4037.116.536.20 15。148。7解:①x0。30F点，连结FS，测其长度f②求作M/=S/F=2，故M三等分FS，且靠近S③按末级x=005RRMN N N得离开第一级的萃取相浓度点E1④连结FE并延长，连结RS并延长，交于点D1 NE点作平衡连结线，得R1 1⑥连结RD，与溶解度曲线交于点E，过E作平衡连结线RE1 2 2 22⑦依据⑥连续作图直至R时，萃余相的溶质浓度x0。057 777-5．25℃时丙酮〔A〕—水(B〕-三氯乙烷〔S)系统以质量百分率表示的溶解度和联结线数45三氯乙烷水丙酮三氯乙烷三氯乙烷水丙酮三氯乙烷水丙酮99．890．11038．3199．890．11038．316．8454．8594．730．265．0131．679．7858．5590．110．369．5324．0415．3760．5979．580．7619．6615．8926．2858．3370．361．4328．219．6335．3854．9964．171．8733．964．3548．4747．1860．062．1137．832．1855．9741．8554．882．9842．141．0271．8027．1848．784．0147．210．4499．5605水相中丙酮x 5．9610．014．019．121．027．035．0氯乙烷相中丙酮y 8．75 15．0 21．0 27．7 32 40．5 48．0三A用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮.原料液的处理量为500kg/h，其中丙酮的质量百分率为40%,第一级溶剂用量与原料液流量之比为0.5，各级溶剂用量相等。试求丙酮的回收率。解：丙酮的回收率可由下式计算,即关键是求算R3

x。3由题给数据在等腰直角三角形相图中作出溶解度曲线和关心曲线。第一级参与的溶剂量，即每级参与的溶剂量为S=0。5F=0。5×500=250kg/h依据第一级的总物料衡算得M=F+S1=500+250=750kg/h由F和S的量用杠杆定律确定第一级混合液组成点MM点的联结线ER。依据杠杆定律得

1 1 11250kg/h的溶剂对第一级的R相进展萃取。重复上述步骤计算其次级的有关参数，1即M=R+S=369.4+250=619.4kg/h2 1kg/h同理，第三级的有关参数为M=321+250=571kg/h3kg/h由图读得x=3。5％.于是,丙酮的回收率为3第八单元 枯燥8-1．湿空气的总压p=101.3kPa，相对湿度=0.6，干球温度t=30℃.试求：t1〕H;2〕t将上述状况的空气在预热器中加热至100℃d所需的热量。空气质量流量为100kg(以绝干空气计〕/h；5〕送入预热器的湿空气体积流量，m3/h。解：p=101.3kPa,=0.6，t=30℃.t30℃时的蒸气压p=4。25kPas湿度H:kg/kg按定义,露点是空气在湿度不变的条件下冷却到饱和时的温度，现kPa由水蒸气表查得其对应的温度t=21。4℃.d求绝热饱和温度t：as(a)t=30℃并已算出H=0016kg/kgc=101+188H=101+1.88×0016=1.04kJ/kg，Hr、Ht的函数，皆为未知，可用试差法求解。as as ast=25℃,p=3.17kPa，H=0.622kg/kg,as as asr=2434kJ/kg,代入式〔a〕t=30—〔2434/1。04)〔0。02—0。016〕=20.6℃＜25℃。as as可见所设的tHt=23.7p=2.94kPa，H=0.622as as as as as

=30—〔2438/1.04〕as as〔0.0186-0。016〕=23.9℃.两者根本相符,可认为t=23.7℃。as预热器中参与的热量=10×〔。01+1.8×。016100-3〕=7280kJ/h或2。02kW5〕送入预热器的湿空气体积流量m3/h此题要求把握湿空气性质参数及其计算。8-2800kg/h304％〔均为湿基。枯燥介质为空气，初温15℃，相对湿度为50％,经预热器加热至120℃进入枯燥4580％。试求:1)水分蒸发量W;空气消耗量L、单位空气消耗量;如鼓风机装在进口处，求鼓风机之风量V。解：1〕水分蒸发量WG=800kg/h，w=30％，w=4％，则1 1 2G=G(1—w〕=800〔1-0。3〕=560kg/hc 1 1W=G〔X-X〕=560×〔0.429-0。042〕=216。7kg/hc 1 2空气消耗量L、单位空气消耗量I-H图中查得，空气在t=15℃，=50%时的湿度为H=0。005kg/kgt=45=80％时的湿度为H=0。052kg/kg2 2 2空气通过预热器湿度不变，即H=H.0 1kg/hkg/kg风量V用式〔7—14〕15℃、101。325kPa=0.822m3/kgV=Lv=4610×0.822=3789.42m3/h 用此风量选用鼓风机.H83．有一间歇操作枯燥器，将某湿物料由含水量w=2％枯燥到w=5〔均为湿基，湿物1 2200kg0。025m2/kgτ′=1h，试确定每批物料的枯燥周期。该物料的临界含水量X=。20kg水/kg干物料，平衡含水量＊=0.05kgc水/kg解：确定干物料量G′=G′〔1-w〕=200×(1-0.27〕=146kgc 1 1枯燥总外表积S=146×0。025=3。65m2将物料中的水分换算成干基含水量最初含水量kg/kg最终含水量kg/kg由于X＜X2 ca。恒速阶段τ1X=0.37X=0.207—15中查得U=1。5kg/〔m2·h〕1 c 0hb。降速阶段τ2由X=0.20至X