化工分離工程習題答案

分離工程習題第一章1.列出5種使用ESA和5種使用MSA的分離操作。答:屬于ESA分離操作的有精餾、萃取精餾、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精餾。屬于MSA分離操作的有萃取精餾、液-液萃取、液-液萃取(雙溶劑、吸收、吸附。5.海水的滲透壓由下式近似計算:π=RTC/M,式中C為溶解鹽的濃度,g/cm3;M為離子狀態(tài)的各種溶劑的平均分子量。若從含鹽0.035g/cm3的海水中制取純水,M=31.5,操作溫度為298K。問反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應為多少kPa?答:滲透壓π=RTC/M=8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。所以反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應為2.753kPa。9.假定有一絕熱平衡閃蒸過程,所有變量表示在所附簡圖中。求:(1總變更量數(shù)Nv;(2有關變更量的獨立方程數(shù)Nc;(3設計變量數(shù)Ni;(4固定和可調(diào)設計變量數(shù)Nx,Na;(5對典型的絕熱閃蒸過程,你將推薦規(guī)定哪些變量?思路1:3股物流均視為單相物流,總變量數(shù)Nv=3(C+2=3c+6獨立方程數(shù)Nc物料衡算式C個熱量衡算式1個相平衡組成關系式C個1個平衡溫度等式1個平衡壓力等式共2C+3個故設計變量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3=C+3固定設計變量Nx=C+2,加上節(jié)流后的壓力,共C+3個可調(diào)設計變量Na=0解:(1Nv=3(c+2V-2FziTFPFV,yi,Tv,PvL,xi,TL,PL習題5附圖(2Nc物c能1相c內(nèi)在(P,T2Nc=2c+3(3Ni=Nv–Nc=c+3(4Nxu=(c+2+1=c+3(5Nau=c+3–(c+3=0思路2:輸出的兩股物流看成是相平衡物流,所以總變量數(shù)Nv=2(C+2獨立方程數(shù)Nc:物料衡算式C個,熱量衡算式1個,共C+1個設計變量數(shù)Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1=C+3固定設計變量Nx:有C+2個加上節(jié)流后的壓力共C+3個可調(diào)設計變量Na:有011.滿足下列要求而設計再沸汽提塔見附圖,求:(1設計變更量數(shù)是多少?(2如果有,請指出哪些附加變量需要規(guī)定?解:Nxu進料c+2壓力9c+11=7+11=18Nau串級單元1傳熱1合計2NVU=Nxu+Nau=20附加變量:總理論板數(shù)。16.采用單個精餾塔分離一個三組分混合物為三個產(chǎn)品(見附圖,試問圖中所注設計變量能否使問題有唯一解?如果不,你認為還應規(guī)定哪個(些設計變量?解:NXU進料c+2壓力40+1+1c+44=47Nau3+1+1+2=7Nvu=54設計變量:回流比,餾出液流率。進料,227K,2068kPa組分N2C1C2C3C4C5C6塔頂產(chǎn)物塔底產(chǎn)物92習題6附圖第二章4.一液體混合物的組成為:苯0.50;甲苯0.25;對二甲苯0.25(摩爾分率。分別用平衡常數(shù)法和相對揮發(fā)度法計算該物系在100kPa式的平衡溫度和汽相組成。假設為完全理想系。解1:(1平衡常數(shù)法:設T=368K用安托尼公式得:kPaPs24.1561=;kPaPs28.632=;kPaPs88.263=由式(2-36得:562.11=K;633.02=K;269.03=K781.01=y;158.02=y;067.03=y;006.1=∑iy由于∑iy>1.001,表明所設溫度偏高。由題意知液相中含量最大的是苯,由式(2-62得:553.11'1==∑iyKK可得KT78.367'=重復上述步驟:553.1'1=K;6284.0'2=K;2667.0'3=K7765.0'1=y;1511.0'2=y;066675.0'3=y;0003.1=∑iy在溫度為367.78K時,存在與之平衡的汽相,組成為:苯0.7765、甲苯0.1511、對二甲苯0.066675。(2用相對揮發(fā)度法:設溫度為368K,取對二甲苯為相對組分。計算相對揮發(fā)度的:5.80713=α;2.35323=α;000.133=α組分i苯(1甲苯(2對二甲苯(3∑ix0.500.250.251.000ijα5.8072.3531.000iijxα2.90350.58830.25003.7418∑??iijiijxxαα0.77600.15720.06681.0000解2:(1平衡常數(shù)法。假設為完全理想系。設t=95℃∴PaPs5110569.1?=∴PaPs4210358.6?=∴PaPs4310702.2?=511=?==PPKs;6358.022==PPKs2702.033==PPKs選苯為參考組分:552.1011.1569.112==K;解得T2=94.61℃05.11ln2=sP;PaPs4210281.6?=19.10ln3=sP;PaPs43106654.2?=2K=0.62813K=0.2665(2相對揮發(fā)度法設t=95℃,同上求得1K=1.569,2K=0.6358,3K=0.2702807.513=α,353.223=α,133=α.174.325?+?=∑=iiiiixxyαα故泡點溫度為95℃,且776.074.35.0807.51=?=y;y;067.074.325.013=?=y11.組成為60%(mol苯,25%甲苯和15%對二甲苯的100kmol液體混合物,在101.3kPa和100℃下閃蒸。試計算液體和氣體產(chǎn)物的量和組成。假設該物系為理想溶液。用安托尼方程計算蒸氣壓。解:在373K下315.1791=77.11=K729.02=K315.03=K計算混合組分的泡點TBTB=364.076K計算混合組分的露點TDTD=377.83K65(((∑=-ψ+-=ψ040443.011111iiiKKzf((([]∑-=-ψ+--=ψ414.01112121'iiiKKzf((7477.01'112=ψψ-ψ=ψff(00024.02≈-=ψf此時: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.用圖中所示系統(tǒng)冷卻反應器出來的物料,并從較重烴中分離輕質(zhì)氣體。計算離開閃蒸罐的蒸汽組成和流率。從反應器出來的物料溫度811K,組成如下表。閃蒸罐操作條件下各組分的K值:氫-80;甲烷-10;苯-0.01;甲苯-0.004解:以氫為1,甲烷為2,苯為3,甲苯為4?？傔M料量為F=460kmol/h,4348.01=z,4348.02=z,1087.03=z,0217.04=z又K1=80,K2=10,K3=0.01,K4=0.004由式(2-72試差可得:Ψ=0.87,由式(2-68計算得:y1=0.4988,y2=0.4924,y3=0.008,y4=0.0008;V=400.2mol/h。組分流率,mol/h氫200甲烷200苯50甲苯10⑴求泡點和露點溫度⑵將此混合物在101.3kPa下進行閃蒸,使進料的50%汽化。求閃蒸溫度,兩相的組成。解:⑴因為各組分都是烷烴,所以汽、液相均可看成理想溶液,KI只取決于溫度和壓力,可使用烴類的P-T-K圖。泡點溫度計算得:TB=86℃。露點溫度計算得:TD=100℃。⑵由式(2-76求T的初值為93℃,查圖求KI組分正己烷正庚烷正辛烷zi0.450.250.30Ki1.920.880.41((111-ψ+-iiiKzK0.2836-0.0319-0.2511((∑≈=-ψ+-00006.0111iiiKzK所以閃蒸溫度為93℃。由式(2-77、(2-68計算得: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%。第三章12τ=-0.83665J/mol,12α=0.3。試確定共沸溫度和共沸組成。安托尼方程(SP:Pa;T:K則由??2121221ln((GxxGGxxGxττγ=??????+-?+?-+?--21122122212??????+++=2212121212121221212212ln((GxxGGxxGxττγ=??????-+?-++-?21121121.0104131.0((xxx1lnγ-2lnγ=SSPP2=0.1755求得1x=0.321γ=1.20922γ=0.8971222111γγγSSiSiiPxPxPx+=∑設T為60℃則SP1=95721.9SP2=84599.9設T為56℃SP1=83815.2SP2=71759.31lnγ-2lnγ=SSPP21ln=3.717592.83815ln=0.1553當1lnγ-2lnγ=0.1553時求得1x=0.301γ=1.10992γ=0.9500222111γγγSSiSiiPxPxPx+=∑14.某1、2兩組分構(gòu)成二元系,活度系數(shù)方程為221lnAx=γ,212lnAx=γ,端值常數(shù)與溫度的關系:A=1.7884-4.25?10-3T(T,K蒸汽壓方程為TPS40500826.16ln1-=TPS40503526.16ln2-=(P:kPa:T:K假設汽相是理想氣體,試問99.75Kpa時①系統(tǒng)是否形成共沸物?②共沸溫度是多少?解:設T為350K則A=1.7884-4.25?10-3?350=1.7884-1.4875=0.300935040500826.16ln1-=SP;∴SP1=91.0284kPa35040503526.16ln2-=SP;SP2=119.2439kPa因為在恒沸點由1221112==SSPPγγα得SSPP1221=γγ∴((1212221212121lnlnlnlnxAxxAPPSS-=-=-==γγγγ.91lnx-=解得:1x=0.94872x=0.0513∴2P=∑S設T為340K則A=1.7884-4.25?10-3?340=0.343434040500826.16ln1-=SP;SP1=64.7695kPa34040503526.16ln2-=SP;SP2=84.8458kPa由(121解得:1x=0.89312x=1-0.8931=0.1069∴22P=∑S設T為352K則A=1.7884-4.25?10-3?352=0.292435240500826.16ln1-=SP;SP1=97.2143kPa35240503526.16ln2-=SP;SP2=127.3473kPa由(121∴1x=0.96172x=1-0.9617=0.0383∴2P=∑S說明系統(tǒng)形成共沸物,其共沸溫度為352K。判斷31.16738.7513.9912==SSPP,而1γ=1.313,2γ=1.002∴2121γγ>>SSPP,且SSPPP21,>,∴故形成最低沸點恒沸物,恒沸物溫度為344.5K?！唷唷嗟谒恼隆?.某原料氣組成如下:組分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12n-C6H14y0(摩爾分率0.7650.0450.0350.0250.0450.0150.0250.045先擬用不揮發(fā)的烴類液體為吸收劑在板式塔吸收塔中進行吸收,平均吸收溫度為38℃,壓力為1.013Mpa,如果要求將i-C4H10回收90%。試求:(1為完成此吸收任務所需的最小液氣比。(2操作液氣比為組小液氣比的1.1倍時,為完成此吸收任務所需理論板數(shù)。(3各組分的吸收分率和離塔尾氣的組成。(4求塔底的吸收液量解:(1最小液氣比的計算:關關(AKVL?=min=0.56?0.85=0.476(2理論板數(shù)的計算:操作液氣比min2.1(VLVL==1.2?0.476=0.571202.156.05712.0===關關關VKLA32.5102((AAN??(3尾氣的數(shù)量和組成計算:非關鍵組分的iiVKLA=吸收率111--=++NiNiiAAA?被吸收的量為iNv??+1,塔頂尾氣數(shù)量iiNvv=-?+1(1?塔頂組成Vvyii=1按上述各式計算,將結(jié)果列于下表組分1+NvKmol/hKiiAiφiNvφ1+iviyCH476.517.40.0330.0322.52473.980.920C2H64.53.750.1520.1520.6843.8160.047C3H83.51.30.4390.4361.5261.9740.025i-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合計100.0---19.81080.190(4塔底的吸收量NL聯(lián)立求解得NL=61.33Kmol/h.0L=41.70Kmol/h解2:由題意知,i-C4H10為關鍵組分由P=1.013Mpa,t平=38℃查得K關=0.56(P-T-K圖(1在最小液氣比下N=∞,A關=中關=0.9關關(AKVL?=min