傳質(zhì)分離課后習(xí)題

第一章緒論

1.列出5種使用ESA和5種使用MSA的分離操作。

答：屬于ESA分離操作的有精微、萃取精錦、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精偏。

屬于MSA分離操作的有萃取精微、液-液萃取、液-液萃取（雙溶劑）、吸收、吸附。

2.比較使用ESA與MSA分離方法的優(yōu)缺點。

答：當被分離組分間相對揮發(fā)度很小，必須采用具有大量塔板數(shù)的精微塔才能分離時;就

要考慮采用萃取精儲（MSA）,但萃取精微需要加入大量萃取劑，萃取劑的分離比較困

難，需要消耗較多能量，因此，分離混合物優(yōu)先選擇能量媒介（ESA）方法。

3.氣體分離與滲透蒸發(fā)這兩種膜分離過程有何區(qū)別？

答：氣體分離與滲透蒸發(fā)式兩種正在開發(fā)應(yīng)用中的膜技術(shù)。氣體分離更成熟些，滲透蒸發(fā)

是有相變的膜分離過程，利用混合液體中不同組分在膜中溶解與擴散性能的差別而實現(xiàn)

分離。

4.海水的滲透壓由下式近似計算：mRTC/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/cn?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(yīng)為多少kPa?

答：滲透壓7t=RTC/M=8.314X298X0.035/31.5=2.753kPa。

所以反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應(yīng)為2.753kPao

5.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(guān)變更量的獨立方程數(shù)Nc；

（3）設(shè)計變量數(shù)Ni;

（4）固定和可調(diào)設(shè)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(guān)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(shè)計變量

1

Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3；固定設(shè)計變量Nx=C+2,加上節(jié)流后的壓力，共C+3個；

可調(diào)設(shè)計變量Na=O

解：

(1)Nv=3(c+2)

(2)Nc物c

能1

相c

內(nèi)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：

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(shè)計變量數(shù)Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3

固定設(shè)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(shè)計變量Na：有0

6.滿足下列要求而設(shè)計再沸汽提塔見附圖，求：

(1)設(shè)計變更量數(shù)是多少？--------塔頂產(chǎn)物

(2)如果有，請指出哪些附加變進料，227K,2068kPa

^

量需要規(guī)定？Kmol/h

rN

*c1.0

解：Nu進料c+2cI54.4

x，

c-67.6

3

壓力9c141.1

c454.7

5

cc56.0

c+11=7+11=1833.3

Na”串級單元1

傳熱1

合計2

塔底產(chǎn)物

uuu

Nv=Nx+Na=20

習(xí)題6附圖

附加變量：總理論板數(shù)。

第二章單級平衡過程

2

1.一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lOOkPa式的平衡溫度和汽相組成。假設(shè)為完全理想

系。

解1：

(1)平衡常數(shù)法：

設(shè)T=368K

用安托尼公式得：

斤=156.24女Pa；g'=63.28女尸a；號=26.88AP。

由式(2-36)得：

&=1.562；K2=0.633；K3=0.269

y,=0.781；y2=0.158；%=0.067；=1.006

由于ZE>LOOI,表明所設(shè)溫度偏高。

由題意知液相中含量最大的是苯，由式(2-62)得:

；1.553

K一三可得T=367.78K

重復(fù)上述步驟:

&=1.553；Kz—0.6284；-0.2667

y；=0.7765；y2=0.1511；=0.066675；=1.0003

在溫度為367.78K時,存在與之平衡的汽相,組成為:苯0.7765、僻0.1511、

對二甲苯0.066675。

(2)用相對揮發(fā)度法：

設(shè)溫度為368K,取對二甲苯為相對組分。計算相對揮發(fā)度的：

a13=5.807；af=2.353；ct^—1.000

組分i苯(1)甲米(2)對二甲策(3)y,

0.500.250.251.000

%5.8072.3531.000

3

2.90350.58830.25003.7418

%M

0.77600.15720.06681.0000

Z%?七

解2：

(1)平衡常數(shù)法。假設(shè)為完全理想系。設(shè)t=95℃

苯：InP；=20.7936-2788.5/(95+273.15-52.36)=11.96；

耳=1.569x105Pa

甲苯：In=20.9065-3096.52/(95+273.15-53.67)=11.06；

4=6.358x1O,尸〃

對二甲苯：In月=20.9891-3346.65/(95+273.15-57.84)=10.204；

P；=2.702x1O4九

&=<%=L569X1%5=1.569；勺=0%=0.6358

%=0％=0.2702

.ZKixi=1.596x0.5+0.2702x0.25+0.6358x0.25=1.011

選苯為參考組分：KpJ*%。］］：1.552；解得T2=94.61℃

/.\nP^=11.05；P；=6.28lxIO,

ln/y=10.19；號=2.6654x1()4pa

2=0.6281K5=0.2665

ZKixi=1.552X0.5+0.6281x0.25+0.2665x0.25=0.9997?1

故泡點溫度為94.61℃,且弘=1.552x0.5=0.776；

%=0.6281x0.25=0.157；%=0.2665x0.25=0.067

(2)相對揮發(fā)度法

設(shè)t=95℃,同上求得&=1.569,勺=0.6358,r=0.2702

?a135.807aI?2.353&331

.Za,x,.=5.807x0.5+2.353x0.25+1x0.25=3.74

「?a.x.5.807x0.52.353x0.251x0.25，八

Zy,?=Z—=----------+------------+-------=1-0

-Za/i3.743.743.74

故泡點溫度為95℃,且5.807)0.5=0776；

-13.74

2.353x025=0157…回=0.067

23.74.33.74

2.一燃類混合物含甲烷5%(mol),乙烷10%,丙烷30%及異丁烷55%,試求混合物在25℃

4

時的泡點壓力和露點壓力。

解1：因為各組分都是烷燒，所以汽、液相均可以看成理想溶液，K,值只取決于溫度和壓

力。可使用烽類的P-T-K圖。

⑴泡點壓力的計算：75348

假設(shè)P=2.0MPa,因T=25℃,查圖求K,_______________________

組分i甲烷⑴乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)

%0.050.100.300.551.00

《8.51.80.570.26

y,=Qi0.4250.180.1710.1430.919

Z=0.919<1,說明所設(shè)壓力偏高，重設(shè)P=1.8MPa

組分i甲烷⑴乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)

X：0.050.100.300.551.00

&9.41.950.620.28

%="0.470.1950.1860.1541.005

ZKR.=1.005=1,故泡點壓力為1.8MPa。

⑵露點壓力的計算：

假設(shè)P=0.6MPa,因T=25℃,查圖求K.

組分i甲烷(1)乙烷⑵丙烷(3)異丁烷(4)

%0.050.100.300.551.00

K,26.05.01.60.64

W=%0.00190.020.18750.85941.0688

=L0688>L00,說明壓力偏高，重設(shè)P=0.56MPa。

'組分i甲烷⑴乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)

0.050.100.300.551.00

儲27.85.381.690.68

0.00180.01860.17750.80881.006

=1.006-1,故露點壓力為0.56MPa。

5

第三章多組分精儲和特殊精儲

1.在一精餌塔中分離苯(B),甲苯(T),二砰苯(X)和異丙苯(C)四元混合物。進料量200moi/h,

進料組成ZB=0.2,ZT=0.1,zx=0.4(mol)。塔頂采用全凝器，飽和液體回流。相對揮發(fā)度數(shù)據(jù)

為：名「=2.25,a=1.0,=0.33,%=021。規(guī)定異丙苯在釜液中的回收率為99.8%,

甲苯在偏出液中的回收率為99.5%o求最少理論板數(shù)和全回流操作下的組分分配。

解：根據(jù)題意頂甲苯(T)為輕關(guān)鍵組分，異丙苯(C)為重關(guān)鍵組分，

則苯(B)為輕組分，二甲苯(X)為中間組分。

以重關(guān)鍵組分計算相對揮發(fā)度。

2]=10?71,8七=°%21=4.762，axc-21~1-5714acc=1

由分離要求計算關(guān)鍵組分在塔頂釜的分配。

Wc-200x0.4x0.998=19.34kmolIhDc=200x0.5—79.84=0.16kmol/h

DT=200x0.3x0.995=59Jkmol/h；啊=200x0.3-59.7=O.Skmol/h

DjNmDH

—二am------

*%』6X79?%3

所以N由叱町與

mIga”1g4.762

組=10.71737*912=7.8x104

￡=3+叱求出非關(guān)鍵組分的分布，苯：Wo.79.84

WB=0,￡)B=200x0.2=40Kmol/h

2=1.5714737X&^=0.056

二甲苯：心X

79.84,Dx+Wx=2000,1=20

求得OX=1.06,%=18.94,物料平衡結(jié)果見下表：

組分XFi2XDi叱XWi

苯(B)0.2400.39600

甲苯(T)0.359.90.5920.30.003

異丙苯(C)0.40.160.00279.840.806

100.921.0099.081.00

6

第四章多組分多級分離的嚴格計算

1.某精錦塔共有三個平衡級，一個全凝器和一個再沸器。用于分離由60%(mol)的甲醇，20%

乙醇和20%正丙醇所組成的飽和液體混合物。在中間一級上進料，進料量為1000kmol/h。

此塔的操作壓力為10L3kPa。儲出液量為600kmol/h。回流量為2000kmol/h。飽和液體

回流。假設(shè)恒摩爾流。用泡點法計算一個迭代循環(huán)，直到得出一組新的Ti值。

安托尼方程：

甲醇：1*$=23.4803-3626.5/(7-34.29)

乙醇：InP；=23.8047-3803.98/(7—41.68)

正丙醇：In廳=22.4367—3166.38/(7—80.15)(T：K；Ps：Pa)

提示：為開始迭代，假定播出液溫度等于甲醇的正常沸點，而塔釜溫度等于其它兩個醇的

正常沸點的算術(shù)平均值，其它級溫按線性內(nèi)插。

解：餌出液量D=U尸600kmol/h,Li=2000kmol/h,由圍繞全凝器的總物料衡算得

V2=L1+Ui=2600kmol/ho

由安托尼方程算出物料的沸點得：

T甲薛=337.65K,T乙醉=351.48K,T正丙醉=370.35K。

假定微出液溫度等于甲醇的正常沸點，而塔釜溫度等于其它兩個醇的正常沸點的算術(shù)

平均值，其它級溫按線性內(nèi)插。

迭代變量的初值列于下表

級序號，jVj,mol/hTj,K級序號，jVj,mol/hTj,K

10337.6542600355.01

22600343.4452600360.79

32600349.22

在假定的級溫度及10L3kPa壓力下，由安托尼方程得到的K值為:

Kij

組分

12345

甲醇11.251.551.912.33

乙醇0.560.720.911.151.43

正丙醇0.250.330.420.540.69

第1個組分甲醇的矩陣方程推導(dǎo)如下

當V|=0,Gj=O(j=l,...5)時,從式(4-19)可得

A.^V.+v'(F-U)

jj\mm7

m=\

7

所以，A5=V5+F3-U]=2600+1000-600=3000

類似得，A4=3000,A3=2000和A2=2000

當VI=0和Gj=0時，由式(4-20)可得

B=-V.,+史(尸-U)+t7.+VK.

JJ+1J：?nmfjjij

JW=1_

因此，B5=-[F3-UI+V5KI,5]=-[1000-600+2600x2.33]=-6458

同理，B4=-7966,B3=—7030,B2=—5250和Bl=-2600

由式(4-21)得：D3=-1000x0.60=-600kmol/h

相類似DI=D2=D4=D5=0

將以上數(shù)值代入式(4-23),得到：

-26003250000?^1.10

2000-5250403000X\,20

02000-703049660匹,3=-600

003000-79666058七,40

0003000-6458_尤1,5_0

用式(4-26)和(4-27)計算Pj和Qj

G3250,_

=--------=-1.2

1-2600

D、0

<7.=—=---------=0

15,-2600

C2_4030

B2-A1Pi~-5250-2000(-1.25)

按同樣方法計算,得消元后的方程

-1-1.25000Xi0

01-1.46500匹.20

001-1.2100X\,3=0.146

0001-1.3970.101

00001_X1,5_0.134

顯然，由式(4-28b)得xl,5=0.134

依次用式(4-28a)計算，得

Xi,4=0.288,X13=0.494,X1,3=0.723,xu=0.904

以類似方式解乙醇和正丙醇的矩陣方程得到項

組分Xi,j

8

12345

甲醇0.9040.7230.4940.2880.134

乙醇0.1550.2160.2230.1890.138

正丙醇0.0350.1060.2140.3290.450

1.0941.045