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化工单元操作过程与设备化工单元操作过程与设备 习题答案（习题答案（下下） 目目录录 1 蒸馏 . 1 2 气体吸收 . 21 3 气液传质设备 . 37 4 干燥 . 43 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 1 1 1 蒸馏蒸馏 1. 已知总压 = 101.33， 的关系式为xA= 0 0 0 ， 的关系式为yA= 0 计算结果列于下表中： 温度， x y 温度， x y 36.1 1.00 1.00 55 0.31 0.56 40 0.82 0.93 60 0.18 0.38 45 0.62 0.83 65 0.07 0.18 50 0.45 0.71 68.1 0.00 0.00 绘制出 t-y-x 相图，如下图所示： 2. 关系式不变，故直接引用上题数据 x 关系式 = 1 + ( 1) ，由于是理想溶液，故相对挥发度 = 0 0 计算结果列于下表中： 温度， x y 温度， x y 36.1 1.00 1.00 55 0.31 0.56 40 0.82 0.93 60 0.18 0.38 45 0.62 0.83 65 0.07 0.18 50 0.45 0.71 68.1 0.00 0.00 此题的计算结果跟 1 题完全一样 35 40 45 50 55 60 65 70 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 t, x(y) 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 2 3. 由已知= 0.2， = 106.7，气相平衡组成可利用下式计算： = 0 饱和蒸汽压和温度的关系已知，为求 0，需先确定温度 t 因= 0 0 0 ,故 0 0 0 = 0.2 此式可作为试差计算中所设的温度是否正确的依据 假设 = 104，由上述的方程可求得 0 = 200.7， 0 = 83.6 0 0 0 = 106.7 83.6 200.7 83.6 = 0.197 5 塔板布量 因塔径较大，故采用分块式塔板 参考“浮阀塔板标准系列”，选取如下塔板布置方式 浮阀排列方式：等腰三角形叉排， = 75，= 65 塔板分块数：共 5 块（弓形：2，矩形：3） 浮阀总数： = 390 开孔率=14.8% 塔板布置图如右图所示 阀孔气速及阀孔功能因数 阀孔气速 0= 4 0 2 = 4.05 3.14 4 0.0392 390 = 8.7 降液区面积 有效传质区面积 受液区面积 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 39 阀孔动能因数 0= 0 = 8.7 1.13 = 9.25 气体通过一层浮阀塔板的压降 干板压降 临界阀孔气速 =73.1 1.825 = 73.1 1.13 1.825 = 9.82 因阀孔气速0小于其临界阀孔气速，故干板压降 = 19.9 0 0.175 = 19.9 8.70.175 801.5 = 0.036 板上充气液层压力 = 0 ( + ) = 0 因为液相是水溶液，故去充气系数0= 0.5，则 = 0.5 0.07 = 0.035 忽略板上液体表面张力所造成的气体流动阻力，则压降相当的液柱高度 = + = (0.036 + 0.035) = 0.071 即气体沟通过每层板的压降为 = = 0.071 801.5 9.81 = 558 塔板负荷性能图 过量雾沫夹带线 取泛点率 = 0.8，确定雾沫夹带上限的 关系 = + 1.36 式中，板上液体流径长度 = 2= (2.0 2 0.244) = 1.512 板上液流面积 = 2= 2 4 2= (3.14 2.0 2 4 2 0.22)2= 2.72 根据及查图 3-19 的泛点负荷系数图得= 0.11 查表 3-4 的物性系数，得 = 1.0 则 1.13 801.5 1.13 + 1.36 1.512 1.0 0.11 2.7 = 0.8 即= 6.32 54.7 当= 0.0013 ，= 6.253 ；当= 0.0193 ，= 5.283 由这两点便可绘出雾沫夹带线 液泛线 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 40 液泛线可写为如下的形式 2= 2 2 3 各系数值计算如下： = 1.91 105 2 = 1.91 105 1.13 801.5 3902 = 0.00177 = + ( 1 0 ) 取 = 0.5，0= 0.5，则 = 0.5 0.45 + (0.5 1 0.5) 0.057 = 0.168 = 0.153 202 = 0.153 1.312 0.0512 = 34.3 = (1 + 0)(0.667) 1 2 3 = (1 + 0.5) 1.02 0.667 1 1.312 3 = 0.852 则液泛线表达式为 0.001772= 0.168 34.3 2 0.852 2 3 即 2= 94.9 19379 2 481 2 3 ( 3 ) 0.001 0.005 0.009 0.013 0.017 0.021 ( 3 ) 9.49 8.96 8.52 8.06 7.58 7.05 液相负荷上限线 以 = 5作为液体在降液管中停留时间的下限 ( )= 5 = 0.22 0.45 5 3 = 0.01983 气相负荷下限线（漏液线） 以0= 5作为规定气体最小负荷的标准，则 ( )= 4 0 2 5 = 3.14 4 0.0392 390 5 1.13 3 = 2.193 液相负荷下限线 以= 0.006作为规定液体最小负荷的标准，则 = 2.84 1000 3600() 2 3 = 0.006 取 = 1并将= 1.31代入，则可求出 ( )= ( 1000 2.84 ) 3 2 3600 = (1000 0.006 2.84 1000 ) 3 2 0.006 3600 = 0.001083 根据上述、五次计算结果画出塔板负荷性能图，如下页图所示。 由负荷性能图可见： 1.塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 41 2.代表设计任务规定的气液负荷操作 点即P点(= 0.003283 ,= 4.053 )位于塔的适宜操作范围 内，即在规定负荷下操作时，该塔 处于正常的流体力学状况下，不会 发生过量雾沫夹带、液泛、漏液等 不正常的流体力学现象。 3.由图中的 A、 B 点读得， 塔板的气相 负荷上限为()= 6.063 ， 下限为()= 2.193 ，所以 操作弹性 = ( ) ( ) = 6.06 2.19 = 2.8 计算结果汇总于下表 项目 数值及说明 备注 塔径 2.0 板间距 0.45 塔板类型 单溢流弓形降液管 分块式塔板 空塔气速 1 1.45 堰长 1.31 堰高 0.057 板上液层高度 0.07 降液管底隙高度0 0.051 浮阀数个 390 等腰三角形叉排 阀孔气速0 1 8.7 阀孔功能因数0 9.25 临界阀孔气速 1 9.82 孔心距 0.075 排间距 0.065 单板压降 558 降液管内液体停留时间 30.2 气相负荷上限()3 1 6.06 雾沫夹带控制 气相负荷下限()3 1 2.19 操作弹性 2.8 3. 注意：由图读数存在误差，本题答案仅供参考 丙酮的摩尔质量(丙酮) = 58.1 ， 空气的摩尔质量(空气) = 29 查得 30水的密度= 995.7 3，粘度= 0.8007 混合气的平均摩尔质量 0 2 4 6 8 10 0.0000.0050.0100.0150.0200.025 Vs,m3/h Ls,m3/h P A B 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 42 = (丙酮) + (1 )(空气) =5% 5.81 + (1 5%) 29 = 30.5 混合气密度 = = 101.3 30.5 8.314 (273.15 + 30) 3= 1.23 3 故 ( ) 0.5 = 2.35 ( 1.23 995.7) 0.5 = 0.0826 由图 3-24 的埃克特通用关联图查得 2 ( ) 0.2 = 0.15 对于水， = 1.0，查表 3-5 的填料特性数据得填料因子 = 2851 代入数据得 2 1.0 285 9.81 1.23 995.7 0.80070.2= 0.15 解得泛点速度= 2.090 取安全系数为 60%，则 = 60%= 60% 2.090 = 1.25 故塔径 =4 =4 800 3600 3.14 1.25 = 0.476 圆整塔径，取 D = 0.5m，校核 = 0.5 103 25 = 20 10，满足要求 实际气速 = 4 2 = 4 800 3600 3.14 0.52 = 1.13 实际气速下，埃克特通用关联图的纵坐标为 2 ( ) 0.2 = 1.132 1.0 285 9.81 1.23 995.7 0.80070.2= 0.0438 由图 3-24 的埃克特通用关联图查得每米填料层的压强降 = 343 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 43 4 4 干燥干燥 1. 湿空气的露点= 10，故20时空气的水汽分压等于10水的饱和蒸汽压 查得10水的饱和蒸气压为1.2262，即有= ,= 1.2262 故湿度 = 0.622 = 0.622 1.2262 101.3 1.2262 水 绝干气 = 0.00762水 绝干气 查得20水的饱和蒸气压= 2.3346 相对湿度 = 100% = 1.2262 2.3346 100% = 52.5% 比体积 = (0.772 + 1.244) 273 + 273 1.013 105 = (0.772 + 1.244 0.00762) 273 + 20 273 1.013 105 1.013 105 3湿空气 绝干气 = 0.8393湿空气 绝干气 比热容 = 1.01 + 1.88 = (1.01 + 1.88 0.00762) (绝干气 ) = 1.024 (绝干气 ) 焓 I = (1.01 + 1.88) + 2490 = (1.01 + 1.88 0.00762) 20 + 2490 0.00762 绝干气 = 39.5 绝干气 2. 查得30水的饱和蒸气压= 4.2474 由湿度 H 和相对湿度的关系式得 = 0.622 = 0.622 4.2474 101.3 4.2474 水 绝干气 = 0.025水 绝干气 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 44 解得相对湿度 = 92.16% 水蒸汽分压 = = 92.16% 4.2474 = 3.914 比体积 = (0.772 + 1.244) 273 + 273 1.013 105 = (0.772 + 1.244 0.025) 273 + 30 273 1.013 105 1.013 105 3湿空气 绝干气 = 0.89133湿空气 绝干气 比热容 = 1.01 + 1.88 = (1.01 + 1.88 0.025) (绝干气 ) = 1.057 (绝干气 ) 焓 I = (1.01 + 1.88) + 2490 = (1.01 + 1.88 0.025) 30 + 2490 0.025 绝干气 = 93.96 绝干气 3. 注意： 由图读数存在误差， 本题答案仅供参考 由已知条件 = 60和= 45 在H-I图作= 45等温线交 = 100%于A 过 A 作等 I 线与 = 60等温线交于 B 点 B 为空气状态点，如右图所示 由点 B 等 H 线向下与辅助水平轴的交点 可读得 = 0.067水 绝干气 点 B 在等相对湿度 = 45%上 在等焓线I = 228 绝干气上通过点 B作等H线与 = 100%的饱和水蒸汽线交于 点 C，再通过点 C 的等温线可读得露点= 43 4. 注意： 由图读数存在误差， 本题答案仅供参考 = 0.067水 绝干气 A B C = 60 = 45 = 43 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 45 干球 温度 湿球 温度 湿度 水 绝干气 相对 湿度 焓 绝干气 水蒸汽 分压 露点 80 40 0.024 10% 140 3.3 27 60 34 0.029 22% 133 4.0 29 40 28 0.022 43% 97.5 2.5 25 58 32 0.024 20% 120 3.5 27 50 30 0.021 26% 107.5 3.0 25 5. 湿物料的干基含水量 1= 1 1 1 = 40% 1 40% 水 绝干料= 0.6667水 绝干料 产品的干基含水量 2= 2 1 2 = 5% 1 5% 水 绝干料= 0.0526水 绝干料 绝干物料量 = 1(1 1) = 1000 (1 40%)绝干料 = 600绝干料 水分蒸发量 = ( 1 2) = 400 (0.6667 0.0526)水 = 368.5水 绝干空气流量 = 2 1 = 368.5 0.039 0.009 绝干气 = 12283绝干气 原湿空气消耗量 = (1 + 1) = 12283 (1 + 0.009)湿空气 = 12393湿空气 获得的干燥产品量 2= 1 1 1 1 2 = 1000 1 40% 1 5% = 631.6 6. 产品的湿基含水量 2= 2 1 + 2 = 0.01 1 + 0.01 0.0526水 湿物料= 0.0099水 湿物料 绝干物料量 = 2(1 2) = 237 (1 0.0099)绝干料 = 234.65绝干料 水分蒸发量 = ( 1 2) = 234.65 (0.15 0.01)水 = 32.85水 绝干空气消耗量 = 2 0 = 32.85 0.023 0.0073 绝干气 = 2092绝干气 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 46 新鲜空气比体积 = (0.772 + 1.2440) 273 + 0 273 = (0.772 + 1.244 0.0073) 273 + 15 273 3湿空气 绝干气 = 0.82403湿空气 绝干气 风机的流量 = = 2092 0.82403新鲜空气 = 17243新鲜空气 预热器加入热量 = (1 0) = (1.01 + 1.880 )( 1 0) = 2092 (1.01 + 1.88 0.0073) (90 15) = 160622 = 44.6 7. 湿物料的干基含水量 1= 1 1 1 = 20% 1 20% 水 绝干料= 0.25水 绝干料 产品的干基含水量 2= 2 1 2 = 2% 1 2% 水 绝干料= 0.0204水 绝干料 绝干物料量 = 2(1 2) = 80 (1 2%)绝干料 = 78.4绝干料 水分蒸发量 = ( 1 2) = 78.4 (0.25 0.0204)水 = 18.0水 绝干空气流量 = 2 0 = 18 0.05 0.01 绝干气 = 450绝干气 预热器的传热量 = (1 0) = (1.01 + 1.880 )( 1 0) = 450 (1.01 + 1.88 0.01) (120 20) = 46296 湿空气进入干燥器时的焓 1= (1.01 + 1.880 ) 1+ 24900 = (1.01 + 1.88 0.01) 120 + 2490 0.01 绝干气 = 148.356 绝干气 湿空气离开干燥器时的焓 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 47 2= (1.01 + 1.882 ) 2+ 24902 = (1.01 + 1.88 0.05) 70 + 2490 0.05 绝干气 = 201.78 绝干气 湿物料进入干燥器前的焓 1 = 1+ 4.18711 = (1.85 25 + 4.187 0.25 25) 绝干气 = 72.419 绝干气 湿物料离开干燥器时的焓 2 = 2+ 4.18722 = (1.85 60 + 4.187 0.0204 60) 绝干气 = 116.125 绝干气 干燥器的热损失可忽略不计，即= 0 故干燥器中补充的热量 = (2 1) + ( 2 1 ) + = 450 (201.78 148.356) + 78.4 (116.125 72.419) + 0 = 24767 8. 注意：题中传热系数单位为 (2 ) 湿物料的干基含水量 1= 1 1 1 = 3.7% 1 3.7% 水 绝干料= 0.0384水 绝干料 干燥产品的干基含水量 2= 2 1 2 = 0.2% 1 0.2% 水 绝干料= 0.0020水 绝干料 绝干物料量 = 2(1 2) = 1000 (1 0.2%)绝干料 = 998绝干料 水分蒸发量 = ( 1 2) = 998 (0.0384 0.0020)水 = 36.33水 查得0= 20的水的饱和蒸气压= 2.3346 新鲜空气的湿度 0= 0.622 0 0 = 0.622 55% 2.3346 101.3 55% 2.3346 水 绝干气 = 0.008水 绝干气 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 48 故绝干空气的流量 = 2 0 = 36.33 2 0.008 绝干气 变形得 (2 0.008) = 36.33 对干燥器作热量衡算，得 1+ 1 + = 2+ 2 + 离开干燥器后，物料和空气温度均下降，故干燥器中补充的热量= 0 空气进入干燥器时的焓 1= (1.01 + 1.880 ) 1+ 24900 = (1.01 + 1.88 0.008) 85 + 2490 0.008 绝干气 = 107.05 绝干气 空气离开干燥器时的焓 2= (1.01 + 1.882 ) 2+ 24902 = (1.01 + 1.882) 30 + 24902 绝干气 = (2546.42+ 30.3) 绝干气 湿物料进入干燥器前的焓 1 = 1+ 4.18711 = (1.507 24 + 4.187 0.0384 24) 绝干气 = 40.03 绝干气 湿物料离开干燥器时的焓 2 = 2+ 4.18722 = (1.507 60 + 4.187 0.002 60) 绝干气 = 90.92 绝干气 干燥系统的热损失 = = (长度)(1 + 2 2 0) = 35 (3.14 1.3 7) (85 + 30 2 20) = 37503.375 把所有已知数值代入热量衡算式，得 107.05 + 998 40.03 + 0 = (2546.42+ 30.3) + 998 90.02 + 37503.375 整理可得 (2546.42+ 76.75) = 87393.395 联立、两式解得： 化工单元操作过程与设备习题答案（下） 49 绝干空气流量 = 3191(绝干气 ) 空气离开干燥器的湿度2= 0.0194水 绝干气 预热器的传热量 = (1 0) = (1.01 + 1.880 )( 1 0) = 3191 (1.01 + 1.88 0.008) (85 20) = 212609 查得180的饱和蒸汽的汽化热 = 2214.3 故预热器中加热蒸汽消耗量 = = 212609 2214.3 = 96.0