化工原理下册部分题

1、1. 某双组分理想物系当温度 t=80 C时，Pa106.7kPa , PB40kPa，液相 摩尔组成xa=0.4，试求： 与此液相组成相平衡的汽相组成 y : 相对挥 发度a。解：(1) Xa=(P 总一Pb ) /(Pa Pb )； 0.4=(P 总40)(106.740)二 P总=66.7kPa;yA=XA - Pa/ P总=0.4 X 106.7 /66.7=0.64(2)a =Px/ Pb =106.7 /40=2.67 5. 某精馏塔在常压下分离苯甲苯混合液，此时该塔的精馏段和提馏段操作线 方程分别为 y=0.723X+0.263 和 y=1.25X-0.0188 ，每小时送入塔内

2、 75kmol 的 混合液，进料为泡点下的饱和液体，试求精馏段和提馏段上升的蒸汽量为多少y =1.25xkmol/h )。解: 已知两操作线方程:y=0.723X+0.263（ 精馏段） -0.0188( 提馏段) R/(R+1)=0.723R=2.61 x D / (R+1)=0.263 xD=3.61X0.263=0.9494两操作线交点时，y=y x=x 0.723x+0.263=1.25x-0.0188 x f =0.5347饱和液体进料 q=1, x F = x =0.5347W，提馏段操作线经过点 （x W， x W）y =x w=1.25xw 0.0188 xw=0.0752由全

3、塔物料衡算 F=D+W F x F = D x D + W x WD =(x Fx W)/(xD x W)F=(0.5347-0.0752)/(0.9494-0.0752) X 75=39.42kmol/h 饱和液体进料V =V=L+D=(R+1)D=3.6X 39.42=142.3kmol/h 6.已知某精馏塔进料组成Xf=0.5，塔顶馏出液组成xd=0.95，平衡关系y= 0.8x + 0.2，试求下列二种情况下的最小回流比R.ino 饱和蒸汽加料； 饱和液体加料。解：R min = (X D y q)/(yq X q ) (1) yq=0.8 X q + 0.2 (2) y q= qx

4、q/ (q 1) x f / (q 1) (3) q=0,由(3) y q=Xf=0.5，由(2) x q = (0.5-0.2)/0.8=0.375R min =(0.95-0.5)/(0.5-0.375)=3.6 q=1,由 x q =Xf =0.5，由 y q =0.8 X 0.5+0.2=0.6 ,R min= (0.95-0.6)/(0.6-0.5)=3.5 9.用常压精馏塔分离双组分理想混合物，泡点进料，进料量 100kmol/h，加料 组成为50%,塔顶产品组成xd=95%，产量D=50kmol/h，回流比R=2Rin，设全塔 均为理论板，以上组成均为摩尔分率。相对挥发度a =3

5、。求：1.Rmin(最小回流比) 2.精馏段和提馏段上升蒸汽量。3.列出该情况下的精馏段操作线方程。泡点进料q=1,解：1. y= a x/1+( a 1)x=3x/(1+2x)Xq = X F = 0.5, y q =3X 0.5/(1+2 X 0.5)=1.5/2=0.75R min / (R min+1)=(0.95-0.75)/(0.95-0.5)=0.20/0.45=4/9Rriin=4/5 = 0.82. V=V =(R+1)D=(2 X 0.8+1) X 50=130kmol/h3. y=R/(R+1)x + xD / (R+1)=0.615x+0.36512.某精馏塔用于分离苯

6、甲苯混合液，泡点进料，进料量 30kmol/h，进料中苯的摩尔分率为0.5，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10，采用=2.4。回流比为最小回流比的1.5倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度a (1)求塔顶、底的产品量；(2)若塔顶设全凝器，各塔板可视为理论板，求离开 第二块板的蒸汽和液体组成。解：(1) F=D+W，Fxf=D)o + Wx/ 30=D+W，30X 0.5 = D X 0.95+WX 0.10 D=14.1kmol / h W=15.9kmol / h(2) Xq=XF= 0.5 ，yq=a Xq/1+ ( a 1)Xq =2.4 X 0.5/ 1+ (2.4

7、 1) X 0.5 = 0.706R min =(XD yq)/(yq-xq)=(0.95 0.706) / (0.706 0.5)=1.18，R =1.5 X R min =1.5 X 1.18=1.77精馏段的操作线方程为：y = R / (R+1)x +xD(R+1)= 1.77/(1.77+1)x0.95 / (1.77+1) = 0.639x+0.343y1=xD=0.95，X1=y1/ a y1( a 1)=0.95 / (2.4 0.95 X (2.4 1) = 0.888y2=0.639x1+0.343 = 0.910 ，x2= 0.910 / 2.40.910X(2.40-1

8、) = 0.80818. 用板式精馏塔在常压下分离苯甲苯溶液，塔顶采用全凝器，塔釜用间接蒸汽加热，平均相对挥发度为 2.47。进料为150kmol/h,组成为0.4 (摩尔分率)的饱和蒸汽，回流比为 4，塔顶馏出液中苯的回收率为 0.97 ，塔釜采出液中甲苯的回收率为 0.95,求：(1)塔顶馏出液及塔釜采出液的组成； (2)精馏段及提馏段操作线方程； ( 3)回流比与最小回流比的比值。4)全回流操作时,塔顶第一块板的气相莫弗里板效率为0.6 ,全凝器凝液组成为 0.98 ，求由塔顶第二块板上升的汽相组成。解：(1) D - X = 0.97 - F - x F , W - (1 x W =

9、F - (1 x f ) X 0.95 ,D+W = F = 150D - x D + W x w = F - x F =150X 0.4 = 60W=87.3 kmol/h D=62.7 kmol/h xD=92.8%x W= 2.06%(2) 精馏段操作线方程y (n+1) = x n - R / (R+1)+x D (R+1) =0.8x+ 0.1856提馏段操作线方程为y(n+1) = L - x n / VW- x w / Vq=0， V = (R+1)D F， L = DR ，y(n+1) =x n - R- D / (R+1)D F w- xw / (R+1)D F=1.534x

10、 n 0.011(3)q=0 , y e = X F = 0.4 , y = a - x / 1+ a 1)xx e = 0.02125R min = (x Dye) / (ye x e) = (0.9280.4)/(0.40.2125)=2.816R / R min= 4/2.816 =1.42(4) E mv1= (y 1 y2) / (y1* y ) = 0.6y1*= aX X1/ 1+ a 1)x 1全回流时 y2 = X1，y1 = X D = 0.98 y 1*=2.47 y2 / (1+1.47y 2) E mv1= (0.98 y2) / 2.47y2 / (1+1.47y

11、2) y = 0.6y 2=96.93% (mol%)y 2 =78 X 0.9693 / 78 X 0.9693+92 X (1 0.9693) = 96.4% ( 质量 %) 改编: 用板式精馏塔在常压下分离苯-甲苯溶液，塔顶采用全凝器，塔釜用间接蒸汽 加热，平均相对挥发度为2.47。进料为150kmol/h,组成为0.4 （摩尔分率）的饱和蒸汽，已知塔顶馏出液的流量为62.7 kmol/h，塔顶馏出液中苯的回收率 为0.97，回流比为最小回流比的1.42倍，求：（1）塔顶馏出液及塔釜采出 液的组成；（2）塔釜采出液中甲苯的回收率（3）回流比（4）精馏段及提馏段操作线方程;解：(1) D

12、Xd = 0.97F X F， D+W = F = 150D - X D + W- X W = F f=150X 0.4 = 60W=87.3 kmol/h xd=92.8%X w = 2.06%(2) W (1 x V)/ F-(1 x F ) = 0.95 ，(3)q=0 ， y e = X f = 0.4， y = a x / 1+ a 1)xx e = 0.02125R min = (X D ye) / (ye X e) = (0.928 0.4)/(0.4 0.2125)=2.816R / R min= 1.42 R=4(4)精馏段操作线方程 y(n+1)= X n R / (R+1

13、)+x D (R+1) =0.8xn + 0.1856提馏段操作线方程为y(n+1) = L x n / V W- x W / Vq=0，V = (R+1)D F，L = DR，y(n+1)= X n R- D / (R+1)D F W- x w / (R+1)D F=1.534x14.常压连续精馏塔分离二元理想溶液，塔顶上升蒸汽组n 0.011成yi=0.96 （易挥发组分摩尔分率），在分凝器内冷凝蒸汽总量的1/2 （摩尔）作为回流，余下的蒸汽在全凝器内全部yi分凝器全凝器IXD冷凝作塔顶产品，操作条件下，系统平均相对挥发度aX1X0=2.4，求：塔顶产品及回流液的组成；由塔顶第二层理论板上

14、升的蒸汽组成。解：y1=0.96, V=1kmol/h, L=1/2 kmol/h.D=1/2kmol/h, R=1, a =2.4, y0=aX X0/1+( a -1)x 0=2.4x 0/(1+1.4x 0)1 X yi=yo/2+x 0/2y0=2X 0.96-x 0 代入(1) 2 X 0.96-x 0=2.4x0/(1+1.4x 0),Xo=O.944,XD=yo=2.4 X 0.944/(1+1.4 X 0.944)=0.976 X 1=y1/ a -( a -1)y 1=0.96/(2.4-1.4 X 0.96)=0.909, y2=Rx X /(R+1)+x d/(R+1)

15、=0.909/2+0.976/2=0.943 20.原料以饱和液体状态由塔顶加入，F=1kmol/s，xf=0.5 （摩尔分率，下同），塔釜间接蒸汽加热，塔顶无回流，要求Xd=0.65， Xw=0.03，相对挥发度a =2.7， y = (L / V )x W- x W V =(1/0.758)x 0.242 X 0.03/0.758 y =1.32x 0.00958 设顶部平衡 X D=y=a Xf/(1 + ( a 1)xf)=2.7 X 0.5心+1.7 X 0.5)=0.73试求：操作线方程；设计时若理论板数可增至无穷，F、XF和D不变,Xd的最大值是多少?解： F=D+W , 1=D

16、+W , F XF =Dxd+Wx0.5=D X 0.65+WX 0.03 ,D=V =0.758 , W=0.242 , L=F=1 ,Dxd=0.553 F X F 不可能。设底部平衡 Xw=0XD= F X f/D=0.6621.进料组成x f=0.2（摩尔组成，下同），以饱和蒸汽状态自精馏塔底部加入,塔底不再设再沸器，要求xd=0.95，xw=0.11，相对挥发度a =2.7，试求： 操作线方程；设计时若理论板数可增至无穷，且D/F不变，则塔底产品浓度的 最低值为多少?解： F=D+W ,设 F=1 , 1=D+W , F X F =Dxd+Wx 0.2=D X 0.95+WX 0.1

17、1 , D=0.107 , W=0.893 , V=F=1 , L=W=0.893y = L /V- X + D X D / V = 0.893X+ 0.1017 设底部平衡 Xw=XF/( a ( a 1)Xf)=0.0847XD= (F x FWx )/D=1.16不可能设顶部平衡Xd=1 , x w= (F x F D x D )/W=0.104 22.某精馏塔分离A组分和水的混合物（其中A为易挥发组分） ，Xd= 0.95，xw= 0.1，x F = 0.5 （均为摩尔分率），原料在泡点下进入塔的中部。塔顶采用全凝 器，泡点回流，回流比R=1.5，塔底用饱和水蒸汽直接加热，每层塔板气相

18、默夫里板效率E mv=0.5,在本题计算范围内，相平衡关系为y=0.5 x+ 0.5。试求： 从塔顶的第一块实际板下降的液体浓度； 塔顶的采出率D/F。解：（1）； q=1，.饱和水蒸汽用量 W =V= （ R+ 1） D= 2.5D， 全凝器：y 1= x D =0.95Emv= (y 1y 2)/(y 1* y 2) = (0.95 y 2)/( 0.5 x 1 + 0.5 y 2) =0.5 即：0.5 y 2=0.7 0.25 x 1由精馏段操作线方程：（R+1）y 2 =Rx 1 +x D2.5 y 2=1.5 x 1+ 0.95(2)联解（1）、（2）式,得:x 1 = 0.927

19、 y 2 = 0.9365(2) F+ 7 =D+ WV / =2.5D， F + 2.5D=D+ W即：F + 1.5D=WF x f=Dxd+ Ww（4） 式（3）代入式（4），消去 WD/F= (Xf xw) / (Xd+ 1.5x W = (0.5 0.1 )/( 0.95 + 1.5 X 0.1 ) =0.3641. 当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍，则与 之平衡的气相浓度（或分压）（A） y增大一倍；（B） P 增大一倍；（C） y 减小一倍； （D） P减小一倍。解:体系服从亨利定律，贝U: y*=E/P -x，现已知P增大一倍，即P =2P, xE不

20、变,则y =y/2，分压R =P y* =以，二平衡气相浓度y减小一倍, 分压不变，故选择（C）。2. 在总压P=500 KN/m、温度t=27 C下使含CQ 3.0% （体积% 的气体与含 CO370g/m3的水相接触，试判断是发生吸收还是解吸？并计算以 CQ的分压差表示 的传质总推动力。已知：在操作条件下，亨利系数 E=1.73 X105 KN/m2。水溶液3的密度可取1000kg/m，CO的分子量为44。解：气相主体中CO的分压为P=500x 0.03=15 KN/m2; 与溶液成平衡的 CO分压为：P*=Ex ;对于稀溶液：C=1000/18=55.6 kmol/m3 , CQ 的摩尔

21、数 n=370/(1000 x 44)=0.00841 ; x n/c=0.00841/55.6=1.513 x 10-4 ； a P*=1.73 x 105x 1.513 x 10-4=26.16KN/ni; p* P;于是发生脱吸作用。以分压差表示的传质推动力为 P=P*-P =11.16 KN/m 23. 总压 100kPa, 30r时用水吸收氨，已知 kG=3.84 x 10-6kmol/ (m s - kPa), kL=1.83 x 10-4m/s，且知 x=0.05 时与之平衡的 p*=6.7 kPa。求：ky、kx、 (液 相总浓度C按纯水计)解：ky= PkG=100x 3.8

22、4 x 10-6 =3.84 x 10-4kmol/m2 s ,kx=Ck=55.6 x 1.83 x 10-4 = 1.02 x 10-2 kmol/m 2 s, m=E/P, E=p*/x , m=p*/P- x=6.7/(100 x 0.05)=1.341/Ky=1/k y+m/k=1/(3.84 x 10-4)+m/(1.02 x 10-2) =2604+131.4=2735.442Ky=3.656 x 10 kmol/m s( A y);5.在20r和760mmHg用清水逆流吸收空气混合气中的氨。混合气中氨的分 压为10mmHg经吸收后氨的分压下降到0.051 mmHg。混合气体的处

23、理量为1020kg/h ,其平均分子量为28.8,操作条件下的平衡关系为y=0.755x。若吸收剂用量是最小用量的5倍，求吸收剂的用量和气相总传质单元数。解： y1=p1/P=10/760=0.01316 y 2=p2/P=0.051/760=6.71 x 10-5L/G=5(L/G) min=5(y1-y 2)/(y 1/m)=5(0.01316-6.71*10 -5)/(0.01316/0.755)=3.756G=1020/28.8=35.42kmol/hL=3.756G=133kmol/h S=m/（L/G）=0.755/3.756=0.201 Nog=1/（1 S）ln（1 S）Y1/

24、Y2+S=6.33。7.用填料塔从混合气体中吸收所含的苯。混合气体中含苯5%（体积%,其余为 空气,要求苯的回收率为90%（以摩尔比表示），25r，常压操作，入塔混合气体 为每小时940标准m 3，入塔吸收剂为纯煤油，煤油的用量为最小用量的 1.5 倍，已知该系统的平衡关系 丫=0.14X （摩尔比），已知气相体积传质系数KYa=0.035kmol/m 3.S，纯煤油的平均分子量 Ms =170,塔径0.6 m。试求：（1） 吸收剂的耗用量为多少Kg/h ?（2 ）溶液出塔浓度X1为多少？ （3）填料层 高度Z为多少m ?解：n =90%, y1=0.05 , 丫仁yW(1-y1)=0.05心

25、-0.05)=0.05263Y2=Y1(1-n )=0.005266 ；G=940/22.4=41.96kmol/h ；GB =G(1-y1)=41.96(1-0.05)=39.87kmol/h ；(Ls/G B)min=(Y1-Y2)/(Y1/m)=(0.05263-0.00526)/(0.05263/0.14)=0.126Ls=1.5Lsmin=1.5 x 0.126 x 39.87=7.536kmol/h=7.536 x 170Kg/h=1281Kg/h;X1=(Y1-Y2)/ (1.5(Ls/G B)min) =(0.05263-0.00526)/(1.5 x0.126)=0.251

26、；x1=X1/(1+X1)=0.2006; H o=G/( K YaQ )=(39.87/3600)/(0.035 x 0.785 x0.6)=1.12m ;Nog=(Y1-Y2)/ A Ym Y1=Y1-Y1*=0.05263-0.14 x 0.251=0.01749Y2=Y2-Y2*=0.00526Ym=(0.01749-0.00526)/ln(0.01749/0.00526)=0.01018N0=(0.05263-0.00526)/0.01018=4.65 ;Z =Ho/N og=1.12 x 4.65=5.2 m8.在常压逆流操作的填料塔内，用纯溶剂S吸收混合气体中的可溶组分A。入塔气

27、体中A的摩尔分率 y1 = 0.03，要求其收率 A = 95%。操作条件下 mV/L=0.8 ( m可取作常数)，平衡关系为 丫 = mX,与入塔气体成平衡的液相浓度X1 =0.03。试计算:1)操作液气比为最小液气比的倍数；(2)吸收液的浓度 X1； (3)完成上述分离任务所需的气相总传质单元数NOG。解：(1)Yi= 3/97 = 0.03093 ,X2= 0,丫2=M(1 a) =0.03093 x (1 0.95)=0.00155由最小溶剂用量公式(L / G) min = (Y1 Y) / (Y/m X2) = m- (0.031 0.00155)/0.031= 0.95m已知 m

28、G / L = 0.8则 L / G = (1 / 0.8 ) m = 1.25m (L/G) /(L/G)min =1.25/0.95=1.316m = Y1/ X 1 = 0.03093/0.03=1.031(2)由物料衡算式得：X1= (Y 2Y1)/(L/G) = (0.03093-0.00155)/ (1.25x 1.031) = 0.0228(3)N OG=1/ (1-mG/L) x In(1-mG/L) - (Yl mX)/(Y 2 mQ+mG/L=1/ (1-0.8)x In(1-0.8)- Y1/(0.05Y1)+0.8 = 7.8410.用清水吸收氨空气混合气中的氨。混合气

29、进塔时氨的浓度y1=0.01 (摩尔比)，吸收率90%气液平衡关系y=0.9x。试求：(1)溶液最大出口浓度；最小液气比； （3） 取吸收剂用量为最小吸收剂用量的 2 倍时，传质单元数为多 少？（4）传质单元高度为0.5m时，填料层高为几米？解：已知 y1=0.01， n =90% ， y 2=y1(1 n )=0.01(1 0.9)=0.001， x2=0， x1*=y1/0.9=0.01/0.9=0.0111(L/V)min=(y 1y2)/(x 1* x2)=(0.01-0.001)/0.0111=0.811L/V=2(L/V)min=2 X 0.811=1.62x1=(y1y2)/(L

30、/V)+x 2=(0.010.001)/1.62=0.00556 ， y2*=0， y1*=0.9X0.00556=0.005 ，A ym =(0.01 0.005) (0.001 0) /In(0.01 0.005)/0.001=0.0025Z =0.5 X 3.6=1.8 m。NoG=(y1 y2)/ A ym =(0.01 0.001)/0.0025 =3.6 11.在填料层高为8m的填料塔中，用纯溶剂逆流吸收空气一 HbS混合气中的HbS 以净化空气。已知入塔气中含 H2S 2.8%（体积%），要求回收率为 95% ，塔在 1 atm、 15C下操作,此时平衡关系为y=2x，出塔溶液中

31、含HS为0.0126 （摩尔分率）， 混合气体通过塔截面的摩尔流率为 100kmol/ （mh）。试求：单位塔截面上 吸收剂用量和出塔溶液的饱和度；气相总传质单元数；气相体积总传质系 数。注：计算中可用摩尔分率代替摩尔比。解 y 1=0.028 ，y2=y1(1 n )=0.028(1 0.95)=0.0014，L=(y 1 y2)/x 1XG=(0.0280.0014)/0.0126 X100=211 kmol/m2h x1max=x1*= y1/m=0.028/2=0.014 ， x1/x1*=0.0126/0.014=90% A y1=y1 mx=0.028 2X 0.0126=0.00

32、28 ， A y2=y2=0.0014 ，A ym=(0.0028 0.0014)/In (0.0028/0.0014)=0.00202NOG=(y1y2)/ A ym=13.2 Z=G/KaX Ndg K ya=G/ZX Ndg=100/8 X 13.2=165 kmol/m 3h。13. 有一填料层高度为 3m 的逆流操作的吸收塔，操作压强为 1 atm ，温度为 23C，用清水吸收空气中的氨气，混合气体流率为 18kmol/m2.h，其中含氨6%（体积%，吸收率为99%,清水的流率为43kmol/m2.h，平衡关系为y=0.9x，气 相体积总传质系数KGa与气相质量流率的0.8次方成正比

33、，而受液体质量流率的 影响甚小。试估算在塔径、回收率及其他操作条件不变，而气体流率增加一倍 时，所需填料层高度有何变化？解： L/G=43/18=2.39 ， S=m/(L/G)=0.9/2.39=0.377， y1=0.06 ，y2=yi(1 n )=0.06(1 0.99)=0.0006, Nog=1/(1 S)ln(1 S)Yi/Y2+S=6.64HOG=h/N OG=3/6.64=0.451当 GT倍，G =2G=36kmol/mh S =2S=0.754NOG =1/(1 S )ln(1 S )Y1/Y2+S =13.1,Hog =(G /G)0.2 X HoG=0.518Z =13

34、.1 X 0.518=6.79 m二填料层高度应增加3.79 米。14.有一填料层为3m的逆流吸收塔，操作压强为1atm，温度为36kmol/m2 h,其中含氨6%（体20C,用清水吸收空气中的氨，混合气体流率为积%,吸收率为99%清水流率为86kmol/m2 h,平衡关系为y=0.75x，气相总传质系数Ksa与气相质量流率的0.8次方成正比，而受液相质量流率的影响甚小。试估算在塔径、回收率及其他操作条件不变，液体流率增加一倍时，所需填料层高度有何变化？解： L/G = 86/36 = 2.39S = m/(L/G) = 0.75/2.39 = 0.314y1=0.06, y 2 = y 1(1n ) =0.06 X(10.99) = 0.0006Ndg=1/(1 S) ln(1 S ) (y1 沖(y 2 y2*) + S = 6.17HOG= h / N OG= 3 / 6.17 = 0.486m当 LT 一倍丄=2L , s = m / (L/G) = s / 2 = 0.157NdG = 1 / (1 S ) ln (1 S ) (y 1 y2*)/ (y2 y2*) + S = 5.26由于气相总传质系数受L的影响很小,G不变,所以Hog- HogZ = N OGX HOG = 5.26X0.486 =