化工原理课后题答案

1、化工原理第二版 第 1 章 蒸馏 1.已知含苯（摩尔分率）的苯-甲苯混合液，若外压为 99kPa，试求该溶液的饱和温度。苯和甲苯的饱和蒸汽压数据见例 1-1 附表。 t（） 85 90 95 100 105 x 解：利用拉乌尔定律计算气液平衡数据 *由，P1-1 附表可的得到不同温度下纯组分苯和甲苯的饱和蒸汽压 P，查例AB 于总压*可得出液相组成，这样就可以得到一-P)/(PP = 99kPa，则由 x = (P-P)BAB 图数据。组绘平衡 t-x = ）/（）以 t = 80.1为例 x =（99-40 同理得到其他温度下液相组成如下表 根据表中数据绘出饱和液体线即泡点线 时，相应的温度

2、为 92由图可得出当 x = = ）的饱和蒸汽压数据列于本题附表，试求 P CH）和正己烷（CH2.正戊烷（145612 下该溶液的平衡数据。 温度 CH125 K CH14 6 (kPa) 饱和蒸汽压 ）的饱和蒸汽压 BA）和 CH（C 解： 根据附表数据得出相同温度下 H145612* P = 时以 t = 248.2时为例，当 t = 248.2B* = 查得 PA 的饱和蒸汽压如下表 BA 得到其他温度下? ) 248 251 279 289 t(*(kPa) PA利用拉乌尔定律计算平衡数据 平衡液相组成 以 260.6时为例 *)-P时 x = (P-P )/(P 当 t= 260.

3、6BAB=（）/（）= 1 平衡气相组成 以 260.6为例 *x/P = 1/ = 1时 y = P 当 t= 260.6A 同理得出其他温度下平衡气液相组成列表如下 t() 279 289 x 1 0 y 1 0 根据平衡数据绘出 t-x-y 曲线 3.利用习题 2 的数据，计算：相对挥发度；在平均相对挥发度下的 x-y 数据，并与习题 2 的结果相比较。 解：计算平均相对挥发度 * 计算出各温度下的相对挥发度 /P： 理想溶液相对挥发度 = PBA t() - - - - - - - - 取 275.1和 279时的 值做平均 = （+）/2 = m按习题 2 的 x 数据计算平衡气相组

4、成 y 的值 当 x = 时， y = 1+= 同理得到其他 y 值列表如下 t() 279 289 x 1 0 y 1 0 曲线和原先的 t-x-y 曲线如图 作出新的 t-x-y 4.在常压下将某原料液组成为（易挥发组分的摩尔）的两组溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为 1/3，试求两种情况下的斧液和馏出液组成。假设在操作范围内气液平衡关系可表示为 y = + 解：简单蒸馏 xdx/(y-x) 以及气液平衡关系 y = + 由 ln(W/F)= xFxdx/ = 汽化率1-q = 1/3 则 q = 2/3 即得 ln(W/F)= W/F = 2/3 xF ln(2/3) = 解得

5、x = 代入平衡关系式 y = + 得 y = 平衡蒸馏 由物料衡算 Fx = Wx + Dy FD + W = F 将 W/F = 2/3 代入得到 x = 2x/3 + y/3 代入平衡关系式得 F x = 再次代入平衡关系式得 y = 5.在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四硫化碳所组成的混合液。已知原料液流量 F 为 4000kg/h，组成 x 为（二硫化碳的质量分率，下同） 。若要求釜液组成x 不WF大于，馏出液回收率为 88。试求馏出液的流量和组分，分别以摩尔流量和摩尔分率表示。 解：馏出回收率 = Dx/Fx = 88 得 馏出液的质量流量 FD Dx = Fx 88 = 4000

6、= 1056kg/h FD 结合物料衡算 Fx = Wx + Dx DWF = 得 xD + W = F D = h 1056/(76馏出液的摩尔流量 x = 76)/76)+154) 以摩尔分率表示馏出液组成D = 试求（均为摩尔分率）的溶液，6.在常压操作的连续精馏塔中分离喊甲醇与说.6）饱和蒸（3（2）泡点进料；q 以下各种进料状况下的值。 （1）进料温度 40； 汽进料。 水溶液的平衡数据列于本题附表中。-常压下甲醇温度 t 液相中甲醇的 气相中甲醇的 温度 t 液相中甲醇的 气相中甲醇的 摩尔分率 摩尔分率 摩尔分率 摩尔分率 100 解：（1）进料温度 40 75.3时，甲醇的汽化

7、潜热 r = 825kJ/kg 1 水蒸汽的汽化潜热 r = kg 257.6时 ，甲醇的比热 C = (kg) V1水蒸汽的比热 C = (kg) V2 查附表给出数据 当 x t = 75.3 时，平衡温度 = A 40进料为冷液体进料 即 将 1mol 进料变成饱和蒸汽所需热量包括两部分 一部分是将 40冷液体变成饱和液体的热量 Q，二是将 75.3饱和液体变1成气体所需要的汽化潜热 Q ，即 q = （Q+Q）/ Q = 1 + （Q/Q） 222112 Q = 32（）= kg 1 Q = 82532 + 18 = kJ/kg 2 q = 1 +（Q/Q）= 21 （2）泡点进料 泡

8、点进料即为饱和液体进料 q = 1 （3）饱和蒸汽进料 q = 0 7.对习题 6 中的溶液，若原料液流量为 100kmol/h，馏出液组成为，釜液组成为（以上均为易挥发组分的摩尔分率） ，回流比为，试求产品的流量，精馏段的下降液体流量和提馏段的上升蒸汽流量。假设塔内气液相均为恒摩尔流。 解： 产品的流量 由物料衡算 Fx = Wx + DxDWF D + W = F 代入数据得 W = kmol/h 产品流量 D = 100 = kmol/h 精馏段的下降液体流量 L L = DR = = kmol/h V提馏段的上升蒸汽流量 40进料 q = = kmol/h（F = D1+R） （ V

9、= V + 1-q） V = kmol/h y = y = + 8.某连续精馏操作中，已知精馏段；提馏段若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液，馏出液和釜残液的组成 及回流比。 解：露点进料 q = 0 即 精馏段 y = + 过（x ，x）x = DDD提馏段 y = 过（x，x）x = WWW 精馏段与 y 轴交于0 ，x/（R+1） 即 x/（R+1）= DD R = 连立精馏段与提馏段操作线得到交点坐标为（ ， ） x = F 9.在常压连续精馏塔中，分离苯和甲苯的混合溶液。若原料为饱和液体，其中含苯（摩尔分率，下同） 。塔顶馏出液组成为，塔底釜残液组成为，回流比为，试求理论板层

10、数和加料板位置。苯-甲苯平衡数据见例 1-1。 解： 常压下苯-甲苯相对挥发度 = 精馏段操作线方程 y = Rx/（R+1）= 2x/3 + 3 = 2x/3 + 精馏段 y = x = 由平衡关系式 y = x/1 +(-1)x 得 1 Dx = 再由精馏段操作线方程 y = 2x/3 + 得 1y = 依次得到 x = y = 322x = y = 43x = x x = x3F 44精馏段需要板层数为 3 块 = x = 提馏段 x 41-W）L -W）- Wx/提馏段操作线方程 y = L（x/（LW 饱和液体进料 q = 1 ）/V = 1 + W/（3D）/ L（L-W）= （L

11、+F + Dx = Wx 由物料平衡 Fx WFD D + W = F 代入数据可得 D = W L+D）= W/3D = 1/3L-W）= 4/3 W/（= W/-W） （L L/（ /3 3 y 即提馏段操作线方程 = 4x y= 2 = x x/1 +(-1)x 得 由平衡关系式 y = 2 = = x 依次可以得到y 33 = = x y 44 = = x y 55 = x x x 45W 提馏段段需要板层数为 4 块 理论板层数为 n = 3 + 4 + 1 = 8 块（包括再沸器） 加料板应位于第三层板和第四层板之间 10.若原料液组成和热状况，分离要求，回流比及气液平衡关系都与习

12、题 9 相同，但回流温度为 20，试求所需理论板层数。已知回流液的泡殿温度为 83，平4kJ/kmol，平均比热为 140 kJ/(kmol)均汽化热为10 解：回流温度改为 20，低于泡点温度，为冷液体进料。即改变了 q 的值 精馏段 不受 q 影响，板层数依然是 3 块 -W）发生了变化 L -W）和 W/ 由于 q 的影响，使得 L/（L（ 提馏段 q = （Q+Q）/ Q = 1 + （Q/Q） 21212Q= CT = 140（83-20）= 8820 kJ/kmol p14kJ/kmol10 Q= 24)= q = 1 + 8820/10-W）L=V + W - F(1-q)/V

13、- F(1-q)L /（ = 3D+W- F(1-q)/3D- F(1-q) D = W，F = 2D 得 -W）= (1+q)/+q)= /（LL-W）= D/3D- F(1-q)= 1/（1+2q）= W/（L 提馏段操作线方程为 y = - = 再由平衡关系式得到 y x= x = 代入操作线方程得241 = yx = 依次计算32 = = yx43 = x = y54 x= 5 = x x x4W 5提馏段板层数为 4 理论板层数为 3 + 4 + 1 = 8 块（包括再沸器） 11.在常压连续精馏塔内分离乙醇-水混合液，原料液为饱和液体，其中含乙醇（摩尔分率，下同） ，馏出液组成不低

14、于，釜液组成为；操作回流比为 2。若于精馏段侧线取料，其摩尔流量为馏出液摩尔流量的 1/2，侧线产品为饱和液体，组成为。试求所需的理论板层数，加料板及侧线取料口的位置。物系平衡数据见例 1-7。 解：如图所示，有两股出料，故全塔可以分为三段，由例 1-7 附表，在 x-y 直角坐标图上绘出平衡线，从 x = 开始，在精馏段操作线与平衡线之间绘出水平线D和铅直线构成梯级，当梯级跨过两操作线交点 d 时，则改在提馏段与平衡线之间绘梯级，直至梯级的铅直线达到或越过点 C(x ，x)。 WW 如图，理论板层数为 10 块（不包括再沸器） 出料口为第 9 层；侧线取料为第 5 层 12.用一连续精馏塔分

15、离由组分 A?B 组成的理想混合液。原料液中含 A ，馏出液中含 A （以上均为摩尔分率） 。已知溶液的平均相对挥发度为，最回流比为，试说明原料液的 热状况，并求出 q 值。 解：在最回流比下，操作线与 q 线交点坐标（x ，y）位于平衡线上；且 q 线过qq（x ，x）可以计算出 q 线斜率即 q/(1-q)，这样就可以得到 q 的值 FF 由式 1-47 R = (x/x)-(1-x)/(1-x)/（-1）代入数据得 qminDqD = x)/(1-x （）)/qq x = 或 x = （舍去） qq即 x = 根据平衡关系式 y = （1 + ） q得到 y = q q 线 y = qx

16、/（q-1）- x/（q-1）过（， ） ， （， ） Fq/（q-1）= （）/（）得 q = 0 q 1 原料液为气液混合物 13.在连续精馏塔中分离某种组成为（易挥发组分的摩尔分率，下同）的两组分理想溶液。原料液于泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器，分凝器向塔内提供回流液，其组成为，全凝器提供组成为的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率 96。若测得塔顶第一层板的液相组成为，试求：（1）操作回流比和最小回流比；（2）若馏出液量为 100kmol/h，则原料液流量为多少 解：（1）在塔顶满足气液平衡关系式 y = x/1 +(-1)x 代入已知数据 = /1 + (-1) = 第一

17、块板的气相组成 y = （1 + ） 1 = （1 + ）= 在塔顶做物料衡算 V = L + D Vy = Lx + Dx D1L（L + D）= 0.88L + L/D = 即回流比为 R = 由式 1-47 R = (x/x)-(1-x)/(1-x)/（-1）泡点进料 x = x FminDDqqq R = min（2）回收率 Dx/Fx = 96得到 FDF = 100（）= kmol/h 15.在连续操作的板式精馏塔中分离苯-甲苯的混合液。在全回流条件下测得相邻板上的液相组 成分别为 ，和，试计算三层中较低的两层的单板效率 E 。 MV 甲苯混合液的平衡数据如下：-操作条件下苯 x

18、y 解：假设测得相邻三层板分别为第 n-1 层，第 n 层，第 n+1 层 即 x = x= x = 根据回流条件 y = xnn-1n+1n n+ 1 y = y = y = n+2nn+1 由表中所给数据 = * = （1+）= 与第 n 层板液相平衡的气相组成 y n* = （1+）= 与第n+1 层板液相平衡的气相组成 y n+1*-y） -y）/（y1-51 E 由式 = （yn+1n+1MVnn*-x） （-x）/y 可得第 n 层板气相单板效率 E = （xnMVnnn-1n = （）/（） = *-x） /（y 层板气相单板效率 E = （x-x）第 nn+1nMVn+1n+1

19、n+1 = （）/（） = 64 第第 2 2 章章 吸收吸收 1.从手册中查得,25时,若 100g 水中含氨 1g,则此溶液上方的氨气平衡分压为。3kPa)及相已知在此浓度范围内溶液服从亨利定律，试求溶解度系数 H kmol/(m 平衡常数 m 解：液相摩尔分数 x = （1/17）/（1/17）+（100/18） = 气相摩尔分数 y = = 由亨利定律 y = mx 得 m = y/x = = -3333 mol/m10= ）/1010101（/）1/17（ C = 液相体积摩尔分数 3kPa)H = C/P = = kmol/(m 由亨利定律 P = C/H 得 6x 表示。式中：P

20、 为氧在气相中的分 P = 1010时，氧气在水中的溶解度可用压 kPa；x 为氧在液相中的摩尔分率。试求在此温度及压强下与空气充分接触的水中每立方米溶有多少克氧。 解：氧在气相中的分压 P = 21 = 63 10 ）= 氧在水中摩尔分率 x = （103-6）= 11.43g 1810 每立方米溶有氧 10（32/ 3某混合气体中含有 2（体积）CO，其余为空气。混合气体的温度为 30，25 kPa10，试求溶在水中的亨利系数 E = 总压强为。从手册中查得 30时CO23kPa) 及相平衡常数 m，并计算每 kmol/(m 解度系数 H 100g 与该气体相平衡的水中溶有多少 gCO 。

21、 253 / = m = E/P = 1010 y = 解：由题意，总 3 = 即 10 y = mx 根据亨利定律得 x = y/m = 每 100g 与该气体相平衡的水中溶有 CO 44100/18 = 0.0132 g 235-43kPa)= 10/18E = 10 /（1010kmol/(m）H = 7.在，27下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气，液两相中的浓度都很3kPa)，气膜吸收系数低，平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数 H = (m k G-52-523)。s kmol/(mkmol/m10 kmol/(mskPa)，液膜吸收系数 k = 10= L试求总吸收系数 K，

22、并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。 G 解：由 1/K = 1/k + 1/Hk 可得总吸收系数 LGG-5-5 ） + 1/（101/K = 1/10G2-5 10kPa) kmol/(ms = KG ）+ k/） （1/ k（）/1/k + 1/Hk= Hk（Hk：气膜阻力所占百分数为 GGLGLL ） + /= （） （ = = 8.在吸收塔内用水吸收混于空气中的甲醇，操作温度为 27，压强。稳定操作3。试根据上 m5kPa，液相中甲醇浓度位状况下塔内某截面上的气相甲醇分压为题有关的数据算出该截面上的吸收速率。 -52skmol/(mkPa) 解：由已知可得 k = 10G 根据亨利

23、定律 P = C/H 得液相平衡分压 * = C/H = = P *-5-52s) 10 )= 10kmol/(m（）= = KN(P-PGA2h) = kmol/(m 9.在逆流操作的吸收塔中，于，25下用清水吸收 混合气中的 CO，将其浓度24kPa。若吸收剂=10 从 2降至（体积） 。该系统符合亨利定律。亨利系数为最小理论用量的倍，试计算操作液气比 L/V 及出口组成 X。 解： Y = 2/98 =， Y = = 2144 10 m = E/P = 10/ = 总* = （Y-Y ）/（Y（-Y ）/XY/m） 由 （L/V）= 112min211 = （）/（545） = L/V

24、= （L/V） = 622 min 由操作线方程 Y = （L/V）X + Y-（L/V）X 得 出口液相组成 22-5 10/622 = （L/V）= （）-Y X = （Y ）/211 改变压强后，亨利系数发生变化，及组分平衡发生变化，导致出口液相组成变化 4-5 1010 m = E/P/10133 = = 总 ） = = （L/V） （L/V min-4 （）= / = 10） （） -Y（ X = Y/L/V21110.根据附图所列双塔吸收的五种流程布置方案，示意绘出与各流程相对应的平衡线和操作线，并用图中边式浓度的符号标明各操作线端点坐标。 40 在下用水吸收混于空气中的中的氨。已

25、知氨的摩尔分率为，混合气体于 11.3/s，空塔气速为 1.2m/s 下进入塔底，体积流量为 0.556m。吸收剂用量为最小用量的倍，氨的吸收率为 95，且已估算出塔内气相体积吸收总系数 Ka 的平均值Y3s). 为( m 水在 20 温度下送入塔顶，由于吸收氨时有溶解热放出，故使氨水温度越近塔底越高。已根据热效应计算出塔内氨水浓度与起慰问度及在该温度下的平衡气相浓度之间的对应数据，列入本题附表中试求塔径及填料塔高度。 氨溶液温度 t/ 氨溶液浓度 气相氨平衡浓度 Xkmol(氨)/kmol(水) *kmol()/kmol() Y 20 0 0 26 29 34 42 47 2u/4 D 解：

26、混合气流量 G = 1/21/2= 0.77 m D = (4G/u)/=(4Y = = 1y = y（1-）= = 12Y = = 2*曲线查得与 Y= 根据附表中的数据绘成不同温度下的 X-Y 相平衡的液1相组成 * X= 1* = （）/ = Y- Y）/ X （L/V）= （11min1（L/V）= (L/V)= min 由操作线方程 Y = (L/V)X + Y 可得 X = (V/L)(Y-Y) 2211= * = Y 由曲线可查得与 X 相平衡的气相组成11 Y=（Y-Y）/ln(Y-Y) 22m11= （ ）/ln（）/ = =（Y-Y）/Y = （）/ m12OG= = =

27、惰性气体流量 G 3/s = 0.5004m3）/（313（ = 10） = mol/s -3)/4) a) = 10H = V/(KYOG-3 m 10 = -3 10 H = 填料层高度 H = OGOG= 7.654m 3（标准）/h，其 SO，气体流量为 5000m12.在吸收塔中用请水吸收混合气体中的2中 SO 占 10，要求 SO 的回收率为 95。气，液逆流接触，在塔的操作条件下，22* = ，试求：在两相间的平衡关系近似为 Y SO2（1） 若取用水量为最小用量的倍，用水量应为多少 （2） 在上述条件下，用图解法求所需理论塔板数； （3） 如仍用（2）中求出的理论板数，而要求回

28、收率从 95提高到 98，用水量应增加到多少 解：（1）y = y（1-）= （）= 12Y = = Y = （）= 21* = （Y-Y）/（/X）-Y（=L/V（）YY ）/121121min= （） = （L/V）=（L/V）= min惰性气体流量： V = 5000 = 用水量 L = = 7684kmol/h （2）吸收操作线方程 Y = （L/V）X + Y 代入已知数据 2 Y = + 在坐标纸中画出操作线和平横线，得到理论板数 N = 块 T 14在一逆流吸收塔中用三乙醇胺水溶液吸收混于气态烃中的 HS，进塔气相中2含 HS（体积）要求吸收率不低于 99，操作温度 300，压强

29、，平衡关系为2* = 2X，进塔液体为新鲜溶剂，出塔液体中 HS 浓度为(HS)/kmol(Y 溶剂) 222s)，气相体积吸收总系数已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为(m3skPa)。求所需填料蹭高度。 为 kmol/(m 解：y = y（1-）= = 12Y = y = Y = （）= 122*）/Y（Y-Y YY = （-Y/ln）-Y211m211 = （）/ln（）/ = =（Y-Y）/Y = （）/ = mOG12 H = V/(Ka) = （） YOG = H = H = = 7.9m OGOG 干燥干燥 3 章 第 ）湿空 140，试求：（1.已知湿空气的总压强为 50

30、kPa，温度为 60相对湿度 ）湿空气的密度）湿度；（3 气中水气的分压；（2 = 时水的饱和蒸汽压 P 解：（1）查得 60S = = 水气分压 P = P S 水气 =（） ）H = P / （P-P（2）水气水气 = 0.118 kg/kg 绝干 0.118kg 水气 3）1kg 绝干气中含（ x = (1/29)/(1/29)+18) = 绝干 x = 18)/(1/29)+18) = 水气 = 18 + 29x + 29 湿空气分子量 M = 18x绝干气水气 0 = 27.249 g/mol3-3 ） （5010333） 湿空气密度 = MP/RT = （10/3 = 0.493

31、kg/m 湿空气 中各数值的并给出序号 4H-I2.利用湿空气的图查出本题附表中空格内的数值， 求解过程 序号 干球温度 湿球温度 湿 度 相对湿度 焓 水气分压 露点 kg/kg 绝干 kg/kg 绝干 kPa 1 60 35 22 140 5 30 2 40 27 40 90 3 25 3 20 18 75 50 2 15 4 30 28 85 95 4 25 3.干球温度为 20，湿度为 0.009 kg/kg 绝干的湿空气通过预热器加热到 50，再送往常压干燥器中，离开干燥器时空气的相对湿度为 80。若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求： 3原湿空气在预热器过程中焓的变化； 1m（1

32、）3原湿空气在干燥器中获得的水分量。1m （2） 解：（1）原湿空气的焓： I = + t + 2490 H 00 = + 20 + 2490 = 43 kJ/kg 绝干 通过预热器后空气的焓 I = + 50 + 2490 1 = kJ/kg 绝干 焓变化 H = I - I = kJ/kg 绝干 01-33）/（29310） （ 空气的密度 = MP/RT = 29103 = 1.21 kg/m3原湿空气焓的变化为 H = = kJ/kg 湿气 1m （2）等焓干燥 I = I = kJ/kg 绝干 21假设从干燥器中出来的空气湿度 t = 26.8，查得此时水蒸汽的饱和蒸汽压 P = k

33、Pa S H = P / （P-P） S2S= kJ/kg 绝干 由 I = = （ + ）t + 2490 H 试差2 22 假设成立 H = kJ/kg 绝干 2 获得水分量 ：H = H - H = = kJ/kg 绝干 02 = = kJ/kg 湿气 4.将 t = 25，= 50的常压新鲜空气，与干燥器排出的 t = 50，= 802002的常压废气混合，两者中绝干气的质量比为 1：3。分别用计算法和做图法求混合气体的湿度和焓。 解：（1）查得 25时和 50时水的饱和蒸汽压分别为 kPa 和 新鲜空气湿度 H = P / （P-P） S0S00 = （） = 0.01027 kg

34、水/kg 绝干 废气湿度 H = P / （P-P） S222S = （） = 0.20142 kg 水/3kg 绝干 混合气湿度 H = （+3）/（1+3） m = 0.0529 kg 水/kg 绝干 混合气温度 t = （25+503）/（1+3）= 43.75 m 混合气焓：I =（ + ）t + 2490 H m mm =（+） + 2490 = kJ/kg 绝干 （2）做图发略 5.干球温度 t = 26，湿球温度 t = 23的新鲜空气，预热到 t= 95后送100入连续逆流干燥器内，离开干燥器时温度为 t= 85。湿物料初始状况为：温度2= 25，含水量 = 11终了时状态为：温度 = 34.5 ， = 。每小时有 9200kg 湿物料加入干22燥器内。绝干物料的比热容 C = kJ/(kg绝干)。干燥器内无输送装置，热S 汽化的水分。试求：580kJ/kg 损失为（1） 单位时间内回的的产品质量； （2） 写出干燥过程的操作线方程； （3