化工分离工程习题答案

分离工程习题第一章1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。答:属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取(双溶剂、吸收、吸附。5.海水的渗透压由下式近似计算:π=RTC/M,式中C为溶解盐的浓度,g/cm3;M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035g/cm3的海水中制取纯水,M=31.5,操作温度为298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa?答:渗透压π=RTC/M=8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa。9.假定有一绝热平衡闪蒸过程,所有变量表示在所附简图中。求:(1总变更量数Nv;(2有关变更量的独立方程数Nc;(3设计变量数Ni;(4固定和可调设计变量数Nx,Na;(5对典型的绝热闪蒸过程,你将推荐规定哪些变量?思路1:3股物流均视为单相物流,总变量数Nv=3(C+2=3c+6独立方程数Nc物料衡算式C个热量衡算式1个相平衡组成关系式C个1个平衡温度等式1个平衡压力等式共2C+3个故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3=C+3固定设计变量Nx=C+2,加上节流后的压力,共C+3个可调设计变量Na=0解:(1Nv=3(c+2V-2FziTFPFV,yi,Tv,PvL,xi,TL,PL习题5附图(2Nc物c能1相c内在(P,T2Nc=2c+3(3Ni=Nv–Nc=c+3(4Nxu=(c+2+1=c+3(5Nau=c+3–(c+3=0思路2:输出的两股物流看成是相平衡物流,所以总变量数Nv=2(C+2独立方程数Nc:物料衡算式C个,热量衡算式1个,共C+1个设计变量数Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1=C+3固定设计变量Nx:有C+2个加上节流后的压力共C+3个可调设计变量Na:有011.满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图,求:(1设计变更量数是多少?(2如果有,请指出哪些附加变量需要规定?解:Nxu进料c+2压力9c+11=7+11=18Nau串级单元1传热1合计2NVU=Nxu+Nau=20附加变量:总理论板数。16.采用单个精馏塔分离一个三组分混合物为三个产品(见附图,试问图中所注设计变量能否使问题有唯一解?如果不,你认为还应规定哪个(些设计变量?解:NXU进料c+2压力40+1+1c+44=47Nau3+1+1+2=7Nvu=54设计变量:回流比,馏出液流率。进料,227K,2068kPa组分N2C1C2C3C4C5C6塔顶产物塔底产物92习题6附图第二章4.一液体混合物的组成为:苯0.50;甲苯0.25;对二甲苯0.25(摩尔分率。分别用平衡常数法和相对挥发度法计算该物系在100kPa式的平衡温度和汽相组成。假设为完全理想系。解1:(1平衡常数法:设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,表明所设温度偏高。由题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'=重复上述步骤: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在温度为367.78K时,存在与之平衡的汽相,组成为:苯0.7765、甲苯0.1511、对二甲苯0.066675。(2用相对挥发度法:设温度为368K,取对二甲苯为相对组分。计算相对挥发度的:5.80713=α;2.35323=α;000.133=α组分i苯(1甲苯(2对二甲苯(3∑ix0.500.250.251.000ijα5.8072.3531.000iijxα2.90350.58830.25003.7418∑⋅⋅iijiijxxαα0.77600.15720.06681.0000解2:(1平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95℃∴PaPs5110569.1⨯=∴PaPs4210358.6⨯=∴PaPs4310702.2⨯=511=⨯==PPKs;6358.022==PPKs2702.033==PPKs选苯为参考组分: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相对挥发度法设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故泡点温度为95℃,且776.074.35.0807.51=⨯=y;y;067.074.325.013=⨯=y11.组成为60%(mol苯,25%甲苯和15%对二甲苯的100kmol液体混合物,在101.3kPa和100℃下闪蒸。试计算液体和气体产物的量和组成。假设该物系为理想溶液。用安托尼方程计算蒸气压。解:在373K下315.1791=77.11=K729.02=K315.03=K计算混合组分的泡点TBTB=364.076K计算混合组分的露点TDTD=377.83K65(((∑=-ψ+-=ψ040443.011111iiiKKzf((([]∑-=-ψ+--=ψ414.01112121'iiiKKzf((7477.01'112=ψψ-ψ=ψff(00024.02≈-=ψf此时: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.用图中所示系统冷却反应器出来的物料,并从较重烃中分离轻质气体。计算离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。从反应器出来的物料温度811K,组成如下表。闪蒸罐操作条件下各组分的K值:氢-80;甲烷-10;苯-0.01;甲苯-0.004解:以氢为1,甲烷为2,苯为3,甲苯为4。总进料量为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试差可得:Ψ=0.87,由式(2-68计算得:y1=0.4988,y2=0.4924,y3=0.008,y4=0.0008;V=400.2mol/h。组分流率,mol/h氢200甲烷200苯50甲苯10⑴求泡点和露点温度⑵将此混合物在101.3kPa下进行闪蒸,使进料的50%汽化。求闪蒸温度,两相的组成。解:⑴因为各组分都是烷烃,所以汽、液相均可看成理想溶液,KI只取决于温度和压力,可使用烃类的P-T-K图。泡点温度计算得:TB=86℃。露点温度计算得:TD=100℃。⑵由式(2-76求T的初值为93℃,查图求KI组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所以闪蒸温度为93℃。由式(2-77、(2-68计算得: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。试确定共沸温度和共沸组成。安托尼方程(SP:Pa;T:K则由⎥⎦2121221ln((GxxGGxxGxττγ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯+⨯-+⨯--21122122212⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=2212121212121221212212ln((GxxGGxxGxττγ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⨯-++-⨯21121121.0104131.0((xxx1lnγ-2lnγ=SSPP2=0.1755求得1x=0.321γ=1.20922γ=0.8971222111γγγSSiSiiPxPxPx+=∑设T为60℃则SP1=95721.9SP2=84599.9设T为56℃SP1=83815.2SP2=71759.31lnγ-2lnγ=SSPP21ln=3.717592.83815ln=0.1553当1lnγ-2lnγ=0.1553时求得1x=0.301γ=1.10992γ=0.9500222111γγγSSiSiiPxPxPx+=∑14.某1、2两组分构成二元系,活度系数方程为221lnAx=γ,212lnAx=γ,端值常数与温度的关系:A=1.7884-4.25⨯10-3T(T,K蒸汽压方程为TPS40500826.16ln1-=TPS40503526.16ln2-=(P:kPa:T:K假设汽相是理想气体,试问99.75Kpa时①系统是否形成共沸物?②共沸温度是多少?解:设T为350K则A=1.7884-4.25⨯10-3⨯350=1.7884-1.4875=0.300935040500826.16ln1-=SP;∴SP1=91.0284kPa35040503526.16ln2-=SP;SP2=119.2439kPa因为在恒沸点由1221112==SSPPγγα得SSPP1221=γγ∴((1212221212121lnlnlnlnxAxxAPPSS-=-=-==γγγγ.91lnx-=解得:1x=0.94872x=0.0513∴2P=∑S设T为340K则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设T为352K则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说明系统形成共沸物,其共沸温度为352K。判断31.16738.7513.9912==SSPP,而1γ=1.313,2γ=1.002∴2121γγ>>SSPP,且SSPPP21,>,∴故形成最低沸点恒沸物,恒沸物温度为344.5K。∴∴∴第四章∴1.某原料气组成如下:组分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12n-C6H14y0(摩尔分率0.7650.0450.0350.0250.0450.0150.0250.045先拟用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔吸收塔中进行吸收,平均吸收温度为38℃,压力为1.013Mpa,如果要求将i-C4H10回收90%。试求:(1为完成此吸收任务所需的最小液气比。(2操作液气比为组小液气比的1.1倍时,为完成此吸收任务所需理论板数。(3各组分的吸收分率和离塔尾气的组成。(4求塔底的吸收液量解:(1最小液气比的计算:关关(AKVL⋅=min=0.56⨯0.85=0.476(2理论板数的计算:操作液气比min2.1(VLVL==1.2⨯0.476=0.571202.156.05712.0===关关关VKLA32.5102((AANϕϕ(3尾气的数量和组成计算:非关键组分的iiVKLA=吸收率111--=++NiNiiAAAϕ被吸收的量为iNvϕ⋅+1,塔顶尾气数量iiNvv=-⋅+1(1ϕ塔顶组成Vvyii=1按上述各式计算,将结果列于下表组分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合计100.0---19.81080.190(4塔底的吸收量NL联立求解得NL=61.33Kmol/h.0L=41.70Kmol/h解2:由题意知,i-C4H10为关键组分由P=1.013Mpa,t平=38℃查得K关=0.56(P-T-K图(1在最小液气比下N=∞,A关=中关=0.9关关(AKVL⋅=min