化工原理答案

第六章蒸馏1１、在连续精馏操作中,已知精馏段操作线方程及q线方程分别为y＝０、8ｘ＋0、19;ｙ=-0、５ｘ＋0、６７5，试求:(１）进料热状况参数q及原料液组成ｘＦ；(2）精馏段与提馏段两操作线交点坐标。解:由ｑ线方程y=-0、5x+0、6７5知故q＝1／３又故ｘF=0、6７5(1-q）=0、675×（１-1／3)=0、45因为精馏段操作线与提馏段操作线交点也就是精馏段操作线与q线得交点,所以yq＝-0、5xq＋0、675yq＝０、８xq+0、１8联立求解xｑ=0、３73ｙｑ=０、4891２、用逐板计算习题10中泡点进料时精馏段所需理论板层数。在该组成范围内平衡关系可近似表达为y＝０、4６x+0、545解:由习题1０知xF=0、４、xD=０、95、Ｒ=2、6设塔顶为全凝器，故ｙ１=ｘＤ=０、95由平衡关系y1=0、４６x1+0、５4５=0、95得ｘ1=0、88由精馏段操作线方程得y2=0、72×0、88+0、２6=0、８9又０、４6x2+0、５45＝０、８9得x２=0、75同理ｙ3=0、７2×0、7５+０、２６＝0、８0又0、4６x3+0、54５=0、80得ｘ3=0、５5y3=0、72×0、５5＋0、26=0、66又0、４６x4+０、54５=0、66得x4=０、25＜xF∴精馏段理论板层数为3层,第四层为进料板。1３、在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液。若原料为饱与液体,其中含苯0、5(摩尔分数,下同）,塔顶馏出液组成为0、９5,釜液组成为0、０6,操作回流比为2、6。试求理论板层数与进料板位置。平衡数据见例6-２表。解：用图解法求NT在ｙ－x相图上找出xW=0、06、xＦ=0、５0、xD=0、95，对应点为c、e、a。由回流比R=２、6得精馏段操作线截距在图中确定ｂ点,并连接ａｂ为精馏段操作线。已知原料为饱与液体,故ｑ=1,q线为ｅ点出发得一条垂直线,与精馏段操作线交于ｄ点,连接ｃd为提馏段操作线。绘阶梯数为９,故NT=８(不包括再沸器)。由图可知第五块为进料板。习题6－13附图习题6－13附图习题6－14附图习题6－14附图14、在常压下用连续精馏塔分离甲醇－水溶液。已知原料液中甲醇含量为０、35（摩尔分数,下同）馏出液及釜液组成分别为０、95与0、０5,泡点进料,塔顶为全凝器，塔釜为间接蒸汽加热,操作回流比为最小回流比得２倍。求(1)理论板层数及进料板位置;(２)从塔顶向下第二块理论板上升得蒸汽组成。平衡数据见习题１０。解：(1）根据第１0题得平衡数据作出y-x图，由图中可知q线与平衡线交点坐标为xq＝０、３５、yｑ=0、70由式(6－36)得R＝2Rmin=2×０、71＝1、４2由精馏段操作线截距与a点连接，作出精馏段操作线aｂ。ab与ｑ线交于d,连接cd即为提馏段操作线。绘出阶梯数为8,故理论板层数为8(包括再沸器),进料板为第6块（2）图中查得从塔顶第二块板上升得蒸汽组成为0、９3。15、用简捷法求算习题１3中连续精馏塔所需得理论板层数。解：由习题13图中读得q线与平衡线交点坐标为xｑ=0、５0yｑ=０、71由式(６－３６）得吉利兰图中横坐标由吉利兰图中读得纵坐标由例6－2知αm=2、４6由式（6－34ａ)所以解之ＮT＝８(不包括再沸器)与习题１３结果一致。16、一常压操作得连续精馏塔中分离某理想溶液,原料液组成为0、4,馏出液组成为0、９5(均为轻组分得摩尔分数),操作条件下,物系得相对挥发度α＝２、0,若操作回流比R=1、5Rmiｎ,进料热状况参数q=1、5,塔顶为全凝器,试计算塔顶向下第二块理论板上升得气相组成与下降液体得组成。解:由相平衡方程式①由q线方程②式①②联立求解,得到交点坐标xq＝０、484、yq=0、652由式(6-3６）得Ｒ=1、5Rmｉn=1、５×1、7７＝２、6６精馏段操作线方程为用逐板计算法:因塔顶为全凝器，则y1=xＤ=0、９５由平衡线方程得ｘ1=０、９05由精馏段操作线方程由相平衡方程得x２=0、８５1７、用常压连续精馏塔分离苯－甲苯混合液。已知原料液流量１０0ｋmoｌ/ｈ，组成为0、4０,馏出液及釜液组成分别为0、95与0、03（均为摩尔分数),进料温度为40℃,塔顶全凝器,泡点回流,Ｒ=3、0，塔釜为间接蒸汽加热,加热蒸气压力为３００kPａ（绝压),若忽略热损失,试求：(1)加热蒸汽用量；(２)冷却水用量(设冷却水进出口温差为15解:由全塔物料衡算查得ｘF=0、4０时，泡点温度ｔｓ=96℃,而进料温度tＦ＝40查tｓ=9６℃rA=３8９、4KJ/kgrB=376、8KＪ/kg则ｒm=0、4×38９、４×78+0、6×376、8×92=3２950kＪ/ｋｍｏｌ查℃下ＣPA=CPB=1、88kJ/(kｇ、℃)则ＣPm＝0、４×1、８8×７８＋0、6×1、88×92=162、4kJ／(kｍoｌ、℃)所以精馏段上升蒸汽量V=（R+1)D=(3＋1)×40、22=16０、8８kmｏl/h提馏段上升蒸汽量Ｖ‘＝V＋（q-１)F=1６0、88+(1、２8-1)×10０＝188、88kｍｏl／h塔釜与塔顶分别按纯甲苯与苯计算:(1）查xw=0、０3时ts‘＝10９.3℃,对应得汽化潜热rB=３８0k则QB=V‘ｒB=188、88×380×9２=6、６×１06ｋJ／h又查3０0kPa（绝压)下饱与水蒸气得汽化潜热r=２168、1kＪ/kg，则塔釜加热蒸汽消耗量(2)查xD=０、9５时,ts‘’＝81.2℃,对应得汽化潜热ｒc=４00ｋ则Ｑｃ＝Vｒc＝160、８8×４00×78＝5、０2×10６kＪ/h冷却水消耗量18、在连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液。在全回流条件下测得相邻板上得液相组成分别为０、28、0、41与０、5７,试求三层板中较低两层板得液相单板效率。操作条件下苯－甲苯混合液得平均相对挥发度可取2、５。解:已知ｘ1=0、５7、ｘ2=0、41、ｘ3＝0、28又全回流时操作线方程为y2＝x1、y３＝x２、y４=x3故y2=0、5７、y3=０、41、ｙ4＝0、２8由相平衡方程式得到由式(6-46)19、试计算习题1４中精馏塔得塔径与有效高度。已知条件如下:（１）进料量为１00kｍoｌ/h;(２)塔釜压力为１1４kPa，对应温度为10２℃，塔顶为常压,温度为66.2（3)全塔效率55%,空塔气速为0.84m/s,板间距为０．35ｍ。解：由习题14得知xＦ＝0、３5、xＤ=0、95、xＷ=０、05,泡点进料,R=1、42由全塔物料衡算F=D＋Ｗ1０0＝D+WＦxF=DxＤ+ＷxW1０0×0、３5＝0、95Ｄ+0、05W解之D=３3、3ｋmol/ｈＶ=V‘=（Ｒ＋1)D=(1、42+1)×33、3=80、5９kmｏl／h因全塔平均温度为℃所以平均操作压力为圆整为1000ｍm由于习题14已求出ＮT=7所以ＮP=NＴ／E=7/0、55=１2、7≈13Z=(ＮP-1)HＴ=(13-1)×０、３5=4.2m20、试计算习题19中冷凝器得热负荷、冷却水得消耗量以及再沸器得热负荷、加热蒸汽得消耗量。已知条件如下：(1)忽略冷凝器热损失,冷却水得进出口温度分别为25℃与35(2)加热蒸汽得压力为2３2、2kＰａ,冷凝液在饱与温度下排出,再沸器得热损失为有效传热量得12％。解:塔顶可近似按纯甲醇计算,则查塔顶６6.2℃下,rA＝11３0k由式（6－38)QC=VrA=８0、59×1130×3２=2、91×106kＪ／h塔釜可近似按水计算,则查塔釜102℃下,ｒＢ＝２252k由式（６-40）ＱB=Ｖ‘rB+QＬ=80、5９×18×２2５２×1、12=3、66×10６kJ／ｈ查加热蒸汽23２、2kPa下，汽化潜热为2191、8ｋJ/kｇ，则习题6－21附图习题6－21附图21、在连续精馏塔中分离二硫化碳-四氯化碳混合液。原料液在泡点下进入塔内,其流量为4000kｇ/h、组成为0、３(摩尔分数,下同）。馏出液组成为0、9５,釜液组成为0、０２5。操作回流比取最小回流比得1、５倍,操作压强为常压,全塔操作平均温度为61℃,空塔气速为0．８m/s，塔板间距为0.４ｍ解:(１)由y－ｘ相图中q线与平衡线得交点坐标为xｑ＝ｘF=0、３,ｙq=0、５４则R=1、５Rmin＝1、５×1、７1=２、57所以精馏段操作线得截距在图中作出精馏段操作线与提馏段操作线，见附图。得出ＮT=1２－1=11块ＮP=NT/E=11/０、5=22块(2)解法一:因ＭF=0、3×７6+0、7×1５4=13０.6kｇ/kmolF=40０0／130、６＝30、６3kｍol／h由全塔物料衡算Ｆ=Ｄ+W30、63＝D+WFｘF＝DｘD+WｘＷ30、63×０、３＝0、95D+0、025W解之D=9、11kｍol／hＷ=21、52ｋmｏl/h又MD=0、95×76+0、05×154=79.9kg／kmolMW=0、0２5×76＋0、９7５×154=152．0５ｋｇ／ｋmol所以D=9、11×７9、9=７2７．8９kg/ｈW=21、52×152、０5=327２.12kg/h解法二:各部分组成以质量分数表示F=D+W４000=Ｄ+WFwF=ＤｗD+４０000×0、175=0、90４D＋0、012５W解之D＝729kｇ/hW＝327１kg/ｈ(3)因为泡点进料,故q=1Ｖ‘＝VV＝(R+１)Ｄ＝(2、57+1)×９、１1=3２、５２kmoｌ/ｈ由式(６-49)m圆整为700mｍ。(4)由式(6-47）Ｚ=(NP－１)ＨT＝（２2-1)×０、4=8.4m22、求习题2１中冷凝器得热负荷与冷却水得消耗量以及再沸器得热负荷与加热蒸气得消耗量。假设热损失可以忽略。已知条件如下：(1)塔内各处得操作温度为:进料62℃、塔顶47℃、塔釜75℃（２)加热蒸气表压强为１00kPａ,冷凝水在饱与温度下排出。(3)冷却水进出口温度分别为２５℃与３0解:（1)塔顶近似按CS2,因塔顶泡点温度ts=47℃,而回流液与馏出液温度tL=40℃,查4７℃47+４0/２＝43.5℃下CPAQc＝（R+1）D[rＡ＋ＣPＡ(ts－tＬ)］=（2、５7+1)×72７、89×[0、98×(47－40)+350]=9、3×105kJ／h（2）塔釜可近似按ＣCl4,查７５℃下rB=195kJ/kg又V‘＝ＱB=V‘rB=（2、57+1)×7２7、89×19５=5、07×１0５ｋJ/h查饱与水蒸气10１、33+100=２01、3３kPa(绝压)下，r=2205kJ／kg

第七章干燥1、常压下湿空气得温度为７0解:查得7０℃水汽分压湿度湿比容比热焓2、已知湿空气得(干球)温度为50℃，湿度为0．02kg(1)总压为1０1、３kPa;(2）总压为26、7kPa。解:(1)时:由查得５０℃饱与湿度：（2)时:由此可知,当操作压力下降时,，HS,可吸收更多得水分,即减压对干燥有利。3.在h－H图上确定本题附表中空格内得数值。干球温度ｔ℃湿球温度tｗ℃露点温度td℃湿度Ｈkg／kg干气相对湿度％焓hkJ／kg干气水汽分压pvkPa1(30)（２0)150、0１１４０６01、92(4０）25(２0)0、0153080２、２3(50)353０(0、03)23140４、54(５0)37３5、5０、042（５0)6０6、２5(60）３228０、02７30(120)46(７0)454２、50、063２4030（9、５)4、常压下湿空气得温度为3０℃,湿度为0、0２kg水汽/kg干气,计算其相对湿度。若将此湿空气经预热器加热到120℃时,则此时得相对湿度为多少？解:湿空气中水汽分压kPa30℃时水蒸气得饱与蒸汽压pS１20℃时水蒸气得饱与蒸汽压p’Ｓ５、已知在总压１01、3kＰａ下，湿空气得干球温度为30℃,相对湿度为5０％,试求：(1)湿度;(2)露点;(3)焓;(4)将此状态空气加热至120℃所需得热量,已知空气得质量流量为解:（1)查得30℃时水得饱与蒸汽压pS＝4、247水汽分压:湿度(２)露点由，可查得对应得饱与温度为１8ºC,即为露点。(３)焓（４)所需热量(5)湿空气体积6、湿物料从含水量20％(湿基,下同)干燥至10%时,以1kg湿物料为基准除去得水份量,为从含水量２%干燥至1％时得多少倍?解:当湿物料从含水量20%干燥至10%时，相应得干基湿含量分别为kg/kg干料kｇ/kｇ干料绝干物料量kg除去得水分量当湿物料从含水量2％干燥至1%时，相应干基含水量分别为ｋｇ/kg干料kｇ/ｋg干料kg所以即第一种情况下除去得水分量就是第二种情况下得11、２倍。7、在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000ｋg,经干燥后物料得含水量由10%降至2％(均为湿基）。以热空气为干燥介质,初始湿度为0.008ｋｇ水汽／ｋｇ干气,离开干燥器时得湿度为0.05解:(1)干基含水量kg水/kg干料kg水／kｇ干料绝干物料量ｋg干料/h则水分蒸发量kg/ｈ（2）绝干空气消耗量kg/h新鲜空气用量kg/ｈ(3）干燥产品量kg/h或ｋg/h8、温度t０＝20℃、湿度H0＝0．01kg水汽／kg干气得常压新鲜空气在预热器被加热到t１＝75℃后,送入干燥器内干燥某种湿物料。测得空气离开干燥器时温度t２＝40℃、湿度Ｈ2＝0.024kg水汽／ｋg干气。新鲜空气得消耗量为2000kｇ/h。湿物料温度θ1=20℃、含水量ｗ１=2、5％,干燥产品得温度θ2=３5℃、w2＝０、5%(均为湿基）。湿物料平均比热cM=2、89kJ/(kg绝干料·℃)。忽略预热器得热损失,干燥器得热损失为1、３kＷ。试求:(1)蒸发水分量；(2)干燥产品量;(3)干燥系统消耗得总热量；(4)干燥系统得热效率。解:(1）绝干空气量kg干气／ｈ水分蒸发量kg／h(２）干基含水量ｋｇ水/kg干料kg水／kg干料绝干物料量kg干料/h则干燥产品量kｇ／h（3)干燥系统消耗得总热量(5)干燥系统得热效率若忽略湿物料中水分带入系统中得焓,则9、湿度为0.01８kg水汽/ｋg干气得湿空气在预热器中加热到１28℃后进入常压等焓干燥器中,离开干燥器时空气得温度为４9解:进入干燥器前kJ／kg∵等焓∴h1=h２即解得Ｈ2＝０．049９kg水汽其中水汽分压ｋPａ即为露点温度下得饱与蒸汽压,查饱与蒸汽压表,得td=4０20℃60℃90℃IHH0φ=100%AB1C1CB210、用热空气干燥某种湿物料,新鲜空气得温度ｔ０＝２0℃、湿度206090IHH0φ=100%AB1C1CB2(１)在湿空气ｈ-Ｈ图上定性表示出空气经过干燥系统得整个过程；(2)汽化每千克水分所需得新鲜空气量。解:空气状态变化过程如图所示。A:由得也即又得故汽化1kg水所需干空气用量新鲜空气用量１1、常压下干球温度为20℃、湿球温度为1６℃得空气,经过预热器温度升高到50℃后送至干燥器。空气在干燥器中得变化为等焓过程,离开时温度为32℃。求:(1)空气在预热前、预热后以及干燥后得状态参数(湿度及焓);(2）２00m3解:(１)湿空气预热前:由t0=20℃与tＷ0=16℃,由湿度图查得其湿度H0=焓kJ/kｇ干气预热后:t1＝5０℃,湿度不变，即Ｈ１＝0．009kg焓ｋJ／kg干气干燥后:温度为t2=32℃因干燥器中为等焓过程,故kJ/kｇ干气由kJ／kg干气得H2＝0.0１6３(２)原湿空气得比容m3湿气/kg干气绝干空气质量kg干气则在干燥器中获得得水分量kｇ12.常压下,已知２5℃时氧化锌物料得气固两相水分得平衡关系,其中当φ=10０%,Ｘ*=０．02kg水/ｋｇ干料；当φ=40％时,Ｘ*＝0.0０7ｋg水／kg干料。设氧化锌得初始含水量为0.2５kg水／kｇ干料,若与t=2５℃,φ=４0%得恒定状态得空气长时间接触。试求:(1)该物料得平衡含水量与自由水分含量。（２)该物料得结合水分含量与非结合水分含量。解:(1）t＝25℃,φ=４０%时,平衡含水量X＊＝0．007kg水／kｇ干料,自由水分含量X-X*=0、25-０、0０7=0．2４３ｋｇ水／kg干料(２）φ=100%时得平衡含水量即为结合水分含量,即结合水分含量Ｘ*φ=100％=０.０２kg水/ｋg干料，非结合水分含量X-Ｘ＊φ＝1０0％＝0、25-0、02=０.23kg水／kg干料13．用热空气在厢式干燥器中将10kg得湿物料从20%干燥至２%（均为湿基),物料得干燥表面积为0.8m2。已测得恒速阶段得干燥速率为1.8kg／m2∙ｈ，物料得临界含水量为0.08ｋg水／kg干料，平衡含水量为0.004解：绝干物料量kg干基含水量kg水/kg干料kg水/ｋg干料干燥时间14.某湿物料在恒定得空气条件下进行干燥,物料得初始含水量为15%，干燥4小时后含水量降为8%,已知在此条件下物料得平衡含水量为1%,临界含水量为6%(皆为湿基),设降速阶段得干燥曲线为直线,试求将物料继续干燥至含水量2%所需得干燥时间。解：物料初始干基含水量kg水/kg干料干燥4小时,物料得干基含水量ｋｇ水／kg干料物料得平衡含水量（干基)kg水／kg干料物料得临界含水量(干基)kg水/kg干料物料得最终含水量(干基)为kg水/kg干料因X2＞ＸC，故整个4小时全部就是恒速干燥,即解得当ｋg水/kｇ干料时,包含恒速、降速两个阶段。尚需干燥时间

第八章萃取２５℃时醋酸（A)–庚醇-３(B)–水(S）得平衡数据如本题附表所示。醋酸(A)–庚醇-3（Ｂ）–水(S)在25℃下得平衡数据(质量%）醋酸（A)3-庚醇(B)水(S)醋酸(Ａ)3-庚醇（B)水(S)096、4３、64８、512、８３８、７3、593、03、54７、5７、5４5、08、６87、２4、242、7３、753、61９、374、3６、４36、71、9６1、４24、４67、5７、９29、31、169、630、７５8、６10、724、50、97４、641、439、319、319、60、779、745、８26、７2７、51４、9０、６84、546、524、1２９、47、10、５９２、４４7、5２0、432、10、0０、499、6联结线数据(醋酸得质量分数）水层3-庚醇层水层3-庚醇层6、45、338、226、813、７10、642、130、5１9、８14、84４、13２、62６、71９、2４８、13７、933、623、74７、６４4、9(１)在等腰直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线,在直角坐标图上绘出分配曲线。(2)确定由10０ｋg醋酸、１0０kg3-庚醇与２0０kg水组成得混合液得物系点得位置,该混合液就是否处于两相区,若就是则确定两相得量与组成。(3)上述两液层得分配系数ｋA及选择性系数β？(（1)图略，（２)混合点处于两相区,两相组成为：水层(wEＡ=０、27,wＥＢ=0、01,ｗES=０、7２），庚醇层（ｗRＡ＝0、2，wRB=０、74，wRS＝０、06;(３)kＡ=1、3５，β=1０0)解：(１）三角形溶解度曲线及直角坐标分配曲线见附图(２)混合点得组成在附图中定出混合点M(2５,50,２５)，显然该点处于两项区。根据联结线数据与溶解度曲线得交点定出平衡点（R1,Ｅ１)，（R2,E2)……,作出辅助曲线。利用辅助曲线采用试差得方法定出过Ｍ点得联结线ＲE、由图中Ｒ点坐标（2０，6，74)得到萃余相组成wRA=0、2,wRB=０、74,ｗRS=０、0６,由图中E点坐标(２７,72,１)得到萃取相组成wEA=0、27,wEB=0、０1,wES=0、72。根据物料衡算:kｇR=M－Ｅ=400-28５、7=114.３kg(3）MRMRE习题1附图在单级萃取器内,以水为萃取剂从醋酸与氯仿得混合液中萃取醋酸,已知原料液量为800kｇ，其中醋酸得组成为35%(质量分数）、要求使萃取液得浓度降为９6%、试求:(１）所需得水量为多少(2)萃取相E与萃余相Ｒ中醋酸得组成及两相得量;(3）萃取液R得量与组成、操作条件下得平衡数据如下:氯仿层水层醋酸，%水，％醋酸,%水，%0、0００、９90、0０99、166、771、３825、１0