化工分离过程课后答案刘家祺.docx

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化工分离过程课后答案刘家祺

化学工程与工艺教学改革系列参考书

分离过程例题与习题集

叶庆国钟立梅主编

化工学院化学工程教研室

前言

化学工程与工艺专业所在的化学工程与技术一级学科属于山东省“重中之重”学科，一直处于山东省领先地位，而分离工程是该专业二门重要的必修专业

课程之一。

该课程利用物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理等基础

基础知识中有关相平衡热力学、动力学、分子及共聚集状态的微观机理，传热、

传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系分离和提纯技术。

传统的教

学方法的突出的弊端就是手工计算工程量大，而且结果不准确。

同时由于现代化

化学工业日趋集成化、自动化、连续化，学生能学到的东西越来越少。

所以，传

统的教学模式不能满足现代化工业生产对高水平工业工程师的需求，开展分离工

程课程教学方法与教学手段课题的研究与实践，对我们的学生能否承担起现代化学工业的重任，与该课程的教学质量关系重大，因此对该门课程进行教学改革具

有深远意义。

分离工程课程的改革主要包括多媒体辅助教学课件的开发、分离工程例题与

习题集、分离工程试题库的编写等工作。

目前全国各高校化学工程与工艺专业使

用的教材一般均为由化学工程与工艺专业委员会组织编写的化工分离过程（陈洪

钫主编，化学工业出版社），其他类似的教材已出版了十余部。

这些教材有些还未配习题，即便有习题，也无参考答案，而至今没有一本与该课程相关的例题与

习题集的出版。

因此编写这样一本学习参考书，既能发挥我校优势，又符合形势

需要，填补参考书空白，具有良好的应用前景。

分离工程学习指导和习题集与课程内容紧密结合，习题贯穿目前已出版的相关教材，有解题过程和答案，部分题目提供多种解题思路及解题过程，为学生的

课堂以及课后学习提供了有力指导。

编者

2006年3月

第一章绪论.......................................................................................1第二章单级平衡过程........................................................................5第三章多组分精馏和特殊精馏.......................................................18第四章气体吸收..............................................................................23第五章液液萃取..............................................................................26第六章多组分多级分离的严格计算................................................27第七章吸附.....................................................................................33第八章结晶.....................................................................................34第九章膜分离.................................................................................35第十章分离过程与设备的选择与放大............................................36

第一章绪论

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。

2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。

答：

当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，

萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能

量媒介（ESA）方法。

3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别

答：

气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。

气体分离更成熟些，

渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩

散性能的差别而实现分离。

4.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g/cm3的海水中制取

纯水，M=，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＝×298×=。

所以反渗透膜两侧的最小压差应为。

5.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

FTP

习题5附图

V,yi,Tv,Pv

L,x,T,P

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：

（1）Nv=3（c+2）

（2）Nc物c能1相c

内在（P，T）2

Nc=2c+3

（3）Ni=Nv–Nc=c+3

（4）Nxu=（c+2）+1=c+3

（5）Nau=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0

6.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

塔顶产物

（2）如果有，请指出哪些附加变

进料，227K，2068kPa

量需要规定

解：

Nxu进料c+2

压力9

Nau串级单元1

传热1

合计2

组分Kmol/h

9

2

习题6附图

塔底产物

N

V

U=Nxu+Nau

=20

附加变量：

总理论板数。

7.附图为热藕合精馏系统，进料为三组分混合物，采出三个产品。

确定该系统：

（1）设计变量数;

（2）指定一组合理的设计变量。

解:

Nxu压力N+M+1+1

进料c+2

合计N+M+c+4（c=3）

Nau串级6

分配器1

侧线3

传热2

吸收塔

尾气

T

P

冷却器

加热器换热器

泵

CO+蒸汽

蒸

T出

P塔

水蒸气

10

Nvu=N+M+3+4=N+M+19

习题7附图

8.利用如附图所示的系统将某混合物分离成三个产品。

试确定：

（1）固定设计变量数和可调设计变量数;

（2）指定一组合理的设计变更量解:

Nxu进料c+2

压力N+M+1+1+1c+N+M+5

Nau串级4进料

分配1

侧线1

传热4

全凝器

液M

汽

汽

液2

产品1

产品2

10

习题14附图

再沸器产品3

全凝器

N

阀

产品1

9.采用单个精馏塔分离一个三组分混合

140kPa

S

进料F

2

2

再沸器

产品2

40

200

1140kPa阀20

Kmol/h

苯10

甲苯

联苯

2

%（mol）苯

kmol/h

含进料中苯的1%

204kPa

冷却器

习题8附图

产品3

习题9附图

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=47

Nau3+1+1+2=7

Nvu=54

设计变量：

回流比，馏出液流率。

第二章单级平衡过程

1.计算在a和下苯

（1）-甲苯

（2）-对二甲苯（3）三元系，当x1=，x2=，x3=时的K值。

汽相为理想气体，液相为非理想溶液。

并与完全理想系的K值比较。

已知三个二元系的Wilson方程参数。

12111035.33;1222

2322

13111510.14

;2333

;13331642.81

3

（单位：

J/mol）

在T=时液相摩尔体积为：

1

vL103m3

安托尼公式为：

2

kmol

；vL103

；vL103

s

苯：

lnP1

2788.51T；

s

甲苯：

lnP2

3096.52

T；

s

对二甲苯：

lnP3

3346.65T；（Ps

:

Pa;T:

K）

解1：

由Wilson参数方程ij

L

ij

L

ii

jexp

v

i

RT

vL

2

exp

v

RT

v

12L

1

1211

3

10

exp1035.33

103

=

v

L

v

1

21L

2

exp2122

RT

3

10

exp

103

=

同理：

13

23

；31

；32

kixk

由Wilson方程lni1lnijxjx：

jk

j

kjj

1

；2

；3

根据安托尼方程：

1

Ps07M5

由式（2-38）计算得：

2

Pa；Ps104Pa

3

；Ps104Pa

K1

；K2

；K3

如视为完全理想系，根据式（2-36）计算得：

K148；K2

解2：

在T=下

；K3

1

苯：

lnPss

2788.5/；

1

Ps=

s

甲苯：

lnP2

s

3096.52/；P2=

s

对二甲苯：

lnP3

Wilson方程参数求取

3346.65/；P3=

vL

1

103

exp（1211）

exp（

1035.33

）

v

12L

2

RT103

vL

2

103

exp（1222）

exp（

）

v

21L

1

RT103

vL

2

103

exp（2322）

exp（

）

v

23L

3

RT103

vL

3

103

exp（2333）

exp（

）

v

32L

2

RT103

vL

1

103

exp（1311）

exp（

1510.14

）

v

13L

2

RT103

vL

3

103

exp（1333）

exp（

1642.81

）

v

31L

1

RT103

lnr1ln（x

x

x）（x1

21x2

31x3）

11122133

x112x213x3

21x1x223x3

31x132x2x3

1ln（

）

r1=

lnr

1ln（xx

x

）（

xx

x）

xxx

xxx

xxx

1ln（

）

r2=

lnr

1ln（xx

x）（

x

x

x）

xxx

xxx

xxx

1ln（

）

r3=

故

s

KrP

111P

s

KrP

222P

s

KrP

333P

而完全理想系：

Ps

K1

P

K2

P

K3

1P

s

2P

s

3P

2.一液体混合物的组成为：

苯；甲苯；对二甲苯（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：

PsPa；PsPa

；PsPa

1

由式（2-36）得：

K1

y181

2

；K2

；y2

3

；K3

；y3

；yi

由于yi>，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：

1

K'K1

53

可得T'

yi

重复上述步骤：

1

K'

1

；K'

2

2

；K'

3

3

i

y'

；y'

；y'

；

y

在温度为时，存在与之平衡的汽相，组成为：

苯、

甲苯、对二甲苯。

（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：

组分i

苯

（1）

甲苯

（2）

对二甲苯（3）

xi

ij

ijxi

ijxi

ijxi

135.807；23

；33

解2：

（1）平衡常数法。

假设为完全理想系。

设t=95℃

1

苯：

lnPs

2788.5/（95；

1

Ps105Pa

甲苯：

2

lnPs

3096.52/（95；

2

Ps104Pa

3

对二甲苯：

lnPs

/（95；

3

Ps104Pa

s

s

KP5；KP

1

K3

1P10

s

P

3P

10522P

Kixi

选苯为参考组分：

K12；解得T2=℃

ss4

lnP2；

P210Pa

ss4

lnP3；

P310Pa

K2=

K3=

Kixi1

故泡点温度为℃，且y1；

y2；y3

（2）相对挥发度法

设t=95℃，同上求得K1=，K2=，K3=

13，23，331

ixi1

yi

ixi

1

ixi

故泡点温度为95℃，且y1

；

yy

2；3

1

3.一烃类混合物含甲烷5%（mol），乙烷10%，丙烷30%及异丁烷55%，试求混

合物在25℃时的泡点压力和露点压力。

解1：

因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可以看成理想溶液，Ki值只取决于

温度和压力。

可使用烃类的P-T-K图。

⑴泡点压力的计算：

75348

假设P=，因T=25℃，查图求Ki

组分i

甲烷

（1）

乙烷

（2）

丙烷（3）

异丁烷（4）

∑

xi

Ki

yiKixi

组分i

甲烷

（1）

乙烷

（2）

丙烷（3）

异丁烷（4）

∑

xi

Ki

yiKixi

Kixi=＜1，说明所设压力偏高，重设P=

Kixi=≈1，故泡点压力为。

⑵露点压力的计算：

假设P=，因T=25℃,查图求Ki

组分i

甲烷

（1）

乙烷

（2）

丙烷（3）

异丁烷（4）

∑

yi

Ki

xyi

iK

yi=＞，说明压力偏高，重设P=。

K

i

组分i甲烷

（1）乙烷

（2）丙烷（3）异丁烷（4）∑

yi

Ki

xyi

iK

yi=≈1，故露点压力为。

K

i

解2：

（1）求泡点压力：

设P1=1000KPa，由25℃，1000KPa，查P-T-K列线图得Ki

K1=

K2=

K3=

K4=

所以yi1

选异丁烷为参考组分

K43

K42

yi

，查得P=1771KPa

在此条件下求得yi=1，继续调整

K

K44

43

yi

，查得P=1800KPa

序号

组分

xi

1000KPa

2000KPa

1770KPa

1800KPa

Ki

yi

Ki

yi

Ki

yi

Ki

yi

1

甲烷

2

乙烷

3

丙烷

4

异丁烷

求得：

yi1，故混合物在25℃的泡点压力为1800KPa

（2）求露点压力

设P1=1000KPa，由25℃，1000KPa，查P-T-K列线图得Ki

K1=

K2=

K3=

K4=

y

所以

xii

K

i

选异丁烷为参考组分

K42K41xi

由25℃，K42=查得P=560KPa，查得各组分的Ki值

序号

组成

组成

1000KPa

560KPa

Ki

xi

Ki

xi

1

甲烷

2

乙烷

3

丙烷

4

异丁烷

求得xi1故混合物在25℃时的露点压力为560KPa

4.含有80%（mol）醋酸乙酯（A）和20%乙醇（E）的二元物系，液相活度系数用Van

Laar方程计算，AAE=，AEA=。

试计算在压力下的泡点温

度和露点温度。

安托尼方程为：

S

醋酸乙酯：

lnPA

T

S

乙醇：

lnPE

解1：

⑴泡点温度

T

（PS：

Pa；T：

K）

此时xA，xE

lnA

AAE

2

1AAExA

44

2

144

075

AEA

xE

70

A075

lnE

AEA

2

1AEAxE

70

2

170

013

E

设T=350K

AAExA

44

S

lnPA

2790.50T

P

A

S100271Pa

S

lnPE