化工原理(下)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬Word格式文档下载.doc

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B－H2O

离界面5mm处为点1、两相界面处为点2，则氨的摩尔分数为

，

点1、点2处溶液的平均摩尔质量为

溶液的平均总物质的量浓度为

故氨的摩尔通量为

6.试用式（7-41）估算在105.5kPa、288K条件下，氢气（A）在甲烷（B）中的扩散系数。

查表7-1，得

cm3/mol

查表7-2，计算出

由式7-41

7.试采用式（7-43）估算在293时二氧化硫（A）在水（B）中的扩散系数。

查得293K时水的黏度为

查表7-3，得

查表7-4，得

cm3/mol

由式（7-43）

8.有一厚度为8mm、长度为800mm的萘板。

在萘板的上层表面上有大量的45℃的常压空气沿水平方向吹过。

在45℃下，萘的饱和蒸汽压为73.9Pa，固体萘的密度为1152kg/m3，由有关公式计算得空气与萘板间的对流传质系数为0.0165m/s。

试计算萘板厚度减薄5％所需要的时间。

由式（7-45）计算萘的传质通量，即

式中为空气主体中萘的浓度，因空气流量很大，故可认为；

为萘板表面

处气相中萘的饱和浓度，可通过萘的饱和蒸气压计算，即

kmol/m3

设萘板表面积为S，由于扩散所减薄的厚度为b，物料衡算可得

第八章气体吸收

1.在温度为40℃、压力为101.3kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0kPa时，氨在水中的溶解度为76.6g（NH3）/1000g（H2O）。

试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。

水溶液中氨的摩尔分数为

由

亨利系数为

kPa

相平衡常数为

由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。

40℃时水的密度为

kg/m3

溶解度系数为

2.在温度为25℃及总压为101.3kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350g/m3的水溶液接触。

试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。

已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8kg/m3。

水溶液中CO2的浓度为

对于稀水溶液，总浓度为

kmol/m3

水溶液中CO2的摩尔分数为

由kPa

气相中CO2的分压为

kPa<

故CO2必由液相传递到气相，进行解吸。

以CO2的分压表示的总传质推动力为

3.在总压为110.5kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。

测得在塔的某一截面上，氨的气、液相组成分别为、。

气膜吸收系数kG=5.2×

10-6kmol/（m2·

s·

kPa），液膜吸收系数kL=1.55×

10-4m/s。

假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H＝0.725kmol/（m3·

kPa）。

（1）试计算以、表示的总推动力和相应的总吸收系数；

（2）试分析该过程的控制因素。

（1）以气相分压差表示的总推动力为

其对应的总吸收系数为

kmol/（m2·

kPa）

以液相组成差表示的总推动力为

（2）吸收过程的控制因素

气膜阻力占总阻力的百分数为

气膜阻力占总阻力的绝大部分，故该吸收过程为气膜控制。

4.在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。

操作压力为105.0kPa，操作温度为25℃。

在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数为2.126

kmol/（m3·

测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5kPa，液相组成为2.85kmol/m3，液膜吸收系数kL=2.12×

10-5m/s，气相总吸收系数KG＝1.206×

10-5kmol/（m2·

求该截面处

（1）膜吸收系数kG、kx及ky；

（2）总吸收系数KL、KX及KY；

（3）吸收速率。

（1）以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度，25℃时水的密度为

溶液的总浓度为

kmol/m3

（2）由m/s

因溶质组成很低，故有

（3）吸收速率为

5.在101.3kPa及25℃的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。

已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。

假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13×

103kPa，吸收剂用量为最小用量的1.45倍。

（1）试计算吸收液的组成；

（2）若操作压力提高到1013kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。

解：

（1）

吸收剂为清水，所以

所以操作时的液气比为

吸收液的组成为

（2）

6.在一直径为0.8m的填料塔内，用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。

已知混合气的流量为45kmol/h，二氧化硫的体积分数为0.032。

操作条件下气液平衡关系为，气相总体积吸收系数为0.0562kmol/（m3·

s）。

若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%，要求回收率为98%。

求水的用量（kg/h）及所需的填料层高度。

惰性气体的流量为

水的用量为

求填料层高度

7.某填料吸收塔内装有5m高，比表面积为221m2/m3的金属阶梯环填料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某混合气体中的溶质组分。

已知混合气的流量为50kmol/h，溶质的含量为5％（体积分数％）；

进塔清水流量为200kmol/h，其用量为最小用量的1.6倍；

操作条件下的气液平衡关系为；

气相总吸收系数为；

填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90％。

试计算

（1）填料塔的吸收率；

（2）填料塔的直径。

（1）惰性气体的流量为

对于纯溶剂吸收

依题意

（2）

由

填料塔的直径为

8.在101.3kPa及20℃的条件下，用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。

已知混合气的质量流速G为600kg/（m2·

h），气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.000526，水的质量流速W为800kg/（m2·

h），填料层高度为3m。

已知操作条件下平衡关系为Y=0.9X，KGa正比于G0.8而于W无关。

若

（1）操作压力提高一倍；

（2）气体流速增加一倍；

（3）液体流速增加一倍，试分别计算填料层高度应如何变化，才能保持尾气组成不变。

首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数

操作条件下，混合气的平均摩尔质量为

m

（1）

若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。

所以

m

即所需填料层高度比原来减少1.801m。

（2）

若保持气相出塔组成不变，则液相出塔组成要加倍，即

故

即所需填料层高度要比原来增加4.910m。

（3）

W对KGa无影响，即对KGa无影响，所以传质单元高度不变，即

即所需填料层高度比原来减少0.609m。

9.某制药厂现有一直径为1.2m，填料层高度为3m的吸收塔，用纯溶剂吸收某气体混合物中的溶质组分。

入塔混合气的流量为40kmol/h，溶质的含量为0.06（摩尔分数）；

要求溶质的回收率不低于95%；

操作条件下气液平衡关系为Y=2.2X；

溶剂用量为最小用量的1.5倍；

气相总吸收系数为0.35kmol/（m2·

h）。

试计算

（1）出塔的液相组成；

（2）所用填料的总比表面积和等板高度。

由

填料的有效比表面积为

填料的总比表面积为

由

填料的等板高度为

10.用清水在塔中逆流吸收混于空气中的二氧化硫。

已知混合气中二氧化硫的体积分数为0.085，操作条件下物系的相平衡常数为26.7，载气的流量为250kmol/h。

若吸收剂用量为最小用量的1.55倍，要求二氧化硫的回收率为92%。

试求水的用量（kg/h）及所需理论级数。

用清水吸收，

操作液气比为

由

11.某制药厂现有一直径为0.6m，填料层高度为6m的吸收塔，用纯溶剂吸收某混合气体中的有害组分。

现场测得的数据如下：

V=500m3/h、Y1=0.02、Y2=0.004、X1=0.004。

已知操作条件下的气液平衡关系为Y=1.5X。

现因环保要求的提高，要求出塔气体组成低于0.002（摩尔比）。

该制药厂拟采用以下改造方案：

维持液气比不变，在原塔的基础上将填料塔加高。

试计算填料层增加的高度。

改造前填料层高度为

改造后填料层高度为

故有

由于气体处理量、操作液气比及操作条件不变，故

对于纯溶剂吸收，

故

因此，有

操作液气比为

填料层增加的高度为

12.若吸收过程为低组成气体吸收，试推导。

由

　故　

13.在装填有25mm拉西环的填料塔中，用清水吸收空气中低含量的氨。

操作条件为20℃及101.3kPa，气相的质量速度为0.525kg/（m2·

s），液相的质量速度为2.850kg/（m2·

已知20℃及101.3kPa时氨在空气中的扩散系数为m2/s，20℃时氨在水中的扩散系数为m2/s。

试估算传质单元高度HG、HL。

查得20℃下，空气的有关物性数据如下：

Pa·

skg/m3

查表8-6，，，

查得20℃下，水的有关物性数据如下：

Pa·

查表8-7，，

14.用填料塔解吸某含二氧化碳的碳酸丙烯酯吸收液，已知进、出解吸塔的液相组成分别为0.0085和0.0016（均为摩尔比）。

解吸所用载气为含二氧化碳0.0005（摩尔分数）的空气，解吸的操作条件为35℃、101.3kPa，此时平衡关系为Y=106.03X。

操作气液比为最小气液比的1.45倍。

若取m，求所需填料层的高度。

进塔载气中二氧化碳的摩尔比为

最小气液比为

操作气液比为

吸收因数为

液相总传质单元数为

填料层高度为

15.某操作中的填料塔，其直径为0.8m，液相负荷为8.2m3/h，操作液气比（质量比）为6.25。

塔内装有DN50金属阶梯环填料，其比表面积为109m2/m3。

操作条件下，液相的平均密度为995.6kg/m3，气相的平均密度为1.562kg/m3。

（1）计算该填料塔的操作空塔气速；

（2）计算该填料塔的液体喷淋密度，并判断是否达到最小喷淋密度的要求。

（1）填料塔的气相负荷为

填料塔的操作空塔气速为

（2）填料塔的液体喷淋密度为

最小喷淋密度为

，达到最小喷淋密度的要求。

16.矿石焙烧炉送出的气体冷却后送入填料塔中，用清水洗涤以除去其中的二氧化硫。

已知入塔的炉气流量为2400m3/h，其平均密度为1.315kg/m3；

洗涤水的消耗量为50000kg/h。

吸收塔为常压操作，吸收温度为20℃。

填料采用DN50塑料阶梯环，泛点率取为60％。

试计算该填料吸收塔的塔径。

炉气的质量流量为

采用埃克特通用关联图计算泛点气速，横坐标为

查图8-23，得纵坐标为

对于DN50塑料阶梯环，由表8-10和附录二分别查得

1/m

故

解出m/s

操作空塔气速为

圆整塔径，取=1.0m

校核，故所选填料规格适宜。

取m3/（m·

h）

最小喷淋密度为

操作喷淋密度为

>

第九章蒸馏

1．在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82℃，在该温度下，两组分的饱和蒸气压分别为=107.6kPa及＝41.85kPa，取样测得液面上方气相中组分A的摩尔分数为0.95。

试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。

本题可用露点及泡点方程求解。

解得kPa

本题也可通过相对挥发度求解

由气液平衡方程得

2．试分别计算含苯0.4（摩尔分数）的苯—甲苯混合液在总压100kPa和10kPa的相对挥发度和平衡的气相组成。

苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸气压和温度的关系为

式中p﹡的单位为kPa，t的单位为℃。

苯—甲苯混合液可视为理想溶液。

（作为试差起点，100kPa和10kPa对应的泡点分别取94.6℃和31.5℃）

本题需试差计算

（1）总压p总＝100kPa

初设泡点为94.6℃，则

得kPa

同理kPa

或

则

（2）总压为p总＝10kPa

通过试差，泡点为31.5℃，=17.02kPa，＝5.313kPa

随压力降低，α增大，气相组成提高。

3．在100kPa压力下将组成为0.55（易挥发组分的摩尔分数）的两组分理想溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏。

原料液处理量为100kmol，汽化率为0.44。

操作范围内的平衡关系可表示为。

试求两种情况下易挥发组分的回收率和残液的组成。

（1）平衡蒸馏（闪蒸）

依题给条件

则

由平衡方程

联立两方程，得y=0.735，x=0.4045

kmol=44kmol

（2）简单蒸馏

kmolkmol

即

解得xW=0.3785

简单蒸馏收率高（61.46%），釜残液组成低（0.3785）

4．在一连续精馏塔中分离苯含量为0.5（苯的摩尔分数，下同）苯—甲苯混合液，其流量为100kmol/h。

已知馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05，试求

（1）馏出液的流量和苯的收率；

（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能的流量。

（1）馏出液的流量和苯的收率

（2）馏出液的最大可能流量

当ηA=100%时，获得最大可能流量，即

5．在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。

原料液的处理量为100kmol/h，其组成为0.45（易挥发组分A的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为96％，釜液的组成为0.033。

试求

（1）馏出液的流量和组成；

（2）若操作回流比为2.65，写出精馏段的操作线方程；

（3）提馏段的液相负荷。

（1）馏出液的流量和组成

由全塔物料衡算，可得

kmol/h=54.55kmol/h

kmol/h=45.45kmol/h

（2）精馏段操作线方程

（3）提馏段的液相负荷

6．在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。

进料量为60kmol/h，其组成为0.46（易挥发组分的摩尔分数，下同），原料液的泡点为92℃。

要求馏出液的组成为0.96，釜液组成为0.04，操作回流比为2.8。

试求如下三种进料热状态的q值和提馏段的气相负荷。

（1）40℃冷液进料；

（2）饱和液体进料；

（3）饱和蒸气进料。

已知：

原料液的汽化热为371kJ/kg，比热容为1.82kJ/（kg·℃）。

由题给数据，可得

（1）40℃冷液进料q值可由定义式计算，即

（2）饱和液体进料此时q=1

（3）饱和蒸气进料q=0

三种进料热状态下，由于q的不同，提馏段的气相负荷（即再沸器的热负荷）有明显差异。

饱和蒸气进料V′最小。

7．在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。

原料液流量为50kmol/h，要求馏出液中易挥发组分的收率为94％。

已知精馏段操作线方程为y=0.75x+0.238；

q线方程为y=2-3x。

试求

（1）操作回流比及馏出液组成；

（2）进料热状况参数及原料的总组成；

（3）两操作线交点的坐标值xq及yq；

（4）提馏段操作线方程。

（1）操作回流比及馏出液组成由题给条件，得

及

解得R=3，xD=0.952

2）进料热状况参数及原料液组成由于

解得q=0.75（气液混合进料），xF=0.5

（3）两操作线交点的坐标值xq及yq联立操作线及q线两方程，即

解得xq=0.4699及yq=0.5903

（4）提馏段操作线方程其一般表达式为

式中有关参数计算如下：

kmol/h=25.32kmol/h

kmol/h=111.54kmol/h

kmol/h=86.22kmol/h

8．在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液，其组成为0.48（苯的摩尔分数，下同），泡点进料。

要求馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.05。

操作回流比为2.5，平均相对挥发度为2.46，试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。

由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。

习题8附表

x

0.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.115

0.214

0.381

0.513

0.621

0.711

0.787

0.852

0.908

0.957

习题8附图

在x–y图上作出平衡线，如本题附图所示。

由已知的xD，xF，xW在附图上定出点a、e、c。

精馏段操作线的截距为，在y轴上定出点b，连接点a及点b，即为精馏段操作线。

过点e作q线（