能源化工行业化工原理下册答案.docx
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能源化工行业化工原理下册答案
（能源化工行业）化工原理
下册答案
化工原理（天津大学第二版）下册部分答案
第8章
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。
解：
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
kPa
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。
解：
（1）以气相分压差表示的总推动力为
kPa
其对应的总吸收系数为
kmol/（m2·s·kPa）
以液相组成差表示的总推动力为其对应的总吸收系数为
（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·kPa）。
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·s·kPa）。
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。
解：
（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
kg/m3
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ft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。
解：
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。
解：
（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、ft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。
解：
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ft塔组成不变，则液相ft塔组成也不变。
所以
mmm
即所需填料层高度比原来减少1.801m。
（2）
若保持气相ft塔组成不变，则液相ft塔组成要加倍，即故
m
mm
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
m
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）。
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）ft塔的液相组成；
（2）所用填料的总比表面积和等板高度。
解：
（1）惰性气体的流量为
（2）
m
由
填料的有效比表面积为填料的总比表面积为由
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。
解：
用清水吸收，操作液气比为
水的用量为用清水吸收，
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ft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。
解：
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，
由故
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。
解：
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·s）。
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。
解：
查得20℃下，空气的有关物性数据如下：
Pa·skg/m3
由
查表8-6，，，
查得20℃下，水的有关物性数据如下：
Pa·skg/m3
由
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、ft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。
解：
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。
解：
（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ft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。
解：
查得20℃下，水的有关物性数据如下：
Pa·skg/m3
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
故
解ftm/s
1/m
操作空塔气速为由
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
>
操作空塔气速为泛点率为
经校核，选用=1.0m合理。
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。
解：
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℃）
解：
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。
解：
（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ft液组成为0.95，釜液组成为0.05，试求
（1）馏ft液的流量和苯的收率；
（2）保持馏ft液组成0.95不变，馏ft液最大可能的流量。
解：
（1）馏ft液的流量和苯的收率
（2）馏ft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ft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ft液的流量和组成；
（2）若操作回流比为2.65，写ft精馏段的操作线方程；（3）提馏段的液相负荷。
解：
（1）馏ft液的流量和组成由全塔物料衡算，可得
kmol/h=54.55kmol/hkmol/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ft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·℃）。
解：
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ft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ft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。
解：
（1）操作回流比及馏ft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及
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/hkmol/h=111.54kmol/hkmol/h=86.22kmol/h
则
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ft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。
解：
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
x0
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.91.0
0.11
0.21
0.38
0.51
0.62
0.71
0.78
0.85
0.90
0.95
0
541
31172
1.0
87
在x–y图上作ft平衡线，如本题附图所示。
由已知的xD，xF，xW在附图上定ft点a、e、c。
精馏段操作线的截距为，在y轴上定ft点b，连接点a及点b，即为精馏段操作线。
过点e作q线（垂直线）交精馏段操作线于点d。
连接cd即得提馏段操作线。
从点a开始，在平衡线与操作线之间绘阶梯，达到指定分离程度需11层理论板，第5
层理论板进料。
9．在板式精馏塔中分离相对挥发度为2的两组分溶液，泡点进料。
馏ft液组成为0.95（易挥发组分的摩尔分数，下同），釜残液组成为0.05，原料液组成为0.6。
已测得从塔釜上升的蒸气量为93kmol/h，从塔顶回流的液体量为58.5kmol/h，泡点回流。
试求
（1）原料液的处理量；
（2）操作回流比为最小回流比的倍数。
解：
（1）原料液的处理量由全塔的物料衡算求解。
对于泡点进料，q=1
kmol/h=34.5kmol/h
则
解得kmol/h
（2）R为Rmin的倍数R=1.70
对于泡点进料，Rmin的计算式为
于是
10．在常压连续精馏塔内分离苯—氯苯混合物。
已知进料量为85kmol/h，组成为0.45（易挥发组分的摩尔分数，下同），泡点进料。
塔顶馏ft液的组成为0.99，塔底釜残液组成为
0.02。
操作回流比为3.5。
塔顶采用全凝器，泡点回流。
苯、氯苯的汽化热分别为30.65kJ/mol和36.52kJ/mol。
水的比热容为4.187kJ/（kg·℃）。
若冷却水通过全凝器温度升高15℃，加热蒸汽绝对压力为500kPa（饱和温度为151.7℃，汽化热为2113kJ/kg）。
试求冷却水和加热蒸汽的流量。
忽略组分汽化热随温度的变化。
解：
由题给条件，可求得塔内的气相负荷，即
对于泡点进料，精馏段和提馏段气相负荷相同，则
（1）冷却水流量由于塔顶苯的含量很高，可按纯苯计算，即
（2）加热蒸汽流量釜液中氯苯的含量很高，可按纯氯苯计算，即
11．在常压连续提馏塔中，分离两组分理想溶液，该物系平均相对挥发度为2.0。
原料液流量为100kmol/h，进料热状态参数q=1，馏ft液流量为60kmol/h，釜残液组成为0.01（易挥发组分的摩尔分数），试求
（1）操作线方程；
（2）由塔内最下一层理论板下降的液相组成x′m。
解：
本题为提馏塔，即原料由塔顶加入，因此该塔仅有提馏段。
再沸器相当一层理论板。
（1）操作线方程此为提馏段操作线方程，即式中
kmol/hkmol/h＝40kmol/h
则
（2）最下层塔板下降的液相组成由于再沸器相当于一层理论板，故
x′m与y′W符合操作关系，则
提馏塔的塔顶一般没有液相回流。
12．在常压连续精馏塔中，分离甲醇—水混合液。
原料液流量为100kmol/h，其组成为
0.3（甲醇的摩尔分数，下同），冷液进料（q=1.2），馏ft液组成为0.92，甲醇回收率为90％，回流比为最小回流比的3倍。
试比较直接水蒸气加热和间接加热两种情况下的釜液组成和所需理论板层数。
甲醇—水溶液的t–x–y数据见本题附表
习题12附表
温度t
℃
液相中甲醇的
摩尔分数
气相中甲醇的
摩尔分数
温度t
℃
液相中甲醇的
摩尔分数
气相中甲醇的
摩尔分数
100
0.0
0.0
75.3
0.40
0.729
96.4
0.02
0.134
73.1
0.50
0.779
93.5
0.04
0.234
71.2
0.60
0.825
91.2
0.06
0.304
69.3
0.70
0.870
89.3
0.08
0.365
67.6
0.80
0.915
87.7
0.10
0.418
66.0
0.90
0.958
84.4
0.15
0.517
65.0
0.95
0.979
81.7
0.20
0.579
64.5
1.0
1.0
78.0
0.30
0.665
解：
（1）釜液组成由全塔物料衡算求解。
①间接加热
②直接水蒸气加热
关键是计算R。
由于q=1.2，则q线方程为
在本题附图上过点e作q线，由图读得：
xq=0.37，yq=0.71于是
显然，在塔顶甲醇收率相同条件下，直接水蒸气加热时，由于冷凝水的稀释作用，xW明显降低。
（2）所需理论板层数在x–y图上图解理论板层数
①间接加热精馏段操作线的截距为
由xD=0.92及截距0.323作ft精馏段操作线ab，交q线与点d。
由xW=0.0425定ft点c，连接cd即为提馏段操作线。
由点a开始在平衡线与操作线之间作阶梯，NT=5（不含再沸器），第4层理论板进料。
②直接蒸汽加热图解理论板的方法步骤同上，但需注意xW=0.0172是在x轴上而不是对角线上，如本题附图所示。
此情况下共需理论板7层，第4层理论板进料。
计算结果表明，在保持馏ft液中易挥发组分收率相同条件下，直接蒸汽加热所需理论板层数增加。
且需注意，直接蒸汽加热时再沸器不能起一层理论板的作用。
13．在具有侧线采ft的连续精馏塔中分离两组分理想溶液，如本题附图所示。
原料液流量为100kmol/h，组成为0.5（摩尔分数，下同），饱和液体进料。
塔顶馏ft液流量qn,D为
20kmol/h，组成xD1为0.98，釜残液组成为0.05。
从精馏段抽ft组成xD2为0.9的饱和液体。
物系的平均相对挥发度为2.5。
塔顶为全凝器，泡点回流，回流比为3.0，试求
（1）易挥发组分的总收率；
（2）中间段的操作线方程。
解：
（1）易挥发组分在两股馏ft液中的总收率由全塔的物料衡算，可得
qn,D2的计算如下
及
整理上式，得到
则
于是
（2）中间段的操作线方程由s板与塔顶之间列易挥发组分的物料衡算，得
（1）
式中
将有关数值代入式
（1）并整理，得到
14．在常压连续精馏塔中分离两组分理想溶液。
该物系的平均相对挥发度为2.5。
原料液组成为0.35（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气加料。
已知精馏段操作线方程为y=0.75x+0.20，试求
（1）操作回流比与最小回流比的比值；
（2）若塔顶第一板下降的液相组成为0.7，该板的气相默弗里效率EMV1。
解：
（1）R与Rmin的比值先由精馏段操作线方程求得R和xD，再计算Rmin。
由题给条件，可知
解得
对饱和蒸气进料，q=0，yq=0.35
则
（2）气相默弗里效率气相默弗里效率的定义式为
（1）
式中
将有关数据代入式
（1），得
15．在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为100kmol/h，组成为0.5（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气进料。
馏ft液组成为0.95，釜残液组成为0.05。
物系的平均相对挥发度为2.0。
塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。
塔釜的汽化量为最小汽化量的1.6倍，试求
（1）塔釜汽化量；
（2）从塔顶往下数第二层理论板下降的液相组成。
解：
先求ft最小回流比，再由最小回流比与最小汽化量的关系求得qn,Vmin。
液相组成x2
可用逐板计算得到。
（1）塔釜汽化量对于饱和蒸汽进料q=0，yF=0.5，Rmin可用下式计算，即
而则
也可由提馏段操作线的最大斜率求得，即
即
将qn,W=50kmol/h代入上式，解得
（2）第2层理论板下降液相组成x2逐板计算求x2需导ft精馏段操作线方程。
解得
塔顶全凝器
16．某制药厂拟设计一板式精馏塔回收丙酮含量为0.75（摩尔分数，下同）水溶液中的丙酮。
原料液的处理量为30kmol/h，馏ft液的组成为0.96，丙酮回收率为98.5%。
塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。
试根据如下条件计算塔的有效高度和塔径。
进料热状况饱和液体总板效率61％操作回流比2全塔平均压力110kPa理论板层数17.0全塔平均温度81℃板间距0.40m空塔气速0.82m/s
解：
由题给条件，可得取28
（1）塔的有效高度
（2）塔径精馏段和提馏段气相负荷相同，则式中
于是
根
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