化工分离工程习题答案-刘家祺

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+6V-2FziTFPFV,yi,Tv,PvL,xi,TL,PL习题5附图独立方程数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：（1）Nv=3(c+2)（2）Nc物c能1相c内在(P，T)2Nc=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=7进料，227K，2068kPa组分N2C1C2C3C4C5C6Kmol/h1.054.467.6141.154.756.033.3塔顶产物塔底产物92习题6附图Nvu=54设计变量：回流比，馏出液流率。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iy1.001，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；2.35323；000.133组分i苯(1)甲苯(2)对二甲苯(3)ix0.500.250.251.000ij5.8072.3531.000iijx2.90350.58830.25003.7418iijiijxx0.77600.15720.06681.0000解2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95℃苯：96.11)36.5215.27395/(5.27887936.20ln1sP；PaPs5110569.1甲苯：06.11)67.5315.27395/(52.30969065.20ln2sP；PaPs4210358.6对二甲苯：204.10)84.5715.27395/(65.33469891.20ln3sP；PaPs4310702.2569.11010569.15511PPKs；6358.022PPKs2702.033PPKs011.125.06358.025.02702.05.0596.1iixK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=0.266519997.025.02665.025.06281.05.0552.1iixK故泡点温度为94.61℃，且776.05.0552.11y；157.025.06281.02y；067.025.02665.03y(2)相对挥发度法设t=95℃，同上求得1K=1.569，2K=0.6358，3K=0.2702807.513，353.223，13374.325.0125.0353.25.0807.5iix0.174.325.0174.325.0353.274.35.0807.5iiiiixxy故泡点温度为95℃，且776.074.35.0807.51y；157.074.325.0353.22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下苯：36.5251.27887936.20ln1TPSkPaPS315.179177.11K甲苯：67.5352.30969065.20ln2TPSkPaPS834.732729.02K对二甲苯：84.5765.3346981.20ln3TPSkPaPS895.313315.03K计算混合组分的泡点TBTB=364.076K计算混合组分的露点TDTD=377.83K65.0076.36483.377076.3643731040443.011111iiiKKzf414.01112121'iiiKKzf7477.01'112ff00024.02f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组分流率，mol/h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。14.在101.3kPa下，对组成为45%(摩尔)正己烷，25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。⑴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iiiKzK0.2836-0.0319-0.2511氢200甲烷200苯50甲苯10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12.在101.3Kpa压力下氯仿(1)-甲醇(2)系统的NRTL参数为：12=8.9665J/mol，12=-0.83665J/mol，12=0.3。试确定共沸温度和共沸组成。安托尼方程(SP：Pa；T：K)氯仿：）（16.4679.26968660.20ln1TPS甲醇：）（29.3455.36264803.23ln2TPS解：设T为53.5℃则）（16.4665.32679.26968660.20ln1SP）（29.3465.32655.36264803.23ln2SPSP1=76990.1SP2=64595.6由）（ijijijGexp，ij=ji）（121212expG=）（9665.83.0exp=0.06788）（212121expG=）（8365.03.0exp=1.28522121212122212122121221ln）（）（GxxGGxxGx=211221221]06788.01[06788.09665.8]2852.11[2852.18365.01xxxxx）（）（）（）（=21212193212.016086.02852.02852.13817.11）（）（）（xxx2212121212121221212212ln）（）（GxxGGxxGx=211211221]12852.1[2852.18365.006788.0106788.09665.8）（）（xxxxx=2121212852.02852.107507.193212.0104131.0）（）（xxx1ln-2ln=SSPP21ln=6.645951.76990ln=0.1755求得1x=0.321=1.20922=0.8971222111SSiSiiPxPxPx=8971.06.6459568.02092.11.7699032.0=69195.98Pa101.3kPa设T为60℃则）（16.4615.33379.26968660.20ln1SP）（29.3415.33355.36264803.23ln2SPSP1=95721.9SP2=84599.91ln-2ln=SSPP21ln=9.845999.95721ln=0.1235设T为56℃则）（16.4615.32979.2