化工原理期末复习题答案

化工原理2学习要求第7章传质与分离过程概论1、掌握平衡分离与速率分离的概念（基本原理）及各自有哪些主要类型。平衡分离：借助分离媒介（热能、溶解、吸附剂）使均相混合物变为两相，两相中，各组分达到某种平衡，以各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据实现分离。主要类型：（1）气液传质过程（2）汽液传质过程（3）液液传质过程（4）液固传质过程（5）气固传质过程速率分离：借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。主要类型：（1）膜分离：超滤、反渗透、渗析、电渗析（2）场分离：电泳、热扩散、高梯度磁场分离2、掌握质量传递的两者方式（分子扩散和对流扩散）。分子扩散：由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象——分子传质。对流扩散：运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程—对流传质3、理解双膜理论（双膜模型）的论点（原理）。(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为zG和zL）的流体膜层（气膜和液膜）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。无传质阻力。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。4、理解对传质设备的性能要求、掌握典型传质设备类型及各自的主要特点。性能要求：单位体积中，两相的接触面积应尽可能大两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等现象发生流体的通量大，单位设备体积的处理量大流动阻力小，运转时动力消耗低操作弹性大，对物料的适应性强结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全可靠第8章吸收1、掌握吸收的概念、基本原理、推动力，了解吸收的用途。吸收概念：使混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体内而形成溶液，于是原混合气体的组分得以分离。这种利用各组组分溶解度不同而分离气体混合物的操作称为吸收。吸收的基本原理：当气相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移，即吸收。利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。吸收的推动力:气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。2、掌握吸收剂、吸收液、解吸（脱吸）、物理吸收、化学吸收的概念。吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液（溶液）：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。解吸或脱吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。3、理解相平衡关系在吸收中的应用，掌握温度和压力对吸收及解吸的影响。应用：1）判断传质的方向2）确定传质的推动力3）指明传质进行的极限4、了解亨利定律的表达式及物理意义。1)p-x关系：若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数x表示，亨利定律为：p*=Ex(E—亨利系数，kPa)2)p-c关系：若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c（kmol/m3)表示，亨利定律为：p*=c/H(H--溶解度系数，kmol/(m3·kPa))3)y-x关系：若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y、x表示，亨利定律为:y*=mx(m—相平衡常数)4）Y-X关系(摩尔比）Y*=mX物理意义：用来描述稀溶液（或难溶气体）在一定温度下，当总压不高（通常不超过500kP)时，互成平衡的气液两相组成间的关系。5、掌握液气比的概念，其大小对吸收操作有何影响，若何确定（吸收剂用量）？液气比：塔内任一横截面上的气相组成Y与液相组成X成线性关系，直线的斜率qn，L/qn,V，称为液气比。在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比qn，L/qn,V，液气比qn，L/qn,V的确定方法是，先求出吸收过程的最小液气比（qn，L/qn,V）min，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。6、理解填料塔的基本结构、工作原理及特点。特点：1.填料塔的流体力学性能1）填料层的持液量(m3液体/m3填料）：填料层的持液量是指在一定操作的条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积。2）填料层的压降：填料层的压降形成--液膜与填料表面的摩擦、液膜与上升气体的摩擦2.填料塔的操作特性1）填料塔内的气液分布2）液体喷淋密度与填料表面的润湿3）液泛：在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被破坏，此种情况称为液泛。4）填料塔的返混基本原理（无）基本结构：7、掌握填料特性参数(比表面、空隙率、填料因子)的定义，了解常见填料形状类型。(1)比表面积：单位体积填料层的表面积称为比表面积，以at表示，其单位为m2/m3。(2)空隙率：单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以表示，其单位为m3/m3，或以%表示。(3)填料因子：填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填料因子，以表示，其单位为1/m。=at/31.散装填料(1)环形填料：拉西环、鲍尔环、阶梯环、扁环(2)鞍形填料与环鞍形填料：弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料(3)球形填料与花环填料：多面球填料、TRI球形填料、花环填料、共轭环填料、海尔环填料、纳特环填料、塑料异型环矩鞍填料2.规整填料(1)格栅填料：木格栅填料、格里奇格栅填料(2)波纹填料：金属孔板波纹填料、金属丝网波纹填料、陶瓷板波纹填料、塑料板波纹填料第9章蒸馏学习要求1、掌握蒸馏的特点、分类及原理。蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异，以热能为媒介使其部分气化，从而在气相富集轻组分(易挥发组分），液相富集重组分(难挥发组分），使液体混合物得以分离的方法。（1）按蒸馏方式分简单蒸馏或平衡蒸馏：一般用在混合物各组分挥发性相差大，对组分分离程度要求又不高的情况下。精馏：在混合物组分分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，或形成恒沸液（azeotrope），难以或不能用普通精馏加以分离时，借助某些特殊手段进行的精馏。（2）按操作流程分间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。2、理解简单的蒸馏操作流程，原理及产品浓度特点。简单蒸馏也称微分蒸馏，为持续加热，逐渐蒸馏的过程，是间歇非稳态操作。加入蒸馏釜的原料液持续吸热沸腾气化，产生的蒸气由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的气、液两相组成互成平衡。蒸馏过程中系统的温度和气、液相组成均随时间改变。任一时刻，易挥发组分在蒸气中的含量y始终大于剩余在釜内的液相中的含量x，釜内组分含量x由原料的初始组成xF­沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成xE，釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸气相组成y也随之沿露点线不断降低。3、掌握恒沸混合液，理解相平衡常数、挥发度，相对挥发度的概念。恒沸液：平衡时气相和液相组成相同，相图中气相线和液相线重合。相平衡常数：精馏计算中，通常用Ki表示i组分的相平衡常数，其定义为:式中yi和xi分别表示i组分在互为平衡的气、液两相中的摩尔分数。对于易挥发组分，Ki1，即yixi。Ki并非常数，当p一定时，Ki随温度而变化。Ki值越大，组分在气、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。挥发度：（ppt）溶液中各组份的挥发性由挥发度来衡量，其定义为组分在气相中的平衡蒸气压（分压）与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系相对挥发度：（书）习惯上，用易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比来表示相对挥发度。以表示，即4、掌握精馏分离原理（用T—x—y图分析）和精馏操作连续进行的必要条件。在一定压力下，将混合蒸气进行连续部分冷凝，蒸气相的组成沿t-x(y)相图的露点线变化，结果可得到难挥发组分（重组分）含量很低而易挥发组分（轻组分）摩尔分数y很高的蒸气。精馏过程正是这二者的有机结合。BBBAAAxpxpBBAABAxpxp设有1、2、3三釜，每釜部分气化，则有：x1＜x2＜x3y1＜y2＜y3t1t2t3即釜数越多则顶上产品越纯。缺点：收率低,能耗大。为此：（1）去掉冷凝器（2）从上到下引入回流利用下一釜的高温蒸气与上一釜的低温液体混合，发生质热交换，在每一釜中都实现部分气化和部分冷凝。——精馏塔原理5、理解精馏操作流程，精馏段，提馏段的概念及作用。原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气浸入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。塔顶回流和塔底再沸器产生上升蒸汽是精馏得以连续稳定操作的两个必要条件。精馏段—加料板以上的塔段气相中的重组分向液相（回流液）传递，而液相中的轻组分向气相传递，从而完成上升蒸气的精制。提馏段—加料板以下的塔段下降液体（包括回流液和料液中的液体部分）中的轻组分向气相（回流）传递，而气相中的重组分向液相传递，从而完成下降液体重组分的提浓。6、理解精馏物料衡算原理和方法，掌握进料的五种热状态类型，理解其对精馏操作的影响。见教材，哈哈哈p101-1047、掌握回流比的概念、对精馏塔理论板数的影响及适宜回流比的选择方法。回流比：用R表示，R=回流量/塔顶产品量=L/D，回流比是精馏过程计算不可缺的重要参数，塔所需的理论板数，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷均与回流比有关。精馏过程的投资费用和操作费用都取决于回流比的值。回流比对理论板数的影响：全回流时操作线和平衡线的距离为最远，传质推动力最大，达到分离程度所需的理论板数层数为最少。对于一定的分离任务，若减小操作回流比，则精馏段操作线的斜率变小，截距变大，两段操作线向平衡线靠近，气液两相间的传质推动力减小，达到指定分离程度所需理论板数将增多。回流比的选择：选择适宜的回流比需进行经济权衡，根据生产实践经验，取统计表明，实际生产中的操作回流比以下列范围使用较多：8、理解理论塔板的概念、塔板效率的概念。塔板效率（板效率）表征的是实际塔板的分离效果接近理论板的程度。单板效率与全塔板效率是常用的两种表示方法。所谓理论板应满足如下条件：离开这种板的气液相互成平衡，温度相等；塔板上各处的液相组成均匀一致。min0.2~1.1RRmin9.1~6.1RR9、理解用作图法求精馏塔理论塔板数的原理及作图的方法步骤。图解法又称麦克布—蒂利法，简称M—T法。图解法以逐板计算法的基本原理为基础，在x-y图上，利用平衡曲线和操作线代替平衡方程和操作线方程，用简便的画阶梯方法求解理论板层数。图解法简明清晰，便于分析影响因素，因而在两组分精馏计算中得到广泛应用，但该法准确性较差。图解法的具体步骤如下：（1）在x-y坐标上作出平衡曲线与对角线（2）在x-y相图上作出操作线（3）进料热状况对q线及操作线的影响（4）梯级图解法确定理论板层数10、了解板式塔的基本结构、工作原理及主要类型名称，理解泡罩塔、筛板塔、浮阀塔的基本结构、工作原理及特点。泡罩塔：结构：泡罩塔板是工业上应用最早（1813年）的塔板，它由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100和150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择