化工原理答案.docx
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化工原理答案
第六章蒸馏
11、在连续精馏操作中,已知精馏段操作线方程及q线方程分别为y=0∙8x+0∙19;y=-0.5x+0.675,
试求:
(1)进料热状况参数q及原料液组成XF;
(2)精馏段和提馏段两操作线交点坐标。
解:
由q线方程y=-0∙5x+0∙675知
0.5
故q=1∕3
又-0675故xf=0∙675(1-q)=0.675×(1-1/3)=0.45
q1
因为精馏段操作线与提馏段操作线交点也是精馏段操作线与q线的交点,所以
yq=-0∙5xq+0∙675
yq=0∙8xq+0∙18联立求解xq=0∙373yq=0∙489
12、用逐板计算习题10中泡点进料时精馏段所需理论板层数。
在该组成范围内平衡关系可近似
表达为y=0∙46x+0∙545
解:
由习题10知xf=0∙4、xd=0∙95、R=2∙6
设塔顶为全凝器,故y1=χD=0∙95
由平衡关系y1=0∙46x1+0∙545=0∙95得X1=0∙88
由精馏段操作线方程
yn
R
R1Xn
XD
2∙6
3∙6Xn
0∙95
3∙6
0∙72Xn
0∙26
得
y2=0∙72×0∙88+0∙26=0∙89
又
0∙46x2+0∙545=0∙89得
X2=0∙75
同理
y3=0∙72×0∙75+0∙26=0∙80
又
0∙46x3+0∙545=0∙80
得
X3=0∙55
y3=0∙72×0∙55+0∙26=0∙66
又
0∙46x4+0∙545=0∙66
X4=0.25 精馏段理论板层数为3层,第四层为进料板。 13、在常压连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液。 若原料为饱和液体,其中含苯0.5(摩尔分数, 下同),塔顶馏出液组成为0.95,釜液组成为0.06,操作回流比为2.6。 试求理论板层数和进料板位置。 平衡数据见例6-2表。 解: 用图解法求NT 在y-x相图上找出xw=0.06、xf=0.50、xd=0.95,对应点为c、e、a。 由回流比R=2.6得精馏段操作线截距 XD0.950.95 D0.26 R12.613.6 在图中确定b点,并连接ab为精馏段操作线。 已知原料为饱和液体,故q=1,q线为e点出发的一条垂直线,与精馏段操作线交于d点,连 接Cd为提馏段操作线。 绘阶梯数为9,故Nτ=8(不包括再沸器)。 由图可知第五块为进料板。 习题6—13附图 习题6—14附图 14、在常压下用连续精馏塔分离甲醇—水溶液。 已知原料液中甲醇含量为0.35(摩尔分数,下 同)馏出液及釜液组成分别为0.95和0.05,泡点进料,塔顶为全凝器,塔釜为间接蒸汽加热,操作 回流比为最小回流比的2倍。 求 (1)理论板层数及进料板位置; (2)从塔顶向下第二块理论板上升 的蒸汽组成。 平衡数据见习题10。 解: (1)根据第10题的平衡数据作出 y-x图,由图中可知q线与平衡线交点坐标为 Xq=0.35、yq=0.70 由式(6-36)得 Rmin XDyqyqXq °∙95°∙7°025o.71 0.700.350.35 R=2Rmin=2×0.71=1.42 由精馏段操作线截距一XJ0950.39与a点连接,作出精馏段操作线ab。 R12.42 ab与q线交于d,连接Cd即为提馏段操作线。 绘出阶梯数为8,故理论板层数为 进料板为第6块 8(包括再沸器) (2)图中查得从塔顶第二块板上升的蒸汽组成为0.93。 15、用简捷法求算习题13中连续精馏塔所需的理论板层数。 解: 由习题13图中读得q线与平衡线交点坐标为 xq=0.50 由式(6-36)得 Ri min yqXq yq=0.71 0∙95°∙711.14 0.710.50 吉利兰图中横坐标RRmin2.61.140.40 R13.6 由吉利兰图中读得纵坐标 NTNmin NT2 由例6-2知αm=2.46 由式(6-34a) 更宀(1 1XD Nmin lgm XW XW )] Ir0.950.941∣g[] I0.050.06 lg2.46 24715.35 0.39 解之 NT=8(不包括再沸器) N5 所以0.32 NT2 与习题13结果一致。 16、一常压操作的连续精馏塔中分离某理想溶液,原料液组成为 0.4,馏出液组成为 轻组分的摩尔分数),操作条件下,物系的相对挥发度α=2.0, 若操作回流比R=1.5Rmin, 0.95(均为 进料热状况 参数q=1.5,塔顶为全凝器, 试计算塔顶向下第二块理论板上升的气相组成和下降液体的组成。 解: 由相平衡方程式 2x 1 (1)x 由q线方程y XF X q1q1 SX043x0.8 0.50.5 式①②联立求解, 得到交点坐标 Xq=0.484、yq=0.652 由式(6-36)得 XDyq0.950.652, 1.77yqXq0.6520.484 R=1.5Rmin=1.5×1.77=2.66 RXD yR1XR1 精馏段操作线方程为 266x0950.73x0.26 3.663.66 用逐板计算法: 因塔顶为全凝器,则 y1=XD=0.95 由平衡线方程y1 2x1 1x1 由精馏段操作线方程 y20.73x10.26 0.730.9050.260.92 由相平衡方程 2x2 y2一得x2=0.85 1X2 17、用常压连续精馏塔分离苯—甲苯混合液。 已知原料液流量100kmol∕h,组成为0.40,馏出液 及釜液组成分别为0.95和0.03(均为摩尔分数),进料温度为40C,塔顶全凝器,泡点回流,R=3.0,塔釜为间接蒸汽加热,加热蒸气压力为300kPa(绝压),若忽略热损失,试求: (1)加热蒸汽用量; (2)冷却水用量(设冷却水进出口温差为15C) 解: 由全塔物料衡算 XF XW XDXW 0.400.03 0.950.03 100 40.22kmol∕h 查得xf=0.40时,泡点温度ts=96C,而进料温度tF=40C,故为冷进料。 查ts=96C时苯、甲苯的汽化潜热为 rA=389.4KJ∕kge=376.8KJ∕kg 则rm=0.4×389.4×78+0.6×376.8×92=32950kJ∕kmol 9640 查68C下CPA=CPB=1.88kJ∕(kg.C) 2 贝UCPm=0.4×1.88×78+0.6×1.88×92=162.4kJ/(kmol.C) 所以q CPm(tstF)rm rm 162.4(9640)32950 32950 1.28 精馏段上升蒸汽量V=(R+1)D=(3+1)×40.22=160.88kmol∕h 提馏段上升蒸汽量V=V+(q-1)F=160.88+(1.28-1)×100=188.88kmol∕h 塔釜和塔顶分别按纯甲苯和苯计算: (1)查Xw=0.03时ts=109.3C,对应的汽化潜热rB=380kJ∕kg 则QB=VrB=188.88×380×92=6.6×106kJ∕h 又查300kPa(绝压)下饱和水蒸气的汽化潜热r=2168.1kJ∕kg,则塔釜加热蒸汽消耗量 WB QB r 6.6106 2168.1 3 (2)查xd=0.95时,ts=81.2C,对应的汽化潜热rc=400kJ∕kg 则QC=VrC=160.88×400×78=5.02×106kJ∕h 冷却水消耗量 WC QC Cpc(t2tι) 5.02106 4.18715 4 7.9910kg/h 18、在连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液。 在全回流条件下测得相邻板上的液相组成分别为0.28、 0.41和0.57,试求三层板中较低两层板的液相单板效率。 操作条件下苯-甲苯混合液的平均相对挥发度可取2.5。 解: 已知x1=0.57、x2=0.41、X3=0.28 又全回流时操作线方程为 y2=x1、y3=x2、y4=χ3 故y2=0.57、y3=0.41、y4=0.28 由相平衡方程式 Y2 2.5x2 1(2.51)x2 0.57 得到X2 Y3 2.5X3 1(2.5 0.35 * 1)X3 0.41 X3 0.22 由式(6-46) EmL2 X1X2 0.57 EmL3 X1X2 X2X3 X2X3 0.41 0.73 0.570.35 0.410.28CCC 0.68 0.410.22 19、试计算习题14中精馏塔的塔径和有效高度。 已知条件如下: (1)进料量为100kmol∕h; (2)塔釜压力为114kPa,对应温度为102C,塔顶为常压,温度为66.2C,塔釜间接蒸汽加热; (3)全塔效率55%,空塔气速为0.84m∕s,板间距为0.35m。 解: 由习题14得知xf=0.35、xd=0.95、xw=0.05,泡点进料,R=1.42 由全塔物料衡算 F=D+W一100=D+W FXF=Dxd+Wxw 100×0.35=0∙95D+0∙05W 解之D=33.3kmol∕h V=V=(R+1)D=(1.42+1)×33.3=80∙59kmol∕h 因全塔平均温度为1°266.284.1C 2 1141013 所以平均操作压力为107.7kPa 2 22.4VTP0 3600T0P 22.480.59(27384.1)101.3 3600273107.7 3 0.617m/s g 40.617 3.140.84 0.97m 圆整为1000mm 由于习题14已求出Nτ=7 所以NP=NT/E=7e.55=12.7≈13 Z=(Np-1)HT=(13-1)×0.35=4.2m 20、试计算习题19中冷凝器的热负荷、冷却水的消耗量以及再沸器的热负荷、加热蒸汽的消耗量。 已知条件如下: (1)忽略冷凝器热损失,冷却水的进出口温度分别为25C和35C; (2)加热蒸汽的压力为232.2kPa,冷凝液在饱和温度下排出,再沸器的热损失为有效传热量的 12%。 解: 塔顶可近似按纯甲醇计算,则查塔顶66.2C下,rA=1130kJ∕kg 由式(6-38) QC=VrA=80.59×1130×32=2.91×106kJ∕h WC QC CPC(t2t1) 2.91106 4.187(3525) 6.95104kg/h 塔釜可近似按水计算,则查塔釜102C下,rB=2252kJ∕kg 由式(6-40) QB=V「b+Ql=80.59×18×2252×1.12=3.66×106kJ∕h Wh QB3.66106 Γh 2191.8 1670kg∕h 21、在连续精馏塔中分离二硫化碳-四氯化碳混合液。 原料液在泡点下进入塔内,其流量为4000kg∕h、组成为0.3(摩尔分数,下同)。 馏出液组成为0.95,釜液组成为0.025。 操作回流比取最小回流比的1.5倍,操作压强为常 压,全塔操作平均温度为61C,空塔气速为 0.8m∕s,塔板间距为0.4m,全塔效率为50%。 试求: (1)实际板层数; (2)两产品质量流量; 解: (1)由y-x相图中q线与平衡线的交点坐标为 则Rmin XDyq0.950.54 yqXq0.540.3 (3)塔径;(4)塔的有效高度。 Xq=XF=0.3,yq=0.54 1.71 R=1.5Rmin=1.5×1.71=2.57 所以精馏段操作线的截距 XD R1 0.95 2.571 0.266 在图中作出精馏段操作线和提馏段操作线,见附图。 得出Nτ=12-1=11块 NP=NT∕E=11∕0.5=22块 (2)解法一: 因Mf=0.3×76+0.7×154=130.6kg∕kmol F=4000∕130.6=30.63kmol∕h 由全塔物料衡算 F=D+W=>.30.63=D+W FXF=Dxd+Wxw30.63×0.3=0.95D+0.025W 解之D=9.11kmol∕hW=21.52kmol∕h Mw=0.025×76+0.975×154=152.05kg∕kmol 所以D=9.11×79.9=727.89kg∕h W=21.52×152.05=3272.12kg∕h 解法二: 各部分组成以质量分数表示 0.376 WF 0.175 0.3760.7154 0.9576 WD 0.95760.05154 0.02576 0.904 WW 0.025760.975154 0.0125 F=D+W= 4000=D+W FWF=DwD+Www 40000×0.175=0∙904D+0∙0125W 解之D=729kg∕h W=3271kg∕h (3)因为泡点进料,故q=1V=V V=(R+1)D=(2.57+1)×9.1仁32.52kmol∕h Vg 224VTP022∙432∙52(27361)0.248m3∕s 3600T0P3600273 由式(6-49) Di 40.248 3.140.8 0.628m 圆整为700mm。 (4)由式(6-47) Z=(Np-1)HT=(22-1)×0.4=8.4m 22、求习题21中冷凝器的热负荷和冷却水的消耗量以及再沸器的热负荷和加热蒸气的消耗量。 假设热损失可以忽略。 已知条件如下: (1) 40CO 塔内各处的操作温度为: 进料62C、塔顶47C、塔釜75C。 回流液和馏出液温度为 (2)加热蒸气表压强为100kPa,冷凝水在饱和温度下排出。 (3)冷却水进出口温度分别为25C和30C。 解: (1) 47C 塔顶近似按CS2,因塔顶泡点温度ts=47C,而回流液和馏出液温度tL=40C,查 rA=350kJ∕kg 47+40/2=43.5C下CPA=O.98kJ∕kg QC=(R+1)D[rA+CPA(ts-tL)]=(2.57+1)×727.89×[0.98×(47-40)+350] =9.3×105kJ∕h WCCPC(QCt1) 9.31054 4.4104kJ∕h 4.187(3025) (2)塔釜可近似按 CC∣4,查75C下rB=195kJ∕kg又V=V QB=VrB=(2.57+1)×727.89×195=5.07×105kJ/h 查饱和水蒸气101.33+100=201.33kPa(绝压)下,r=2205kJ∕kg 5 2.3102kg∕h 5.07105 2205 第七章干燥 1.常压下湿空气的温度为70C、相对湿度为10%,试求该湿空气中水汽的分压、湿度、湿比容、比热及焓。 解: t70C,10% 查得70C下水的饱和蒸汽压为31.36kPa。 水汽分压 PVPS0.131.363.136kPa 湿度 0.622 PV PPV 0.622 3.136 101.33.136 0.020kg/kg干气 湿比容 (0.7731.244H) 273t 273 比热 =(0.7731∙2440.。 20)響=1^m3/kg干气 CH1.011.88H=1.01+1.880.020=1.04*J∕kgT气C h(1.011.88H)t2492H =1.04870+24920.020=123.2kJ/kg干气 2.已知湿空气的(干球) 温度为50C,湿度为0.02kg∕kg干气,试计算下列两种情况下的相对 湿度及同温度下容纳水分的最大能力(即饱和湿度) 并分析压力对干燥操作的影响。 (1)总压为 101.3kPa; (2)总压为26.7kPa。 解: (1)P 101.3kPa时: PV H0.622PV PPV HP0.02101.3 0.622H0.6220.02 3.156kPa 查得 50C水的饱和蒸汽压为12.34kPa, 则相对湿度 饱和湿度: (2) PS100%S100% HS0.622- P 26.7kPa时: P'v 0.622H 25.57% PS —0.622 PS101.312.34 12.34 0.086kg/kg干气 ≡2⅛°.832kPa PjL100% PS °2≡100%6∙74% H's 0.622ps- P'PS 1234 0∙622K百0∙535kg∕kg干气 3.在h-H图上确定本题附表中空格内的数值。 干球温度 tC 湿球温度 tWC 露点温度 tdC 湿度 Hkg/kg干气 相对湿度 % 焓 hkJ/kg干气 水汽分压 PVkPa 1 (30) (20) 15 0.011 40 60 1.9 2 (40) 25 (20) 0.015 30 80 2.2 3 (50) 35 30 (0.03) 23 140 4.5 4 (50) 37 35.5 0.042 (50) 60 6.2 5 (60) 32 28 0.027 30 (120) 4 6 (70) 45 42.5 0.063 240 30 (9.5) 由此可知,当操作压力下降时, HS,可吸收更多的水分,即减压对干燥有禾薦 4.常压下湿空气的温度为30C,湿度为0.02kg水汽∕kg干气,计算其相对湿度。 若将此湿空气 经预热器加热到120C时,则此时的相对湿度为多少? 解: 湿空气中水汽分压 PV HP 0.622H 0.02101.3 0.6220.02 3.156kPa 30C时水蒸气的饱和蒸汽压ps=4.247kPa,则相对湿度 巴100%3156100%74.3% PS4.247 120C时水蒸气的饱和蒸汽压Ps=198.64kPa,而湿空气中的水汽分压不变,则相对湿度变为 'PV3.156 -100%100%1.59% PS198.64 5.已知在总压101.3kPa下,湿空气的干球温度为30C,相对湿度为50%,试求: (1)湿度; (2)露点;(3)焓;(4)将此状态空气加热至120C所需的热量,已知空气的质量流量为400kg绝 干气/h;(5)每小时送入预热器的湿空气体积。 (2)露点 由PV 解: (1)查得30C时水的饱和蒸汽压pS=4.247kPa, 水汽分压: PVPS0.54.2472.124kPa 湿度 H0.622PV0.62221240.0133kg水汽/kg干气 PPV101.32.124 2.124kPa,可查得对应的饱和温度为18oC,即为露点。 (3)焓 h(1.011.88H)t2492H =(1.011.880.0133)30+24920.0133=64.2kJ/kg干气 (4)所需热量 QLCH(t1t°) 4 400(1.011.880.0133)(12030)3.72610kJ/h10.35kW (5)湿空气体积 273t VLVH400(0.7731.244H)- 273 27330 400(0.7731.2440.0133) 273 3 350.5m/h 6.湿物料从含水量20%(湿基,下同)干燥至10%时,以1kg湿物料为基准除去的水份量,为从含水量2%干燥至1%时的多少倍? 解: 当湿物料从含水量20%干燥至10%时,相应的干基湿含量分别为 X1 W120 1W180 0.25kg/kg干料 X2 10 90 0.11kg/kg干料 绝干物料量GCG1(1w1)1(10.2)0.8kg 除去的水分量W1Gc(X1X2)0.8(0.250.11)0.112kg 当湿物料从含水量2%干燥至1%时,相应干基含水量分别为 X1 2 98 0.0204kg/kg干料 —0.0101kg/kg干料 99 GCG1(1W1)1(10.02)0.98kg W2Gc(X1X2)0.98(0.02040.0101)0.01kg 所以WL0IW11.2 W20.01 即第一种情况下除去的水分量是第二种情况下的11.2倍。 7.在一连续干燥器中,每小时处理湿物料1000kg,经干燥后物料的含水量由10%降至2%(均为湿基)。 以热空气为干燥介质,初始湿度为0.008kg水汽/kg干气,离开干燥器时的湿度为0.05kg水汽/kg干气。 假设干燥过程无物料损失,试求: (1)水分蒸发量; (2)空气消耗量;(3)干燥产 品量。 解: (1)干基含水量X1 占110.111kg水/kg干料 X2 W2 1W2 0.02 10.02 0.0204kg水/kg干料 绝干物料量 GCGi(1Wι) 1000 (10.1) 900kg干料/h 则水分蒸发量 WGc(X1X2)900(0.111 0.204)81.5kg/h (2)绝干空气消耗量 81.5 0.05 0.0081940kg/h 新鲜空气用量L L(1H0) 1940 (10.008)1956kg∕h (3)干燥产品量 GC 1W2 900 10.02 918.4kg/h G1W 100081.5918.5kg/h 8.温度t0=20C、湿度 H0=0.01kg水汽/kg干气的常压新鲜空气在预热器被加热到t1=75C 后,送入干燥器内干燥某种湿物料。 测得空气
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