化工原理下册部分题.docx
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化工原理下册部分题
1.某双组分理想物系当温度t=80℃时,PA°=106.7kPa,PB°=40kPa,液相摩尔组成xA=0.4,试求:
⑴与此液相组成相平衡的汽相组成y;⑵相对挥发度α。
解:
(1)xA=(P总-PB°)/(PA°-PB°);
0.4=(P总-40)/(106.7-40)
∴P总=66.7kPa;
yA=xA·PA°/P总=0.4×106.7/66.7=0.64
(2)α=PA°/PB°=106.7/40=2.67
5.某精馏塔在常压下分离苯-甲苯混合液,此时该塔的精馏段和提馏段操作线方程分别为y=0.723x+0.263和y'=1.25x'-0.0188,每小时送入塔内75kmol的混合液,进料为泡点下的饱和液体,试求精馏段和提馏段上升的蒸汽量为多少(kmol/h)。
解:
已知两操作线方程:
y=0.723x+0.263(精馏段)y′=1.25x′-0.0188(提馏段)
∴R/(R+1)=0.723
R=2.61xD/(R+1)=0.263xD=3.61×0.263=0.9494
两操作线交点时,y=y′x=x′
∴0.723x+0.263=1.25x-0.0188xF=0.5347
饱和液体进料q=1,xF=x=0.5347
提馏段操作线经过点(xW,xW)
∴y′=xw=1.25xW-0.0188xW=0.0752
由全塔物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW
D=(xF—xW)/(xD-xW)F
=(0.5347-0.0752)/(0.9494-0.0752)×75=39.42kmol/h
∵饱和液体进料
V′=V=L+D=(R+1)D=3.61×39.42=142.3kmol/h
6.已知某精馏塔进料组成xF=0.5,塔顶馏出液组成xD=0.95,平衡关系y=0.8x+0.2,试求下列二种情况下的最小回流比Rmin。
⑴饱和蒸汽加料;⑵饱和液体加料。
解:
Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)
(1);
yq=0.8xq+0.2
(2);
yq=qxq/(q-1)-xf/(q-1)(3)
⑴q=0,由(3)yq=xf=0.5,由
(2)xq=(0.5-0.2)/0.8=0.375,
Rmin=(0.95-0.5)/(0.5-0.375)=3.6
⑵q=1,由(3)xq=xf=0.5,由
(2)yq=0.8×0.5+0.2=0.6,
Rmin=(0.95-0.6)/(0.6-0.5)=3.5
9.用常压精馏塔分离双组分理想混合物,泡点进料,进料量100kmol/h,加料组成为50%,塔顶产品组成xD=95%,产量D=50kmol/h,回流比R=2Rmin,设全塔均为理论板,以上组成均为摩尔分率。
相对挥发度α=3。
求:
1.Rmin(最小回流比)2.精馏段和提馏段上升蒸汽量。
3.列出该情况下的精馏段操作线方程。
解:
1.y=αx/[1+(α-1)x]=3x/(1+2x)泡点进料q=1,
xq=xF=0.5,yq=3×0.5/(1+2×0.5)=1.5/2=0.75
Rmin/(Rmin+1)=(0.95-0.75)/(0.95-0.5)=0.20/0.45=4/9
Rmin=4/5=0.8
2.V=V′=(R+1)D=(2×0.8+1)×50=130kmol/h
3.y=[R/(R+1)]x+xD/(R+1)=0.615x+0.365
12.某精馏塔用于分离苯-甲苯混合液,泡点进料,进料量30kmol/h,进料中苯的摩尔分率为0.5,塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10,采用回流比为最小回流比的1.5倍,操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=2.4。
(1)求塔顶、底的产品量;
(2)若塔顶设全凝器,各塔板可视为理论板,求离开第二块板的蒸汽和液体组成。
解:
(1)F=D+W,FxF=DxD+WxW
30=D+W,30×0.5=D×0.95+W×0.10
∴D=14.1kmol/hW=15.9kmol/h
(2)xq=xF=0.5,
yq=αxq/[1+(α—1)xq]=2.4×0.5/[1+(2.4—1)×0.5]=0.706
Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=(0.95—0.706)/(0.706—0.5)=1.18,
R=1.5×Rmin=1.5×1.18=1.77
精馏段的操作线方程为:
y=[R/(R+1)]x+xD/(R+1)
=[1.77/(1.77+1)]x+0.95/(1.77+1)=0.639x+0.343
y1=xD=0.95,
x1=y1/[α-y1(α-1)]=0.95/[(2.4—0.95×(2.4—1)]=0.888
y2=0.639x1+0.343=0.910,
x2=0.910/[2.4—0.910×(2.40-1)]=0.808
18.用板式精馏塔在常压下分离苯-甲苯溶液,塔顶采用全凝器,塔釜用间接蒸汽加热,平均相对挥发度为2.47。
进料为150kmol/h,组成为0.4(摩尔分率)的饱和蒸汽,回流比为4,塔顶馏出液中苯的回收率为0.97,塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95,求:
(1)塔顶馏出液及塔釜采出液的组成;
(2)精馏段及提馏段操作线方程;(3)回流比与最小回流比的比值。
(4)全回流操作时,塔顶第一块板的气相莫弗里板效率为0.6,全凝器凝液组成为0.98,求由塔顶第二块板上升的汽相组成。
解:
(1)D·XD=0.97·F·xF,W·(1-xW)=F·(1-xF)×0.95,
D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×0.4=60
W=87.3kmol/hD=62.7kmol/hxD=92.8%
xW=2.06%
(2)精馏段操作线方程
y(n+1)=xn·R/(R+1)+xD/(R+1)=0.8xn+0.1856
提馏段操作线方程为y(n+1)'=L'·xn'/V'-W·xw/V'
q=0,V'=(R+1)D-F,L'=DR,
y(n+1)'=xn'·R·D/[(R+1)D-F]-W·xw/[(R+1)D-F]
=1.534xn'-0.011
(3)∵q=0,ye=xF=0.4,y=α·x/[1+[α-1)x]
∴xe=0.02125
Rmin=(xD-ye)/(ye-xe)=(0.928-0.4)/(0.4-0.2125)=2.816
R/Rmin=4/2.816=1.42
(4)Emv1=(y1-y2)/(y1*-y2)=0.6
y1*=α×x1/[1+[α-1)x1]全回流时y2=x1,y1=xD=0.98
∴y1*=2.47·y2/(1+1.47y2)
∴Emv1=(0.98-y2)/[2.47y2/(1+1.47y2)-y2]=0.6
y2=96.93%(mol%)
y2'=78×0.9693/[78×0.9693+92×(1-0.9693)]=96.4%(质量%)
改编:
用板式精馏塔在常压下分离苯-甲苯溶液,塔顶采用全凝器,塔釜用间接蒸汽加热,平均相对挥发度为2.47。
进料为150kmol/h,组成为0.4(摩尔分率)的饱和蒸汽,已知塔顶馏出液的流量为62.7kmol/h,塔顶馏出液中苯的回收率为0.97,回流比为最小回流比的1.42倍,,求:
(1)塔顶馏出液及塔釜采出液的组成;
(2)塔釜采出液中甲苯的回收率(3)回流比(4)精馏段及提馏段操作线方程;
解:
(1)D·XD=0.97·F·xF,D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×0.4=60
W=87.3kmol/hxD=92.8%xW=2.06%
(2)W·(1-xW)/F·(1-xF)=0.95,
(3)∵q=0,ye=xF=0.4,y=α·x/[1+[α-1)x]∴xe=0.02125
Rmin=(xD-ye)/(ye-xe)=(0.928-0.4)/(0.4-0.2125)=2.816
R/Rmin=1.42∴R=4
(4)精馏段操作线方程y(n+1)=xn·R/(R+1)+xD/(R+1)=0.8xn+0.1856
提馏段操作线方程为y(n+1)'=L'·xn'/V'-W·xw/V'
q=0,V'=(R+1)D-F,L'=DR,
y(n+1)'=xn'·R·D/[(R+1)D-F]-W·xw/[(R+1)D-F]=1.534xn'-0.011
14.
常压连续精馏塔分离二元理想溶液,塔顶上升蒸汽组成y1=0.96(易挥发组分摩尔分率),在分凝器内冷凝蒸汽总量的1/2(摩尔)作为回流,余下的蒸汽在全凝器内全部冷凝作塔顶产品,操作条件下,系统平均相对挥发度α=2.4,求:
⑴塔顶产品及回流液的组成;⑵由塔顶第二层理论板上升的蒸汽组成。
解:
y1=0.96,V=1kmol/h,L=1/2kmol/h,
D=1/2kmol/h,R=1,α=2.4,
⑴y0=α×x0/[1+(α-1)x0]=2.4x0/(1+1.4x0)-----------
(1)
1×y1=y0/2+x0/2------------
(2)
y0=2×0.96-x0代入
(1)2×0.96-x0=2.4x0/(1+1.4x0),
x0=0.944,
xD=y0=2.4×0.944/(1+1.4×0.944)=0.976
⑵x1=y1/[α-(α-1)y1]=0.96/(2.4-1.4×0.96)=0.909,
y2=Rx1×/(R+1)+xD/(R+1)=0.909/2+0.976/2=0.943
20.原料以饱和液体状态由塔顶加入,F=1kmol/s,xF=0.5(摩尔分率,下同),塔釜间接蒸汽加热,塔顶无回流,要求xD=0.65,xw=0.03,相对挥发度α=2.7,试求:
⑴操作线方程;⑵设计时若理论板数可增至无穷,F、xF和D不变,xD的最大值是多少?
解:
⑴F=D+W,1=D+W,FxF=DxD+Wxw0.5=D×0.65+W×0.03,
D=V’=0.758,W=0.242,L’=F=1,
y′=(L′/V′)x—W·xW/V′=(1/0.758)x-0.242×0.03/0.758
∴y′=1.32x-0.00958
⑵设顶部平衡xD=y=αxF/(1+(α-1)xF)=2.7×0.5/(1+1.7×0.5)=0.73
DxD=0.553>FxF不可能。
设底部平衡xw=0∴xD=FxF/D=0.66
21.进料组成xF=0.2(摩尔组成,下同),以饱和蒸汽状态自精馏塔底部加入,塔底不再设再沸器,要求xD=0.95,xW=0.11,相对挥发度α=2.7,试求:
⑴操作线方程;⑵设计时若理论板数可增至无穷,且D/F不变,则塔底产品浓度的最低值为多少?
解:
⑴F=D+W,设F=1,1=D+W,FxF=DxD+Wxw0.2=D×0.95+W×0.11,
∴D=0.107,W=0.893,V=F=1,L=W=0.893
y=[L/V]·x+DxD/V=0.893x+0.1017
⑵设底部平衡xw=xF/(α-(α-1)xF)=0.0847
xD=(FxF-Wxw)/D=1.16不可能
设顶部平衡
xD=1,xw=(FxF-DxD)/W=0.104
22.某精馏塔分离A组分和水的混合物(其中A为易挥发组分),xD=0.95,xW=0.1,xF=0.5(均为摩尔分率),原料在泡点下进入塔的中部。
塔顶采用全凝器,泡点回流,回流比R=1.5,塔底用饱和水蒸汽直接加热,每层塔板气相默夫里板效率Emv=0.5,在本题计算范围内,相平衡关系为y=0.5x+0.5。
试求:
⑴从塔顶的第一块实际板下降的液体浓度;⑵塔顶的采出率D/F。
解:
(1)∵q=1,∴饱和水蒸汽用量V'=V=(R+1)D=2.5D,
全凝器:
y1=xD=0.95
Emv=(y1-y2)/(y1*-y2)=(0.95-y2)/(0.5x1+0.5-y2)=0.5
即:
0.5y2=0.7-0.25x1……(1)
由精馏段操作线方程:
(R+1)y2=Rx1+xD
2.5y2=1.5x1+0.95……(2)
联解(1)、(2)式,得:
x1=0.927y2=0.9365
(2)F+V'=D+W,V'=2.5D,∴F+2.5D=D+W
即:
F+1.5D=W……(3)
FxF=DxD+WxW……(4)式(3)代入式(4),消去W:
D/F=(xF-xW)/(xD+1.5xW)=(0.5-0.1)/(0.95+1.5×0.1)=0.364
1.当系统服从亨利定律时,对同一温度和液相浓度,如果总压增大一倍,则与之平衡的气相浓度(或分压)
(A)y增大一倍;(B)P增大一倍;(C)y减小一倍;(D)P减小一倍。
解:
体系服从亨利定律,则:
y*=E/P·x,现已知P增大一倍,即P’=2P,x、E不变,则y*’=y*/2,分压PA’=P’·y*’=PA,∴平衡气相浓度y减小一倍,分压不变,故选择(C)。
2.在总压P=500KN/m2、温度t=27℃下使含CO23.0%(体积%)的气体与含CO2370g/m3的水相接触,试判断是发生吸收还是解吸?
并计算以CO2的分压差表示的传质总推动力。
已知:
在操作条件下,亨利系数E=1.73×105KN/m2。
水溶液的密度可取1000kg/m3,CO2的分子量为44。
解:
气相主体中CO2的分压为P=500×0.03=15KN/m2;与溶液成平衡的CO2分压为:
P*=Ex;对于稀溶液:
C=1000/18=55.6kmol/m3,CO2的摩尔数n=370/(1000×44)=0.00841;x≈n/c=0.00841/55.6=1.513×10-4;∴P*=1.73×105×1.513×10-4=26.16KN/m2;
∵P*>P;于是发生脱吸作用。
以分压差表示的传质推动力为ΔP=P*-P=11.16KN/m2
3.总压100kPa,30℃时用水吸收氨,已知kG=3.84×10-6kmol/(m2·s·kPa),kL=1.83×10-4m/s,且知x=0.05时与之平衡的p*=6.7kPa。
求:
ky、kx、Ky。
(液相总浓度C按纯水计)
解:
ky=PkG=100×3.84×10-6=3.84×10-4kmol/m2·s,
kx=CkL=55.6×1.83×10-4=1.02×10-2kmol/m2·s,
m=E/P,E=p*/x,m=p*/P·x=6.7/(100×0.05)=1.34
1/Ky=1/ky+m/kx=1/(3.84×10-4)+m/(1.02×10-2)=2604+131.4=2735.4
Ky=3.656×104kmol/m2·s(Δy);
5.在20℃和760mmHg,用清水逆流吸收空气混合气中的氨。
混合气中氨的分压为10mmHg,经吸收后氨的分压下降到0.051mmHg。
混合气体的处理量为1020kg/h,其平均分子量为28.8,操作条件下的平衡关系为y=0.755x。
若吸收剂用量是最小用量的5倍,求吸收剂的用量和气相总传质单元数。
解:
①y1=p1/P=10/760=0.01316y2=p2/P=0.051/760=6.71×10-5
L/G=5(L/G)min=5(y1-y2)/(y1/m)=5(0.01316-6.71*10-5)/(0.01316/0.755)=3.756
G=1020/28.8=35.42kmol/hL=3.756G=133kmol/h
②S=m/(L/G)=0.755/3.756=0.201NOG=1/(1-S)ln[(1-S)Y1/Y2+S]=6.33。
7.用填料塔从混合气体中吸收所含的苯。
混合气体中含苯5%(体积%),其余为空气,要求苯的回收率为90%(以摩尔比表示),25℃,常压操作,入塔混合气体为每小时940[标准m3],入塔吸收剂为纯煤油,煤油的用量为最小用量的1.5倍,已知该系统的平衡关系Y=0.14X(摩尔比),已知气相体积传质系数KYa=0.035[kmol/m3.S],纯煤油的平均分子量Ms=170,塔径0.6m。
试求:
(1)吸收剂的耗用量为多少[Kg/h]?
(2)溶液出塔浓度X1为多少?
(3)填料层高度Z为多少[m]?
解:
η=90%,y1=0.05,Y1=y1/(1-y1)=0.05/(1-0.05)=0.05263;Y2=Y1(1-η)=0.005266;G=940/22.4=41.96kmol/h;GB=G(1-y1)=41.96(1-0.05)=39.87kmol/h;
(Ls/GB)min=(Y1-Y2)/(Y1/m)=(0.05263-0.00526)/(0.05263/0.14)=0.126;
Ls=1.5Lsmin=1.5×0.126×39.87=7.536kmol/h=7.536×170Kg/h=1281Kg/h;
X1=(Y1-Y2)/(1.5(Ls/GB)min)=(0.05263-0.00526)/(1.5×0.126)=0.251;
x1=X1/(1+X1)=0.2006;HOG=GB/(KYaΩ)=(39.87/3600)/(0.035×0.785×0.6)=1.12m;NOG=(Y1-Y2)/ΔYm;ΔY1=Y1-Y1*=0.05263-0.14×0.251=0.01749
ΔY2=Y2-Y2*=0.00526;ΔYm=(0.01749-0.00526)/ln(0.01749/0.00526)=0.01018
NOG=(0.05263-0.00526)/0.01018=4.65;Z=HOG×NOG=1.12×4.65=5.2m
8.在常压逆流操作的填料塔内,用纯溶剂S吸收混合气体中的可溶组分A。
入塔气体中A的摩尔分率y1=0.03,要求其收率φA=95%。
操作条件下mV/L=0.8(m可取作常数),平衡关系为Y=mX,与入塔气体成平衡的液相浓度X1*=0.03。
试计算:
(1)操作液气比为最小液气比的倍数;
(2)吸收液的浓度x1;(3)完成上述分离任务所需的气相总传质单元数NOG。
解:
(1)Y1=3/97=0.03093,x2=0,Y2=Y1(1-φA)=0.03093×(1-0.95)=0.00155
由最小溶剂用量公式
(L/G)min=(Y1-Y2)/(Y1/m-x2)=m·(0.031-0.00155)/0.031=0.95m
已知mG/L=0.8则L/G=(1/0.8)m=1.25m
∴(L/G)/(L/G)min=1.25/0.95=1.316
m=Y1/X1*=0.03093/0.03=1.031
(2)由物料衡算式得:
X1=(Y2-Y1)/(L/G)=(0.03093-0.00155)/(1.25×1.031)=0.0228
(3)NOG=1/(1-mG/L)×ln[(1-mG/L)·(Y1-mX2)/(Y2-mX2)+mG/L]
=1/(1-0.8)×ln[(1-0.8)·Y1/(0.05Y1)+0.8]=7.84
10.用清水吸收氨-空气混合气中的氨。
混合气进塔时氨的浓度y1=0.01(摩尔比),吸收率90%,气-液平衡关系y=0.9x。
试求:
(1)溶液最大出口浓度;
(2)最小液气比;(3)取吸收剂用量为最小吸收剂用量的2倍时,传质单元数为多少?
(4)传质单元高度为0.5m时,填料层高为几米?
解:
已知y1=0.01,η=90%,y2=y1(1-η)=0.01(1-0.9)=0.001,x2=0,
x1*=y1/0.9=0.01/0.9=0.0111,
(L/V)min=(y1-y2)/(x1*-x2)=(0.01-0.001)/0.0111=0.811,
L/V=2(L/V)min=2×0.811=1.62,x1=(y1-y2)/(L/V)+x2=(0.01-0.001)/1.62=0.00556,y2*=0,y1*=0.9×0.00556=0.005,
Δym=((0.01-0.005)-(0.001-0))/ln(0.01-0.005)/0.001=0.0025
NOG=(y1-y2)/Δym=(0.01-0.001)/0.0025=3.6,Z=0.5×3.6=1.8[m]。
11.在填料层高为8m的填料塔中,用纯溶剂逆流吸收空气—H2S混合气中的H2S以净化空气。
已知入塔气中含H2S2.8%(体积%),要求回收率为95%,塔在1atm、15℃下操作,此时平衡关系为y=2x,出塔溶液中含H2S为0.0126(摩尔分率),混合气体通过塔截面的摩尔流率为100kmol/(m2·h)。
试求:
①单位塔截面上吸收剂用量和出塔溶液的饱和度;②气相总传质单元数;③气相体积总传质系数。
注:
计算中可用摩尔分率代替摩尔比。
解①y1=0.028,y2=y1(1-η)=0.028(1-0.95)=0.0014,
L=(y1-y2)/x1×G=(0.028-0.0014)/0.0126×100=211kmol/m2h
x1max=x1*=y1/m=0.028/2=0.014,x1/x1*=0.0126/0.014=90%
②Δy1=y1-mx1=0.028-2×0.0126=0.0028,Δy2=y2=0.0014,
Δym=(0.0028-0.0014)/ln(0.0028/0.0014)=0.00202
NOG=(y1-y2)/Δym=13.2
③Z=G/Kya×NOGKya=G/Z×NOG=100/8×13.2=165kmol/m3h。
13.有一填料层高度为3m的逆流操作的吸收塔,操作压强为1atm,温度为23℃,用清水吸收空气中的氨气,混合气体流率为18kmol/m2.h,其中含氨6%(体积%),吸收率为99%,清水的流率为43kmol/m2.h,平衡关系为y=0.9x,气相体积总传质系数KGa与气相质量流率的0.8次方成正比,而受液体质量流率的影响甚小。
试估算在塔径、回收率及其他操作条件不变,而气体流率增加一倍时,所需填料层高度有何变化?
解:
L/G=43/18=2.3
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