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°=,PB°=40kPa,液相摩尔组成xA=,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°);
=(P总-40)/(-40)
∴P总=;
yA=xA·PA°/P总=×/=
(2)α=PA°/PB°=/40=
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=+和y'=',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=+(精馏段)y′=′(提馏段)
∴R/(R+1)=
R=xD/(R+1)=xD=×=
!
两操作线交点时,y=y′x=x′
∴+=xF=
饱和液体进料q=1,xF=x=
提馏段操作线经过点(xW,xW)
∴y′=xw=-xW=
由全塔物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW
D=(xF—xW)/(xD-xW)F
=
∵饱和液体进料
V′=V=L+D=(R+1)D=×=h
-
6.已知某精馏塔进料组成xF=,塔顶馏出液组成xD=,平衡关系y=x+,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=xq+
(2);
yq=qxq/(q-1)-xf/(q-1)(3)
⑴q=0,由(3)yq=xf=,由
(2)xq=,
Rmin=由(3)xq=xf=,由
(2)yq=×+=,
Rmin=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:
(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=,yq=3×(1+2×=2=
Rmin/(Rmin+1)=
:
Rmin=4/5=
2.V=V′=(R+1)D=(2×+1)×50=130kmol/h
3.y=[R/(R+1)]x+xD/(R+1)=+
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,塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为和,采用回流比为最小回流比的倍,操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=。
(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×=D×+W×
∴D=/hW=/h
(2)xq=xF=,
yq=αxq/[1+(α—1)xq]=×[1+—1)×]=
Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=—/—=,
?
R=×Rmin=×=
精馏段的操作线方程为:
y=[R/(R+1)]x+xD/(R+1)
=[+1)]x+/+1)=+
y1=xD=,
x1=y1/[α-y1(α-1)]=/[—×—1)]=
y2=+=,
x2=/[—×]=
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。
进料为150kmol/h,组成为(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,塔釜采出液中甲苯的回收率为,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,全凝器凝液组成为,求由塔顶第二块板上升的汽相组成。
:
解:
(1)D·XD=·F·xF,W·(1-xW)=F·(1-xF)×,
D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×=60
W=kmol/hD=kmol/hxD=%
xW=%
(2)精馏段操作线方程
y(n+1)=xn·R/(R+1)+xD/(R+1)=n+
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]
—
=n'-
(3)∵q=0,ye=xF=,y=α·x/[1+[α-1)x]
∴xe=
Rmin=(xD-ye)/(ye-xe)=-/-=
R/Rmin=4/=
(4)Emv1=(y1-y2)/(y1*-y2)=
y1*=α×x1/[1+[α-1)x1]全回流时y2=x1,y1=xD=
∴y1*=·y2/(1+
∴Emv1=-y2)/[/(1+-y2]=
y2=%(mol%)
#
y2'=78×/[78×+92×(1-]=%(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。
进料为150kmol/h,组成为(摩尔分率)的饱和蒸汽,已知塔顶馏出液的流量为kmol/h,塔顶馏出液中苯的回收率为,回流比为最小回流比的倍,,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=·F·xF,D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×=60
W=kmol/hxD=%xW=%
(2)W·(1-xW)/F·(1-xF)=,
(3)∵q=0,ye=xF=,y=α·x/[1+[α-1)x]∴xe=
Rmin=(xD-ye)/(ye-xe)=-/-=
R/Rmin=∴R=4
《
(4)精馏段操作线方程y(n+1)=xn·R/(R+1)+xD/(R+1)=n+
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]=n'-
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=(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=,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=,V=1kmol/h,L=1/2kmol/h,
D=1/2kmol/h,R=1,α=,
⑴y0=α×x0/[1+(α-1)x0]=(1+-----------
(1)
1×y1=y0/2+x0/2------------
(2)
y0=2×代入
(1)2×=(1+,
&
x0=,
xD=y0=×(1+×=
⑵x1=y1/[α-(α-1)y1]=
y2=Rx1×/(R+1)+xD/(R+1)=2+2=
20.原料以饱和液体状态由塔顶加入,F=1kmol/s,xF=(摩尔分率,下同),塔釜间接蒸汽加热,塔顶无回流,要求xD=,xw=,相对挥发度α=,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+Wxw=D×+W×,
D=V’=,W=,L’=F=1,
y′=(L′/V′)x—W·xW/V′=(1/x-×
∴y′=-
⑵设顶部平衡xD=y=αxF/(1+(α-1)xF)=×(1+×=
,
DxD=>FxF不可能。
设底部平衡xw=0∴xD=FxF/D=
21.进料组成xF=(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=,xW=,相对挥发度α=,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+Wxw=D×+W×,
∴D=,W=,V=F=1,L=W=
y=[L/V]·x+DxD/V=+
⑵设底部平衡xw=xF/(α-(α-1)xF)=
xD=(FxF-Wxw)/D=不可能
设顶部平衡
xD=1,xw=(FxF-DxD)/W=
(
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=,xW=,xF=(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=,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=,在本题计算范围内,相平衡关系为y=x+。
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=,
全凝器:
y1=xD=
Emv=(y1-y2)/(y1*-y2)=(-y2)/(x1+-y2)=
即:
y2=-x1……(1)
由精馏段操作线方程:
(R+1)y2=Rx1+xD
y2=x1+……(2)
联解(1)、(2)式,得:
x1=y2=
(2)F+V'=D+W,V'=,∴F+=D+W
、
即:
F+=W……(3)
FxF=DxD+WxW……(4)式(3)代入式(4),消去W:
D/F=(xF-xW)/(xD+)=(-)/(+×)=
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CO2%(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=×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×=15KN/m2;与溶液成平衡的CO2分压为:
P*=Ex;对于稀溶液:
C=1000/18=kmol/m3,CO2的摩尔数n=370/(1000×44)=;x≈n/c==×10-4;∴P*=×105××10-4=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=KN/m2
3.总压100kPa,30℃时用水吸收氨,已知kG=×10-6kmol/(m2·s·kPa),kL=×10-4m/s,且知x=时与之平衡的p*=kPa。
求:
ky、kx、Ky。
(液相总浓度C按纯水计)
解:
ky=PkG=100××10-6=×10-4kmol/m2·s,
kx=CkL=××10-4=×10-2kmol/m2·s,
m=E/P,E=p*/x,m=p*/P·x=(100×=
1/Ky=1/ky+m/kx=1/×10-4)+m/×10-2)=2604+=
Ky=×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mmHg。
混合气体的处理量为1020kg/h,其平均分子量为,操作条件下的平衡关系为y=。
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=y2=p2/P=760=×10-5
-
L/G=5(L/G)min=5(y1-y2)/(y1/m)=5
G=1020/=hL=3.756G=133kmol/h
②S=m/(L/G)==NOG=1/(1-S)ln[(1-S)Y1/Y2+S]=。
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倍,已知该系统的平衡关系Y=(摩尔比),已知气相体积传质系数KYa=[kmol/],纯煤油的平均分子量Ms=170,塔径m。
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=,Y1=y1/(1-y1)==;Y2=Y1(1-η)=;G=940/=h;GB=G(1-y1)==kmol/h;
(Ls/GB)min=(Y1-Y2)/(Y1/m)=;
Ls==××=h=×170Kg/h=1281Kg/h;
X1=(Y1-Y2)/((Ls/GB)min)=;
x1=X1/(1+X1)=;HOG=GB/(KYaΩ)=3600)/××=1.12m;NOG=(Y1-Y2)/ΔYm;ΔY1=Y1-Y1*=;ΔYm=
NOG=;Z=HOG×NOG=×=m
!
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=,要求其收率φA=95%。
操作条件下mV/L=(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*=。
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=,x2=0,Y2=Y1(1-φA)=×(1-=
由最小溶剂用量公式
(L/G)min=(Y1-Y2)/(Y1/m-x2)=m·-/=0.95m
已知mG/L=则L/G=(1/)m=
∴(L/G)/(L/G)min==
m=Y1/X1*==
(2)由物料衡算式得:
X1=(Y2-Y1)/(L/G)=×=
(3)NOG=1/(1-mG/L)×ln[(1-mG/L)·(Y1-mX2)/(Y2-mX2)+mG/L]
、
=1/×ln[·Y1/+]=
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=(摩尔比),吸收率90%,气-液平衡关系y=。
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=,η=90%,y2=y1(1-η)=(1-=,x2=0,
x1*=y1/==,
(L/V)min=(y1-y2)/(x1*-x2)=,
L/V=2(L/V)min=2×=,x1=(y1-y2)/(L/V)+x2=-/=,y2*=0,y1*=×=,
Δym=(---0))/ln-/=
NOG=(y1-y2)/Δym=-/=,Z=×=[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H2S%(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(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=,y2=y1(1-η)=(1-=,
…
L=(y1-y2)/x1×G=-/×100=211kmol/m2h
x1max=x1*=y1/m=2=,x1/x1*==90%
②Δy1=y1-mx1=-2×=,Δy2=y2=,
Δym=-/ln(=
NOG=(y1-y2)/Δym=
③Z=G/Kya×NOGKya=G/Z×NOG=100/8×=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/,其中含氨6%(体积%),吸收率为99%,清水的流率为43kmol/,平衡关系为y=,气相体积总传质系数KGa与气相质量流率的次方成正比,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=,S=m/(L/G)==,y1=,
y2=y1(1-η)=(1-=,NOG=1/(1-S)ln[(1-S)Y1/Y2+S]=
HOG=h/NOG=3/=
:
当G↑一倍,G’=2G=36kmol/m2hS’=2S=
NOG’=1/(1-S’)ln[(1-S’)Y1/Y2+S’]=,HOG’=(G’/G)×HOG=
Z’=×=6.79m∴填料层高度应增加3.79米。
14.有一填料层为3m的逆流吸收塔,操作压强为1atm,温度为
20℃,用清水吸收空气中的氨,混合气体流率为36kmol/m2·h,其中含氨6%(体积%),吸收率为99%,清水流率为86kmol/m2·h,平衡关系为y=,气相总传质系数KGa与气相质量流率的次方成正比,而受液相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,液体流率增加一倍时,所需填料层高度有何变化
解:
L/G=86/36=,S=m/(L/G)==,
y1=,y2=y1(1-η)=×(1-=
NOG=1/(1-S)·ln[(1-S)·(y1-y2*)/(y2-y2*)+S]=
HOG=h/NOG=3/=0.486m
当L↑一倍,L’=2L,s’=m/(L/G)=s/2=
;
NOG’==1/(1-S’)·ln[(1-S’)·(y1-y2*)/(y2-y2*)+S’]=
由于气相总传质系数受L的影响很小,G不变,所以HOG’≈HOG
Z’=NOG’×HOG’=×=2.56m即所需填料层高度可以降低。
ΔZ=
15.在一逆流操作的填料塔中,用含A组分%的矿物油吸收混合气中的A组分。
已知进口混合气中A组分的含量为y1=%(以上均为mol%),操作压力为1atm。
系统平衡关系服从拉乌尔定律。
操作温度下A组分的饱和蒸汽压为380mmHg。
试求
(1)出口矿物油中A组分的最大浓度。
(2)若A组分的回收率为85%,求最小液气比。
(3)当吸收剂用量为最小用量的3倍时,气相总传质单元高度HOG=,求填料层高度。
(此时回收率不变)
解:
(1)PA=yAP=XAPA°,yA=PA°/P×XA=380/760×XA=,
X1*=y1/==,
(2)y2=(1-φ)y1=×=
(3)(L/G)min=(y1-y2)/(x1*-x2)=NOG×HOG,NOG=1/(1-1/A)×ln[(1-1/A)(y1-mx2)/(y2-mx2)+1/A]
L=3Lmin,S=m/(L/G)=(3×=
NOG=1/ln[Z=×=3.805m
17.已知某填料吸收塔直径为1m,填料层高度4m。
用清水逆流吸收空气混合物中某可溶组分,该组分进口浓度为8%,出口为1%(均为mol%),混合气流率为30kmol/h,操作液气比为2,相平衡关系y=2x。
试求:
①操作液气比为最小液气比的多少倍②气相总传质系数Kya。
③塔高为2米处气相浓度。
④若塔高不受限制,最大吸收率为多少
解:
①因为x2=0,所以(L/G)min=(y1-y2)/(y1/m)=2×()/=;
(L/G)/(L/G)min=2/=倍;
1因为L/G=m=2,操作线与平衡线平行,且x2=0,Δym=y2;
所以NOG=(y1-y2)/Δym=()/=7,
HOG=Z/NOG=4/7m,Kya=G/(HOG×Ω)=30/(4/7××1)=kmol/m3h
2NOG=Z/HOG=2/(4/7)=∴=(y1-y2)/y2=()/→y=,
④ηmax=(y1-y2’)/y1=1,因为y2=0,"挟点"同时出现在塔顶,塔底。
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