化工模拟复习题答案及步骤修正版.docx
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化工模拟复习题答案及步骤修正版
1.写出ChemCAD5中几种常用的反应器单元操作:
Equilibriumreactor(化学平衡反应器)、Gibbsreactor(吉布斯反应器)、Stoichiometicreactor(化学计量反应器)、Kineticreactor(动力学反应器)。
写出ChemCAD5中几种常用的蒸馏单元操作:
SHOR(简捷蒸馏)、SCDS(NR法严格蒸馏)、TOWR(内外环法严格蒸馏)、TPLS(内外环法复杂蒸馏)、BATC(间歇蒸馏)。
2.序贯模块法查CAS号和组分基本性质:
ThermoPhysical——Databank——View/Edit——输入组分号点击Ok——Synonyms中查询CAS号,BasicData中查询泡点温度(Normalboilingpoint)、临界温度(criticaltemperature);蒸汽压(vaporpressure)、理想气体热容(IdealGasHeatCapacity)得方程号和数值,通过菜单栏Help功能——ComponentDatabank——LibraryEquations查的对应方程号的表达形式。
A.利用ChemCAD,查询乙醇(ethanol)134的CAS号为:
64-17-5;其泡点温度为351.44K;蒸汽压(vaporpressure)库方程为ChemCAD中的库方程号为101,方程形式与系数分别为
其中A=74.475,B=-7164.3,C=-7.327,D=3.134e-006,E=2
B.利用ChemCAD,查询正丁醇(n-butanol)160的CAS号为:
71-36-3;其临界温度(criticaltemperature)为563.05K;液相粘度(VaporViscosity)方程为ChemCAD中的101号库方程,方程形式与系数分别为
A=-35.426,B=3184.5,C=3.2965,D=-3e-027,E=10。
C.利用ChemCAD,查询丙酮(acetone)140的CAS号为:
67-64-61;其泡点温度为508.2K;理想气体热容(IdealGasHeatCapacity)方程为ChemCAD中的107号库方程,方程形式与系数分别为
A=48120,B=164400,C=1250,D=71700,E=-524.4
3.组分的二元交互作用参数的查询:
ThermoPhysical——Databank——BIP’s——添加组分——NRTL——查得
、
、Alpha
A.利用ChemCAD,查询乙醇(ethanol)和水的NRTL模型方程的二元交互作用参数为:
i
j
Alpha
乙醇
水
377.577
653.885
0.5856
B.利用ChemCAD,查询甲醇(Methanol)117—水物系的NRTL模型方程的二元交互作用参数为:
i
j
甲醇
水
-24.4933
307.166
0.3001
C.利用ChemCAD,查询乙二醇(1,2-ethanediol)135和水的NRTL模型方程的二元交互作用参数为:
组分
组分
B12
B21
α
乙二醇
(1)
水
(2)
-338.073
405.263
0.2977
4.共沸混合物中的温度和组成的计算:
添加组分(工具栏快捷键
或者ThermoPhysical—Databank—Newcomponent}——注意改工程单位(Format—EngineeringUnits)——热力学模型具体按题目选择
Plot——TPXY——选择第一第二组分——模式(mode)选择恒压或者恒温——横轴(Axismode)为molefraction——点击okey,从图中查看交点,可放大并点击点读数。
A.异丙醇(Isopropanol)145和水在1atm下能够形成最低共沸物,利用Wilson模型方程,计算其共沸温度为80.13℃;该共沸物中异丙醇的含量为70mol%。
B.乙酸乙酯(EthylAcetateEthanol)155和水在1atm压下能够形成最低共沸物,利用Wilson模型方程,计算得到其共沸温度为71.91℃;共沸物中乙酸乙酯的含量为71mol%。
C.苯(Benzene)和环己烷(Cyclohexane)在1atm压下能够形成最低共沸物,利用Wilson模型方程,计算得到其共沸温度为77.62℃;共沸物中苯的含量为55mol%。
二、Flash模块计算泡露点以及平衡的气液相组成:
添加组分——改工程单位——选择热力学模型
定义进料流股
,输入压强、温度、气相摩尔分率和能量(其中只能定义两项)——算泡点时VaporFraction为0.0001,露点时为0.9999。
定义闪蒸模块:
根据题目选择flashmodeA\B\C题均0以进料T/P计算V/F、H
Run
——查看Result——setflowunits(mol%)——streamcomposition(productstream)——泡点时读取塔顶VB/mol%,露点时读取LD/mol%
A.由摩尔组成为0.3的苯(benzene)40、0.4的甲苯(toluene)41和0.3的对二甲苯(p-xylene)44所组成的混合物,在压力为106.7kPa下的泡点温度为378.40K,露点温度为392.02K。
将与泡点温度成平衡的气相组成VB和与露点温度成平衡的液相组成LD填入下表(热力学性质计算采用SRK方程)。
组分
VB/mol%
LD/mol%
苯
56.74
11.44
甲苯
32.42
33.95
对二甲苯
10.84
54.60
B.5atm下,组成为苯(benzene)30mol%、甲苯(toluene)30mol%、邻二甲苯42(o-xylene)40mol%的混合物,其泡点温度为176.63℃;露点温度为192.11℃;将与泡点温度成平衡的气相组成VB和与露点温度成平衡的液相组成LD填入下表。
(采用P-R模型方程)
组分
VB组成/mol%
LD组成
/mol%
苯
52.18
13.81
甲苯
28.70
24.23
邻二甲苯
19.12
61.95
C.总压1.0133MPa下混合液体的组成见下表,利用ChemCAD计算(采用SRK模型方程):
(1)混合液的泡点为114.16℃,与泡点温度成平衡的气相组成(填入表中)。
(2)混合液的露点为150.0℃,与露点温度成平衡的液相组成(填入表中)。
组分
原料组成mol%
泡点温度下平衡气相组成(mol%)
露点温度下平衡液相组成(mol%)
n-Butane
0.4
67.20
15.92
n-Pentane
0.31
26.27
21.91
n-Heptane
0.29
6.53
62.16
三、Flash模块计算闪蒸后流股的温度和气化率、热负荷:
添加组分——改工程单位——选择热力学模型。
定义进料流股
,输入压强、温度、气相摩尔分率等,注意题目给的为为组分的摩尔分率或者摩尔流率。
换热器模块:
Temperatureofstream输入温度。
定义闪蒸模块:
根据题目选择flashmode:
(具体模式)
2固定T和P计算V/F、H
5固定P和H计算V/F、T Run ——查看Result——setflowunits(mol%)——streamcomposition(productstream)——流股温度Temp,塔顶馏出液Total,塔顶为气相组成,塔釜为液相组成。 查看热负荷Heatduty——Result——UnitOps’同时也可查看K值。 A.现有温度为900oF,压强为500psia的进料流股,流股组成为: 组分 流量/bmol/hr hydrogen 405 methane 95 benzene 95 toluene 5 合计 600 为了达到分离要求,该流股须先经过一换热器冷却至200oF,后在14.7psia下进行绝热闪蒸,闪蒸后流股的温度为83.1010oF,汽化率为0.9667,(为D/W)并将最终的气相和液相产品中各组分的摩尔百分含量,以及该闪蒸条件下各组分的相平衡常数填入下表中(采用SRK模型方程)。 组分 流量/bmol/h 气相组成 液相组成 k值 hydrogen 405 69.82 0.020059 3480.844 methane 95 16.38 0.049379 331.659 benzene 95 13.31 89.015573 0.150 toluene 5 0.49 10.914991 0.045 总计 600 580.02 19.9728 B.总压1.0133MPa,温度110℃的流股100kmol/h,组成见下表,利用ChemCAD计算(采用SRK模型方程): (1)若保持压强不变,加热该流股至122℃使之部分汽化,汽化率为0.2711; (2)完成该次闪蒸过程所需的热负荷为746.35MJ/h; (3)平衡后的气、液两相的组成及K值(填入表中)。 组分 原料组成mol% 122℃下平衡气相组成(mol%) 122℃下平衡液相的组成(mol%) 122℃下K值 n-Butane 0.4 60.24 32.47 1.855 n-Pentane 0.31 30.07 31.34 0.959 n-Heptane 0.29 9.690 36.18 0.268 C.下表所示的流股常压下的气相分率为0.2,若要通过闪蒸,使得该流股在常压下的气化率达到0.5,则达到平衡时该流股的温度为33.9827℃;完成该次闪蒸过程所需的热负荷为658.5985MJ/h;将平衡后的气液相组成及该条件下各组分的K值填入下表。 (采用P-R模型方程) 组分 流量kmol/h 气相组成(wt%) 液相组成(wt%) K值 C3 5 8.74 0.70 10.575 i-C4 15 30.50 6.24 4.165 n-C5 25 37.73 34.53 0.391 i-C6 20 18.67 46.33 0.343 n-C6 5 4.38 12.20 0.306 四、纯组分的物性回归: A.下表所示为乙醇(ethanol)的部分饱和蒸汽压实验数据, 蒸汽压力(Pa) 温度(K) 2666.44 281.15 5332.88 292.15 7999.32 299.15 13332.2 308.05 26664.4 321.55 53328.8 336.65 101324.7 351.55 利用该数据,完成以下工作: (1)写出利用ChemCAD数据回归功能,回归乙酸安托尼方程系数的主要步骤; 主要步骤如下: 1.新建一个组分,或拷贝一个组分。 ThermoPhysical/Databank/Newcomponent ThermoPhysical/Databank/Copycomponent 2.回归纯组分物性数据 Tools/pureregression/Antoinevaporpressure 从列表中选择组分 显示方程形式 输入数据inputdata 给出结果resultreport (2)回归得到乙醇安托尼方程系数。 AntA=2.1997e+001 AntB=5.6170e+003 AntC=1.4575e+001 B.苯的饱和蒸汽压与温度的关系数据如下表, 温度(℃) 270.55 280.75 288.55 299.25 315.35 333.75 353.25 压力(kPa) 2.666 5.333 7.999 13.33 26.66 53.33 101.32 利用该数据,完成以下工作: (1)写出利用ChemCAD数据回归功能,回归苯Antoine方程系数的主要步骤;主要步骤如下: 1.新建一个组分,或拷贝一个组分。 ThermoPhysical/Databank/Newcomponent ThermoPhysical/Databank/Copycomponent 2.回归纯组分物性数据 Tools/pureregression/Antoinevaporpressure 从列表中选择组分 显示方程形式 输入数据inputdata 给出结果resultreport (2)回归得到苯Antoine方程系数。 AntA=2.2000e+001 AntB=7.3999e+003 AntC=-1.5000e+002 C.下表所示为部分乙酸130(AceticAcid)的饱和蒸汽压实验数据: T/℃ PS/kPa 55 9.655 60 12.086 70 18.514 80 27.587 90 40.088 100 56.939 120 108.121 140 191.477 利用该数据,完成以下工作: (1)写出利用ChemCAD数据回归功能,回归乙酸安托尼方程系数的主要步骤;主要步骤如下: 1.新建一个组分,或拷贝一个组分。 ThermoPhysical/Databank/Newcomponent ThermoPhysical/Databank/Copycomponent 2.回归纯组分物性数据 Tools/pureregression/Antoinevaporpressure 从列表中选择组分 显示方程形式 输入数据inputdata 给出结果resultreport (2)回归得到乙酸安托尼方程系数。 AntA=1.7216e+001 AntB=3.6601e+003 AntC=-4.5152e+001 五、简捷塔的计算: A.等摩尔苯(benzene)与甲苯(toluene)混合物于1大气压下在一精馏塔内进行蒸馏,饱和气体进料,要求馏出液中含98%(摩尔百分比,下同)苯,釜残液中含2%苯,规定操作回流比为最小回流比得1.8倍。 利用Shortcut单元操作进行设计计算, (1)要完成该计算,需做的主要规定有哪些? ①规定计算模式为“2”或“3” ②冷凝器类型为部分冷凝器,规定操作回流比与最小回流比的比值“R/Rmin”为1.8 ③规定轻关键组分(LK)和重关键组分(HK)分别为苯和甲苯,并规定其在塔顶的分离效率分别为0.98和0.02。 (2)完成该分离要求所需的的精馏塔最小理论板数为8.8;实际理论板数为14(13.9);进料位置为7(6.9);最小回流比为2.32;操作回流比为4.17(采用SRK模型方程)。 (3)分析回流比R/Rmin在1.1-5区间内变化时对进料板位置和理论板数的影响。 运用“CaseStudy”功能或灵敏度分析功能完成本小题工作。 R/Rmin NT NF 1.1 23 11.5 1.53 15.5 7.7 1.97 13.2 6.6 2.4 12.1 6.1 2.83 11.5 5.8 3.27 11.1 5.5 3.7 10.8 5.4 4.13 10.5 5.3 4.57 10.3 5.2 5 10.2 5.1 B.下表所示的流股在1000kPa下处于泡点状态,利用精馏操作对该流股进行分离。 要求精馏塔塔顶中最多只能含有0.4mol/h的1-Pentene,塔釜中最多只能含有0.2mol/h的i-Butene。 操作回流比采用1.6倍最小回流比,操作压强为进料压强并忽略塔压降,精馏塔顶采用部分冷凝器。 (采用SRK模型方程) 组分 流量mol/h Propylene 25 1-Butene 20 i-Butene 40 1-Pentene 50 1-Hexene 15 利用Shortcut单元操作进行设计计算, (1)要完成该计算,需做的主要规定有哪些? a)规定计算模式为2或3 b)冷凝器类型为部分冷凝器,规定R/Rmin为1.6, c)规定LK和HK分别为i-Butene和1-Pentene,并规定其在塔顶的分离效率分别为0.4671和0.0047 (2)计算得到完成该分离要求所需的精馏塔最小理论板数为5.5;实际理论板数为7(6.97);进料位置为7(6.13);最小回流比为0.68;操作回流比为3.42。 (3)分析当“R/Rmin”在1.1~5范围内变化时,设计计算所得操作回流比、精馏塔理论板数及进料板位置的变化情况。 R/RminRefluxratioNo.ofstgsFeedstg 1.100.7516.314.3 1.531.0511.510.1 1.971.359.88.6 2.401.648.87.8 2.831.948.27.2 3.272.247.86.9 3.702.537.56.6 4.132.837.36.4 4.573.137.16.3 5.003.427.06.1 C.利用精馏操作分离附表中的液体混合物,操作压力2780kPa,原料量100kmol/h,若要求精馏塔塔顶回收进料中91.1%的Ethane,塔釜回收进料中93.7%的Propylene。 精馏塔顶采用分凝器,操作压强为进料压强并忽略塔压降,操作回流比采用1.6倍最小回流比。 (采用SRK模型方程) 组分 Methane Ethane Propylene Propane i-Butane n-Butane 总量kmol/h 原料组成mol% 0.05 0.35 0.15 0.2 0.1 0.15 100 利用Shortcut单元操作进行设计计算, 1)要完成该计算,需做的主要规定有哪些? (a)规定计算模式为2或3 (b)类型为部分冷凝器,规定R/Rmin为1.6, (c)规定LK和HK分别为Ethane和Propylene,并规定其在塔顶的分离效率分别为0.8428和0.02498. 2)计算得到完成该分离要求所需的精馏塔最小理论板数为7.74;实际理论板数为14(13.71);进料位置为9(9.028);最小回流比为1.54;操作回流比为2.467。 3)分析当“R/Rmin”在1.1~5范围内变化时,设计计算所得操作回流比、精馏塔理论板数及进料板位置的变化情况。 R/RminRefluxratioNo.ofstgsFeedstg 1.101.7020.813.7 1.532.3614.29.3 1.973.0312.17.9 2.403.7011.07.3 2.834.3710.46.8 3.275.0410.06.6 3.705.709.76.4 4.136.379.46.2 4.577.049.36.1 5.007.719.16.0 六、(A)拟利用精馏操作分离以下流股。 进料流股为饱和液体进料,操作压力为700kPa,组成如下表所示。 组分 进料kmol/h 塔顶产品组成(mol%) 塔釜产品组成(mol%) Propane 2500 71.428567 0.000000 I-butane 400 11.428218 0.002942 N-butane 600 17.127159 0.127765 I-pentane 100 0.011610 23.161116 N-pentane 200 0.004450 46.475598 N-hexane 40 0 9.302333 N-heptane 50 0 11.627914 N-octane 40 0 9.302335 塔釜采出流率430kmol/h;回流比为1;理论板数26;进料位置第11块板。 该条件下物系的K值和焓值可以用Peng-Robinson方程计算。 若利用ChemCAD进行模拟计算,则 (1)应选择的单元操作为TOWR或SCDS; (2)完成该模拟计算过程所作的主要规定包括哪些? ①规定精馏塔理论板数为26,进料位置为11,规定冷凝器类型为部分冷凝器 ②规定操作回流比为“1”,规定精馏塔塔釜采出为430kmol/h (3)将计算得到的塔顶及塔釜产品的摩尔组成填入表中; (4)绘制精馏塔内温度T沿塔板的分布曲线T-N(板数自小到大分布); (5)写出利用灵敏度分析工具分析进料板位置对塔釜产品中N-C4摩尔含量影响的基本步骤。 ①新建灵敏度分析并命名 ②编辑自变量为设备参数,取精馏塔的“3”号变量“1stfeedstage”,即精馏塔第一进料板位置,规定其变化范围(应给出合理数值,如3-10)及数据点数 ③规定记录变量“Recorded”为流股变量,取精馏塔塔顶流股的“CompMolFrac”,并选中组分为“N-pentane” 4运行灵敏度分析“RunAll”,即可通过绘图或报告的形式查看进料位置变化对塔顶产品中N-pentane含量的影响。 (B)、利用精馏操作分离下表中的流股 组分 Methane Ethane Propylene Propane i-Butane n-Butane 总量kmol/h 原料组成mol% 0.05 0.35 0.15 0.2 0.1 0.15 100 塔顶采出组成mol% 13.15 79.95 4.24 2.64 0.015 0.004 塔釜采出组成mol% 0.005 7.46 21.59 30.64 16.12 24.19 该流股在2780kPa下泡点进料,原料量100kmol/h。 塔压: 2780kPa;采用部分冷凝器和再沸器,若回流比取2.0,塔顶采出流率: 38kmol/h,理论板数10块(不含分凝器、再沸器),进料位置第6块板,利用ChemCAD计算(采用SRK模型方程): (1)应选择的单元操作为TOWR或SCDS; (2)完成该模拟计算过
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