化工原理 天大上师大化工重点题目.docx
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化工原理天大上师大化工重点题目
4.在常压下将某原料液组成为0.6(易挥发组分的摩尔)的两组溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏,若汽化率为1/3,试求两种情况下的斧液和馏出液组成。
假设在操作范围内气液平衡关系可表示为y=0.46x+0.549
解:
①简单蒸馏
由ln(W/F)=∫xxFdx/(y-x)以及气液平衡关系y=0.46x+0.549
得ln(W/F)=∫xxFdx/(0.549-0.54x)=0.54ln[(0.549-0.54xF)/(0.549-0.54x)]
∵汽化率1-q=1/3则q=2/3即W/F=2/3
∴ln(2/3)=0.54ln[(0.549-0.54×0.6)/(0.549-0.54x)]解得
x=0.498代入平衡关系式y=0.46x+0.549得
y=0.804
②平衡蒸馏
由物料衡算FxF=Wx+Dy
D+W=F将W/F=2/3代入得到
xF=2x/3+y/3代入平衡关系式得
x=0.509再次代入平衡关系式得y=0.783
8.某连续精馏操作中,已知精馏段y=0.723x+0.263;提馏段y=1.25x–0.0187
若原料液于露点温度下进入精馏塔中,试求原料液,馏出液和釜残液的组成及回流比。
解:
露点进料q=0
即精馏段y=0.723x+0.263过(xD,xD)∴xD=0.949
提馏段y=1.25x–0.0187过(xW,xW)∴xW=0.0748
精馏段与y轴交于[0,xD/(R+1)]即xD/(R+1)=0.263
∴R=2.61
连立精馏段与提馏段操作线得到交点坐标为(0.5345,0.6490)
∴xF=0.649
9.在常压连续精馏塔中,分离苯和甲苯的混合溶液。
若原料为饱和液体,其中含苯0.5(摩尔分率,下同)。
塔顶馏出液组成为0.9,塔底釜残液组成为0.1,回流比为2.0,试求理论板层数和加料板位置。
苯-甲苯平衡数据见例1-1。
解:
常压下苯-甲苯相对挥发度α=2.46
精馏段操作线方程y=Rx/(R+1)=2x/3+0.9/3
=2x/3+0.3
精馏段y1=xD=0.9由平衡关系式y=αx/[1+(α-1)x]得
x1=0.7853再由精馏段操作线方程y=2x/3+0.3得
y2=0.8236依次得到x2=0.6549y3=0.7366
x3=0.5320y4=0.6547
x4=0.4353∵x4﹤xF=0.5 精馏段需要板层数为3块 提馏段x1'=x4=0.4353 提馏段操作线方程y=L'x/(L'-W)-WxW/(L'-W) 饱和液体进料q=1 L'/(L'-W)=(L+F)/V=1+W/(3D) 由物料平衡FxF=WxW+DxD D+W=F代入数据可得D=W L'/(L'-W)=4/3W/(L'-W)=W/(L+D)=W/3D=1/3 即提馏段操作线方程y'=4x'/3–0.1/3 ∴y'2=0.5471 由平衡关系式y=αx/[1+(α-1)x]得x'2=0.3293 依次可以得到y'3=0.4058x'3=0.2173 y'4=0.2564x'4=0.1229 y'5=0.1306x'5=0.0576 ∵x'5 ∴提馏段段需要板层数为4块 ∴理论板层数为n=3+4+1=8块(包括再沸器) 加料板应位于第三层板和第四层板之间 12.用一连续精馏塔分离由组分A¸B组成的理想混合液。 原料液中含A0.44,馏出液中含A0.957(以上均为摩尔分率)。 已知溶液的平均相对挥发度为2.5,最回流比为1.63,试说明原料液的热状况,并求出q值。 解: 在最回流比下,操作线与q线交点坐标(xq,yq)位于平衡线上;且q线过(xF,xF)可以计算出q线斜率即q/(1-q),这样就可以得到q的值 由式1-47Rmin=[(xD/xq)-α(1-xD)/(1-xq)]/(α-1)代入数据得 0.63=[(0.957/xq)-2.5×(1-0.957)/(1-xq)]/(2.5-1) ∴xq=0.366或xq=1.07(舍去) 即xq=0.366根据平衡关系式y=2.5x/(1+1.5x) 得到yq=0.591 q线y=qx/(q-1)-xF/(q-1)过(0.44,0.44),(0.366,0.591) q/(q-1)=(0.591-0.44)/(0.366-0.44)得q=0.67 ∵0 13.在连续精馏塔中分离某种组成为0.5(易挥发组分的摩尔分率,下同)的两组分理想溶液。 原料液于泡点下进入塔内。 塔顶采用分凝器和全凝器,分凝器向塔内提供回流液,其组成为0.88,全凝器提供组成为0.95的合格产品。 塔顶馏出液中易挥发组分的回收率96%。 若测得塔顶第一层板的液相组成为0.79,试求: (1)操作回流比和最小回流比; (2)若馏出液量为100kmol/h,则原料液流量为多少? 解: (1)在塔顶满足气液平衡关系式y=αx/[1+(α-1)x]代入已知数据 0.95=0.88α/[1+0.88(α-1)]∴α=2.591 第一块板的气相组成y1=2.591x1/(1+1.591x1) =2.591×0.79/(1+1.591×0.79)=0.907 在塔顶做物料衡算V=L+D Vy1=LxL+DxD 0.907(L+D)=0.88L+0.95D∴L/D=1.593 即回流比为R=1.593 由式1-47Rmin=[(xD/xq)-α(1-xD)/(1-xq)]/(α-1)泡点进料xq=xF ∴Rmin=1.031 (2)回收率DxD/FxF=96%得到 F=100×0.95/(0.5×0.96)=197.92kmol/h 13.在常压连续精馏塔内分离乙醇—水、混合液,原料液为饱和液体,其中含乙醇0.15(摩尔分数,下同),馏出液组成不低于0.8,釜液组成为0.02,操作回流比为2。 若于精馏段某一塔板处侧线取料,其摩尔流量为馏出液摩尔流量的1/2,侧线产品为饱和液体,组成为0.60试求所需的理论板层数、加料板及侧线取料口的位置。 物系平衡数据见例1-10。 解: 由于精馏段由侧线取料,精馏段分为上下两段 侧线产品出口以上的操作线方程为 (1) 精馏段下段的操作方程由物料衡算出 联立 (2)(3)(4)得 联立 (1)和(5)解得两线交点坐标为 提馏段操作线与无侧线相同 图解法求理论板层数 精馏段上段操作线截据为 精馏段下段操作线截据为 图解求得理论板层数为11(含再沸器) 侧线出口为从塔顶上下的第5层板;加料板为从塔顶向下数的第9层理论板 15.在连续操作的板式精馏塔中分离苯-甲苯的混合液。 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,试计算三层中较低的两层的单板效率EMV。 操作条件下苯-甲苯混合液的平衡数据如下: x0.260.380.51 y0.450.600.72 解: 假设测得相邻三层板分别为第n-1层,第n层,第n+1层 即xn-1=0.28xn=0.41xn+1=0.57根据回流条件yn+1=xn ∴yn=0.28yn+1=0.41yn+2=0.57 由表中所给数据α=2.4 与第n层板液相平衡的气相组成yn*=2.4×0.41/(1+0.41×1.4)=0.625 与第n+1层板液相平衡的气相组成yn+1*=2.4×0.57/(1+0.57×1.4)=0.483 由式1-51EMV=(yn-yn+1)/(yn*-yn+1) 可得第n层板气相单板效率EMVn=(xn-1-xn)/(yn*-xn) =(0.57-0.41)/(0.625-0.41) =74.4% 第n层板气相单板效率EMVn+1=(xn-xn+1)/(yn+1*-xn+1) =(0.41-0.28)/(0.483-0.28) =64% 2.101.33kPa,10℃时,氧气在水中的溶解度可用P=3.31×106x表示。 式中: P为氧在气相中的分压kPa;x为氧在液相中的摩尔分率。 试求在此温度及压强下与空气充分接触的水中每立方米溶有多少克氧。 解: 氧在气相中的分压P=101.33×21%=21.28kPa 氧在水中摩尔分率x=21.28/(3.31×106)=0.00643×103 每立方米溶有氧0.0064×103×32/(18×10-6)=11.43g 3.某混合气体中含有2%(体积)CO2,其余为空气。 混合气体的温度为30℃,总压强为506.6kPa。 从手册中查得30℃时CO2在水中的亨利系数E=1.88×105kPa,试求溶解度系数Hkmol/(m3·kPa)及相平衡常数m,并计算每100g与该气体相平衡的水中溶有多少gCO2。 解: 由题意y=0.02,m=E/P总=1.88×105/506.6=0.37×103 根据亨利定律y=mx得x=y/m=0.02/0.37×103=0.000054即 每100g与该气体相平衡的水中溶有CO20.000054×44×100/18=0.0132g H=ρ/18E=103/(10×1.88×105)=2.955×10-4kmol/(m3·kPa) 7.在101.33kPa,27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。 甲醇在气,液两相中的浓度都很低,平衡关系服从亨利定律。 已知溶解度系数H=1.995kmol/(m3·kPa),气膜吸收系数kG=1.55×10-5kmol/(m2·s·kPa),液膜吸收系数kL=2.08×10-5kmol/(m2·s·kmol/m3)。 试求总吸收系数KG,并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。 解: 由1/KG=1/kG+1/HkL可得总吸收系数 1/KG=1/1.55×10-5+1/(1.995×2.08×10-5) KG=1.128×10-5kmol/(m2·s·kPa) 气膜阻力所占百分数为: (1/kG)/(1/kG+1/HkL)=HkL/(HkL+kG) =(1.995×2.08)/(1.995×2.08+1.55) =0.928=92.8% 11,在101.33kPa下用水吸收据于空气中的氨。 已知氨的摩尔分数为0.1,混合气体于40℃下进入塔底,体积流量为0.556m3/s,空塔气速为1.2m/s。 吸收剂用量为理论最小用量的1.1倍,氨的吸收率为95%,且已估算出塔内气相体积吸收总系数 的平均值为0.1112 。 在操作条件下的气液平衡关系为 试求塔径及填料层高度。 解: 塔截面积: 塔径: 又知: 则: 塔上填料层高度: 1.已知湿空气的总压强为50kPa,温度为60℃相对湿度40%,试求: (1)湿空气中水气的分压; (2)湿度;(3)湿空气的密度 解: (1)查得60℃时水的饱和蒸汽压PS=19.932kPa ∴水气分压P水气=PSф=19.932×0.4=7.973kPa (2)H=0.622P水气/(P-P水气)=0.622×7.973/(50-7.973) =0.118kg/kg绝干 (3)1kg绝干气中含0.118kg水气 x绝干=(1/29)/[(1/29)+(0.118/18)]=0.84 x水气=(0.118/18)/[(1/29)+(0.118/18)]=0.16 ∴湿空气分子量M0=18x水气+29x绝干气=18×0.16+29×0.84 =27.249g/mol ∴湿空气密度ρ=MP/RT=(27.24×10-3×50×103)/(8.314×333) =0.493kg/m3湿空气 2.在总压101.33KPa下,已知湿空气的某些参数,利用湿空气的H-I图查出本题附表中空格内的数值,并给出序号4中各数值的求解过程示意图。 习题2附表 序号 干球温度 湿球温度 湿度 相对湿度 始 水汽分压 露点 ℃ ℃ Kg/Kkg绝干气 % KJ/kg绝干气 KPa ℃ (60) (35) 2 (40) (25) 3 (20) (75) 4 (30) (4) 解: 序号 干球温度 湿球温度 湿度 相对湿度 焓 水汽分压 露点 1 (60) (35) 0.027 21 130 4.18 29 2 (40) 28 0.02 43 92 3.16 (25) 3 (20) 17 0.011 (75) 48 1.8 16 4 (30) 29 0.026 94 96 (4) 28 上表中括号内的数据为已知,其余值由图 查得。 分题4的求解示意图如附图所示,其中 为状态点。 5.采用如图所示的废气循环系统干燥湿物料,已知数据标于本题附图中。 假设系统热损失可忽略,干燥操作为等始干燥过程。 试求: (1)新鲜空气的耗量; (2)进入干燥器的湿空气的温度及焓;(3)预热器的加热量。 解: (1)新鲜空气消耗量 蒸发水量 绝干空气用量 新鲜空气用量 (1)由于干燥过程为等焓过程,故进出干燥器的空气的焓相等 即: 将 代入上式,解出 ( 的值在第4题中已解出) 所以,进入干燥器的湿蒸汽的温度为 ,焓为 (2)预热器的加热量 其中 所以
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