化工分离工程习题答案.doc

分离工程习题
第一章
1. 列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。
答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸取蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。
属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸取、吸附。
5.海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M，式中C为溶解盐的浓度，g/cm3；M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035 g/cm3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa?
答：渗透压π=RTC/M＝8314×298×0.035/31.5=2.753kPa。
所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa。
9.假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表达在所附简图中。求：
（1） 总变更量数Nv;
（2） 有关变更量的独立方程数Nc；
（3） 设计变量数Ni;
（4） 固定和可调设计变量数Nx , Na；
（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？
思绪1：
3股物流均视为单相物流，
总变量数Nv=3(C+2)=3c+6
独立方程数Nc
物料衡算式 C个
热量衡算式1个
相平衡组成关系式C个
1个平衡温度等式
1个平衡压力等式 共2C+3个
故设计变量Ni
=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3
固定设计变量Nx＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个
可调设计变量Na＝0
解：
（1） Nv = 3 ( c+2 )
（2） Nc 物 c
能 1
相 c
内在(P，T) 2
Nc = 2c+3
（3） Ni = Nv – Nc = c+3
（4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3
（5） Nau c+3 – ( c+3 ) = 0
思绪2：
输出的两股物流当作是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2)
独立方程数Nc：物料衡算式 C个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个
设计变量数 Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3
固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个
可调设计变量Na：有0
11.满足下列规定而设计再沸汽提塔见附图，求：
（1） 设计变更量数是多少？
（2） 假如有，请指出哪些附加变量需要规定？
解： Nxu 进料 c+2
压力 9
c+11=7+11=18
Nau 串级单元 1
传热 1
合计 2
NVU = Nxu+Nau = 20
附加变量：总理论板数。
16.采用单个精馏塔分离一个三组分混合物为三个产品(见附图),试问图中所注设计变量能否使问题有唯一解?假如不,你认为还应规定哪个(些)设计变量?
解: NXU 进料 c+2
压力 40+1+1
c+44 = 47
Nau 3+1+1+2 = 7
Nvu = 54
设计变量：回流比，馏出液流率。

第二章

4.一液体混合物的组成为：苯0.50；甲苯0.25；对二甲苯0.25(摩尔分率)。分别用平衡常数法和相对挥发度法计算该物系在100kPa式的平衡温度和汽相组成。假设为完全抱负系。
解1：
(1)平衡常数法：
设T=368K
用安托尼公式得：
； ；
由式(2-36)得：
； ；
； ； ；
由于>1.001，表白所设温度偏高。
由题意知液相中含量最大的是苯，由式(2-62)得：
可得
反复上述环节：
； ；
； ； ；
在温度为367.78K时，存在与之平衡的汽相，组成为：苯0.7765、甲苯0.1511、对二甲苯0.066675。
(2)用相对挥发度法：
设温度为368K，取对二甲苯为相对组分。计算相对挥发度的：
； ；
组分i
苯(1)
甲苯(2)
对二甲苯(3)

0.50
0.25
0.25
1.000

5.807
2.353
1.000

2.9035
0.5883
0.2500
3.7418

0.7760
0.1572
0.0668
1.0000
解2：
(1)平衡常数法。假设为完全抱负系。设t=95℃
苯： ；

甲苯： ；

对二甲苯：；

；

选苯为参考组分：；解得T2=94.61℃
；
；
=0.6281 =0.2665

故泡点温度为94.61℃，且；
；
(2)相对挥发度法
设t=95℃，同上求得=1.569，=0.6358，=0.2702
，，

故泡点温度为95℃，且；
；
11.组成为60%(mol)苯，25%甲苯和15%对二甲苯的100kmol液体混合物，在101.3kPa和100℃下闪蒸。试计算液体和气体产物的量和组成。假设该物系为抱负溶液。用安托尼方程计算蒸气压。
解：在373K下
苯：

甲苯：

对二甲苯：

计算混合组分的泡点TB TB=364.076K
计算混合组分的露点TD TD=377.83K

此时：x1=0.38，x2=0.3135，x3=0.3074，L=74.77kmol；
y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968V=25.23kmol。
12.用图中所示系统冷却反映器出来的物料，并从较重烃中分离轻质气体。计算离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。从反映器出来的物料温度811K，组成如下表。闪蒸罐操作条件下各组分的K值：氢-80；甲烷-10；苯-0.01；甲苯-0.004
组分
流率，mol/h
氢
200
甲烷
200
苯
50
甲苯
10
解：以氢为1，甲烷为2，苯为3，甲苯为4。
总进料量为F=460kmol/h，
，，，
又K1=80，K2=10，K3=0.01，K4=0.004
由式(2-72)试差可得：Ψ=0.87，
由式(2-68)计算得：
y1=0.4988，y2=0.4924，y3=0.008，y4=0.0008；V=400.2mol/h。
14.在101.3kPa下，对组成为45%(摩尔)正己烷，25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。
⑴求泡点和露点温度
⑵将此混合物在101.3kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度，两相的组成。
解：⑴由于各组分都是烷烃，所以汽、液相均可当作抱负溶液，KI只取决于温度和压力，可使用烃类的P-T-K图。
泡点温度计算得：TB=86℃。
露点温度计算得：TD=100℃。
⑵由式(2-76)求T的初值为93℃，查图求KI
组分
正己烷
正庚烷
正辛烷
zi
0.45
0.25
0.30
Ki
1.92
0.88
0.41

0.2836
-0.0319
-0.2511

所以闪蒸温度为93℃。
由式(2-77)、(2-68)计算得：
xC6=0.308，xC7=0.266，xC8=0.426
yC6=0.591，yC7=0.234，yC8=0.175
所以液相中含正己烷30.8%，正庚烷26.6%，正辛烷42.6%；
汽相中含正己烷59.1%，正庚烷23.4%，正辛烷17.5%。

第三章
12.在101.3Kpa压力下氯仿(1)-甲醇(2)系统的NRTL参数为： =8.9665J/mol，=-0.83665J/mol，=0.3。试拟定共沸温度和共沸组成。
安托尼方程(：Pa；T：K)
氯仿：
甲醇：
解：设T为53.5℃
则

=76990.1 =64595.6
由，=
==0.06788
==1.2852

=
=

=
=
-===0.1755
求得=0.32 =1.2092 =0.8971

=
=69195.98Pa101.3kPa
设T为60℃
则

=95721.9 =84599.9
-===0.1235
设T为56℃
则

=83815.2 =71759.3
-===0.1553
当-=0.1553时求得=0.30 =1.1099 =0.9500

=
=75627.8Pa101.3kPa
14.某1、2两组分构成二元系，活度系数方程为，，端值常数与温度的关系：A=1.7884-4.2510-3T (T，K)
蒸汽压方程为
(P：kPa：T：K)
假设汽相是抱负气体，试问99.75Kpa时①系统是否形成共沸物？②共沸温度是多少？
解：设T为350K
则A=1.7884-4.2510-3350=1.7884-1.4875=0.3009
；=91.0284 kPa
；=119.2439 kPa
由于在恒沸点
由得

解得：=0.9487 =0.0513
；=1.0008
；=1.3110
P==1.00080.948791.0284+1.31100.0513119.2439
=95.0692 kPa
设T为340K
则A=1.7884-4.2510-3340=0.3434
；=64.7695 kPa
；=84.8458 kPa
由；
解得：=0.8931 =1-0.8931=0.1069
；=1.0039
；=1.3151
P==1.00390.893164.7695+1.31510.106984.8458
=69.9992 kPa
设T为352K
则A=1.7884-4.2510-3352=0.2924
；=97.2143 kPa
；=127.3473 kPa
由；
=0.9617 =1-0.9617=0.0383
；=1.0004
；=1.3105
P==1.00040.961797.2143+1.31050.0383127.3473
=99.9202 kPa
说明系统形成共沸物，其共沸温度为352K。
判断，而=1.313，=1.002
· ，且，
· 故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为344.5K。
·
·
· 第四章
· 1.某原料气组成如下：
组分 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 i-C5H12 n-C5H12 n-C6H14
y0(摩尔分率) 0.765 0.045 0.035 0.025 0.045 0.015 0.025 0.045
先拟用不挥发的烃类液体为吸取剂在板式塔吸取塔中进行吸取，平均吸取温度为38℃，压力为1.013Mpa，假如规定将i-C4H10回收90%。试求：
(1) 为完毕此吸取任务所需的最小液气比。
(2) 操作液气比为组小液气比的1.1倍时，为完毕此吸取任务所需理论板数。

(3) 各组分的吸取分率和离塔尾气的组成。
(4) 求塔底的吸取液量
解：(1)最小液气比的计算：
在最小液气比下 N=∞，A关=关=0.0.85
=0.56 0.85=0.476
(2)理论板数的计算：
操作液气比=1.20.476=0.5712

(3)尾气的数量和组成计算：
非关键组分的
吸取率
被吸取的量为，塔顶尾气数量
塔顶组成
按上述各式计算，将结果列于下表
组分

Kmol/h
Ki

CH4
76.5
17.4
0.033
0.032
2.524
73.98
0.920
C2H6
4.5
3.75
0.152
0.152
0.684
3.816
0.047
C3H8
3.5
1.3
0.439
0.436
1.526
1.974
0.025
i-C4H10
2.5
0.56
1.02
0.85
2.125
0.375
0.0047
n-C4H10
4.5
0.4
1.428
0.95
4.275
0.225
0.0028
i-C5H12
1.5
0.18
3.17
1.00
1.500
0.0
0.0
n-C5H12
2.5
0.144
3.97
1.00
2.500
0.0
0.0
n-C6H14
4.5
0.056
10.2
1.00
4.500
0.0
0.0
合计
100.0
-
-
-
19.810
80.190

(4)塔底的吸取量
塔内气体平均流率：Kmol/h
塔内液体平均流率：
而，即100+=80.37+
联立求解得=61.33Kmol/h. =41.70Kmol/h
解2：由题意知，i-C4H10为关键组分
由P=1.013Mpa，t平=38℃
查得K关=0.56 (P-T-K图)
(1)在最小液气比下 N=∞，A关=中关=0.9
=0.56 0.9=0.504
(2)=1.10.504=0.5544

所以 理论板数为

(3)它组分吸取率公式 ，
计算结果如下：
组分

进料量
相平衡常数Ki

被吸取量
塔顶尾气
数量
组成
CH4
76.5
17.4
0.032
0.032
2.448
74.05
0.923
C2H6
4.5
3.75
0.148
0.148
0.668
3.834
0.048
C3H8
3.5
1.3
0.426
0.426
1.491
2.009
0.025
i-C4H10
2.5
0.56
0.99
0.90
2.250
0.250
0.003
n-C4H10
4.5
0.4
1.386
0.99
4.455
0.045
0.0006
i-C5H12
1.5
0.18
3.08
1.00
1.500
0.0
0.0
n-C5H12
2.5
0.144
3.85
1.00
2.500
0.0
0.0
n-C6H14
4.5
0.056
9.9
1.00
4.500
0.0
0.0
合计
100.0
-
-
-
19.810
80.190

以CH4为例：
=
=
V1(CH4)=(1-)VN+1=(1-0.032)76.5=74.05

（3） 塔内气体平均流率：Kmol/h
塔内液体平均流率：L=
由=0.5544
=40.05Kmol/h