化工原理课后习题答案上下册(钟理版).doc

下册第一章蒸馏

1. 苯酚(C6H5OH)(A)和对甲酚(C6H4(CH3)OH)(B)的饱和蒸气压数据为
温度
T℃
苯酚蒸气压
kPa
对甲酚蒸气压
kPa
温度
t℃
苯酚蒸气压
kPa
对甲酚蒸气压
kPa
113.7
114.6
115.4
116.3
117.0
10.0
10.4
10.8
11.19
11.58
7.70
7.94
8.2
8.5
8.76
117.8
118.6
119.4
120.0

11.99
12.43
12.85
13.26

9.06
9.39
9.70
10.0

试按总压P=75mmHg(绝压)计算该物系的“t-x-y”数据, 此物系为理想体系。
解：
总压 P=75mmHg=10kp。
由拉乌尔定律得出 xA＋xB=P
所以
xA=；yA=。
因此所求得的t-x-y数据如下：
t, ℃ x y
113.7 1 1
114.6 0.837 0.871
115.4 0.692 0.748
117.0 0.440 0.509
1178 0.321 0.385
118.6 0.201 0.249
119.4 0.095 0.122
120.0 0 0.

2. 承接第一题，利用各组数据计算
（1）在x=0至x=1范围内各点的相对挥发度,取各的算术平均值为，算出对的最大相对误差。
（2）以平均作为常数代入平衡方程式算出各点的“y-x”关系,算出由此法得出的各组yi值的最大相对误差。
解：
（1）对理想物系，有 ＝。所以可得出
t, ℃ 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 117.8 118.6 119.4 120.0
1.299 1.310 1.317 1.316 1.322 1.323 1.324 1.325 1.326
算术平均值==1.318。对的最大相对误差＝。
（2）由得出如下数据：
t, ℃ 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 117.8 118.6 119.4 120.0
1 0.837 0.692 0.558 0.440 0.321 0.201 0.095 0
1 0.871 0.748 0.625 0.509 0.384 0.249 0.122 0
各组yi值的最大相对误差=0.3%。

3.已知乙苯(A)与苯乙烯(B)的饱和蒸气压与温度的关系可按下式计算:

式中 的单位是mmHg,T的单位是K。
问:总压为60mmHg(绝压)时，A与B的沸点各为多少?在上述总压和65℃时,该物系可视为理想物系。此物系的平衡气、液相浓度各为多少摩尔分率？
解：
由题意知
TA=334.95K＝61.8℃
TB=342.84K=69.69℃
65℃时，算得＝68.81mmHg；=48.93 mmHg。由 xA＋（1－xA）=60得
xA＝0.56， xB=0.44; yA= xA/60=0.64; yB=1-0.64=0.36。

4 无

5 若苯—甲苯混合液中含苯0.4（摩尔分率），试根据本题中的t—x—y关系求：
（1） 溶液的泡点温度及其平衡蒸气的瞬间组成；
（2） 溶液加热到100℃，这时溶液处于什么状态？各相的量和组成为若干？
（3） 该溶液加热到什么温度时才能全部气化为饱和蒸气？这时蒸气的瞬间组成如何？
toC 80.1 85 90 95 100 105 110.6
x 1.000 0.780 0.581 0.411 0.258 0.130 0
y 1.000 0.900 0.777 0.632 0.456 0.262 0
解：
（1）由苯—甲苯的t—x—y关系得x=0.4时，
泡点温度＝95.5℃
平衡蒸气的瞬间组成＝0.615
（2）溶液加热到100℃时处于气液混合共存区气液相组成各位
x=0.26；y=0.47。
根据杠杆原理，气液相量之比＝＝2:1。
（3）由气液平衡关系知溶液加热到102℃时才能全部气化为饱和蒸气，此时y=0.4。

6 常压下将含苯（A）60%、甲苯（B）40%（均指摩尔百分数）的混合液闪蒸（即平衡蒸馏），得平衡气、液相，气相摩尔数占总摩尔数的分率—气化率（1-q）为0.30。物系相对挥发度=2.47，试求：闪蒸所得气、液相的浓度。
若改用简单蒸馏，令残液浓度与闪蒸的液相浓度相同，问：馏出物中苯的平均浓度为多少？ 提示：若原料液、平衡液、气相中A的摩尔分率分别以xF、x、y表示，则存在如下关系： 。
解：
（1）闪蒸
由和，解方程得＝0.54。从而＝0.74。
（2）简单蒸馏
由方程和得出
=0.79，即馏出物中苯的平均浓度为79％。

7． 某二元物系，原料液浓度xF =0.42，连续精馏分离得塔顶产品浓度xD=0.95。已知塔顶产品中易挥发组分回收率=0.92，求塔底产品浓度xW。以上浓度皆指易挥发组分的摩尔分率。
解：
由和得出=0.056。
8 有一二元理想溶液，在连续精馏塔中精馏。原料液组成50%(摩尔%)，饱和蒸气进料。原料处理量为每小时l00kmol，塔顶、塔底产品量各为50kmol/h，已知精馏段操作线方程为y=0.833x+0.15，塔釜用间接蒸气加热，塔顶采用全凝器，泡点回流。试求:
（1） 塔顶塔底产品组成(用摩尔分率表示)；
（2） 全凝器中每小时冷凝蒸气量;
（3） 提馏段操作线方程;
（4） 若全塔平均相对挥发度=3.0，塔顶第一块板的液相默弗里板效率EML=O.6, 求离开塔顶第二块板的气相组成。
解：
（1）由精镏段方程及已知的精馏段操作线方程为y=0.833x+0.15得出
和＝0.15， 解得
＝5，xD＝0.9，xW=0.1
（2）全凝器中每小时冷凝蒸气量V＝(+1)D=300（kmol/h）。
（3）提镏段操作线方程
＝1.25－0.025。
（4）求离开塔顶第二块板的气相组成
EML=＝0.6，又＝＝＝=0.75
解得＝0.81
又由物料平衡得
＝－( xD－)＝0.9－（0.9－0.81）＝0.825。

9 有一二元理想溶液 ，在连续精馏塔中精馏。原料液组成50%(摩尔%)，饱和蒸汽进料。原料处理量为每小时l000kmol，塔顶、塔底产品量各为500kmol/h，已知精馏段操作线方程为y=0.86x+0.12，塔釜用间接蒸气加热，塔顶采用全凝器，泡点回流。试求:
（1） 回流比R、塔顶、塔底产品组成 (用摩尔分率表示)；
（2）.精馏段上升的蒸气量qn(V)及提馏段下降的液体量qn(L’)
（3） 提馏段操作线方程；
（4） 若相对挥发度 a = 2.4，求回流比与最小回流比的比值： 。
解：
（1）回流比R、塔顶、塔底产品组成
＝0.86＋0.12，解得
R＝6.14，xD＝0.857，xW=0.143。
（2）精馏段上升的蒸气量qn(V)及提馏段下降的液体量qn(L’)
L’＝L＝RD=3070 kmol/h， V＝（R＋1）D＝3570 kmol/h。
（3）提馏段操作线方程
＝1.19－0.02
（4）＝＝1.734
所以＝3.54。

10 某连续精馏操作中，已知操作线方程如下：
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塔中，试求原料液，馏出液和釜残液的组成及回流比。
解：
由题意知 ＝0.723，所以=2.61
＝0.263，所以 =0.95。
由＝＝1.25-0.0187得出＝0.0748。
因为露点进料，q线方程为：y=。由q点坐标（解两段操作线方程）x=0.535, y=0.65，得
＝0.65

11.用一连续精馏塔分离由组分A，B所组成的理想混合液，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，最小回流比为1.63，试说明原料液的热状况，并求出q值。
解：
平衡线方程为： ＝＝。
精镏段操作线方程为：＝0.62＋0.364。所以
q点坐标为： =0.365， ＝0.59
因为 =0.365<＝0.44, ＝0.59>，所以原料为气液混合物。
由q线方程可得
＝（1－q）＋q，解得
q＝0.667。

12 无

13 在常压连续精馏塔中，分离苯—甲苯混合液，若原料为饱和液体，其中含苯为0.5，塔顶馏出液中含苯0.9，塔底釜残液中含苯0.1（以上均为摩尔分率）,回流比为4.52，试求理论板层数和加料板位置。物系平衡资料见题7。
解：
按M-T图解法求理论板层数。图示步骤略。
精镏段操作线截距＝＝＝0.163。
绘得的理论板层数为：
N＝16。
加料板为从塔顶往下的第三层理论板。

14在常压连续提馏塔中分离含乙醇0.033的乙醇—水混合液。饱和液体进料，直接蒸气加热。若要求塔顶产品乙醇回收率为0.99，试求
（1）在无限多层理论板层数时，计算每摩尔进料所需蒸气量；
（2）若蒸气量取为2倍最小蒸气量时，求所需理论板层数及两产品的组成。
假设塔内气液恒摩尔流动。常压下气液平衡资料列于例1-5题附表中。
解：
由方程F＋V0=D+W和F=D+W及D＝0.99 F解得
=0.00033。
（1） 在无限多层理论板层数时的操作线斜率为：
， 直接蒸汽加热，=0。
由平衡数据查得，=0.033，＝0.270，所以解得 ＝0.121（mol/mol进料）。
（2） ＝2时所需理论板层数及两产品的组成
显然=, ==0.99，所以=0.135。
图解法求得理论板层数为5（图解法略）。

15在连续操作的板式精馏塔中分离苯—甲苯混合液。在全回流的条件下测得相邻板上的液体组成分别为0.28，0.41和0.57，试求三层板中较低的两层的单板效率。操作条件下苯—甲苯混合液的平衡资料如下。
x 0.26 0.38 0.51
y 0.45 0.60 0.72
解：
在全回流操作时，＝。
由板效率定义知 Em, v=，＝＝0.41，＝＝0.57。由表查得＝0.628。
所以 Em, 2==0.73=73％。
同理 Em, 3=67％。

16. 有一精馏塔，已知塔顶馏出液组成xD =0.97（摩尔分数），回流比R=2，塔顶采用全凝器，泡点回流，其气液平衡关系为，求从塔顶数起离开第一块板下降的液体组成x1和离开第二块板上升的气相组成y2。
解：
由推出
由于＝xD =0.97，所以 x1＝0.75。故
＝－( xD－)=0.82。

17—19 无

第二章 吸收
暂无

第五章 干燥
1 无
5-2 1.0133×105Pa（1个大气压）、温度为50℃的空气，如果湿球温度为30℃，计算：（1）湿度；（2）焓；（3）露点；（4）湿比容
解：
1、H=0.021, I=116kJ/kg, td=25˚C

5-3 已知一个干燥系统的操作示意图如下：
在I－H图中画出过程示意图
求循环空气量qm,L
C，83oC,

HC=0.03kg•kg-1干气
φ＝80％
B

83oC
A
14 oC
HA=0.01k•kg-1干气
冷凝水，1kg•h-1
预热器
理论干燥器
间壁冷凝器

HA=0.01
HA=0.03
Φ=0.8
tA=14℃
tA=83℃

解：
示意图，见右图

5-4在一连续干燥器中干燥盐类结晶，每小时处理湿物料为1000kg，经干燥后物料的含水量由40%减至5%（均为湿基），以热空气为干燥介质，初始湿度H1为0.009kg水•kg-1绝干气，离开干燥器时湿度H2为0.039kg水•kg-1绝干气，假定干燥过程中无物料损失，试求：
（1） 水分蒸发是qm,W （kg水•h-1）；
（2） 空气消耗qm,L（kg绝干气•h-1）；
原湿空气消耗量qm,L’（kg原空气•h-1）；
（3）干燥产品量qm,G2（kg•h-1）。
解：
qmG1=1000kg/h, w1=40℃, w2=5%
H1=0.009, H2=0.039
qmGC=qmG1(1-w1)=1000(1-0.4)=600kg/h
x1=0.4/0.6=0.67, x2=5/95=0.053
①qmw=qmGC(x1-x2)=600(0.67-0.053)=368.6kg/h
②qmL(H2-H1)=qmw

qmL’=qmL(1+H1)=12286.7(1+0.009)=12397.3kg/h
③qmGC=qmG2(1-w2)
∴
5-5某厂利用气流干燥器将含水20%的物料干燥到5%（均为湿基），已知每小时处理的原料量为1000kg，于40℃进入干燥器，假设物料在干燥器中的温度变化不大，空气的干球温度为20℃，湿球温度为16.5℃，空气经预热器预热后进入干燥器，出干燥器的空气干球温度为60℃，湿球温度为40℃，干燥器的热损失很小可略去不计，试求：
（1） 需要的空气量为多少m3•h-1？（以进预热器的状态计）
（2） 空气进干燥器的温度？
0℃时水的汽化热2491.27kJ•kg-1，空气与水汽比热分别为1.01与1.88kJ•kg-1•K-1
解：
w1=0.2, w2=0.05, qmG1=1000kg/h, θ1=40℃, t0=20℃, tw0=16.5℃, t2=60℃, tw2=40℃
Q=1.01qmL(t2-t0)+qmw(2490+1.88t2)+qmGC(θ2-θ1)+Qc
I1=I2
查图得：H0=0.01, H2=0.045
I1=(1.01+1.88H0)t1+2490H0=(1.01+1.88H2)t2+2490H2
=(1.01+1.88×0.045)×60+2490×0.045＝177.7
(1.01+1.88×0.01)t1+2490×0.01=1.03t1+24.9=177.7
℃
qmGC=qmG1(1-w1)=1000(1-0.2)=800
x1=0.2/0.8=0.25, x2=5/95=0.053
qmw=qmGC(x2-x1)=800(0.25-0.053)=157.6

qmL’=qmL(1+H0)=4502.9(1+0.01)=4547.9
5-6湿物料含水量为42%，经干燥后为4%（均为湿基），产品产量为0.126kg/s，空气的干球温度为21℃，相对湿度40%，经预热器加热至93℃后再送入干燥器中，离开干燥器时空气的相对湿度为60%，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求：
（1） 在I—图H上画出空气状态变化过程的示意图；
（2） 设已查得H0=0.008kg水•kg-1绝干气，H2=0.03 kg水•kg-1绝干气)，求绝干空气消耗量qm,L（kg绝干气•s-1）。
H2=0.03
φ2=0.6
t0=21℃
t1=93℃
I1=I2
φ0=0.6
预热器供应之热量（kw）。
解：
w1=0.42,w2=0.04, qmG2=0.126kg/s
t0=21, φ0=0.4, t1=93, φ2=0.6, I1=I2
H0=0.008, H2=0.03
qmG2(1-w2)=qmG1(1-w1)
∴
∴qmw=qmG1- qmG2=0.209-0.126=0.0826

Qp=qmL(I1-I0)=qmL(1.01+1.88H1)(t1-t0)=3.752(1.01+1.88×0.008)(93-21)=301.2kg/s
5-7有一连续干燥器在常压下操作，生产能力为1000kg •h-1（以干燥产品计）物料水分由12%降为3%（均为湿基）物料温度则由15℃至28℃，绝干物料的比热为1.3KJ •kg-1绝干料，℃，空气的初温为25℃，湿度为0.01kg •kg-1绝干空气，经预热器后升温至70℃，干燥器出口废气为45℃，设空气在干燥器进出口处焓值相等，干燥系统热损失可忽略不计，试求：
① 在H—I图上（或t—H图上）示意画出湿空气在整个过程中所经历的状态点；
② 空气用量（m3•h-1）（初始状态下）；
为保持干燥器进出口空气的焓值不变，是否需要另外向干燥器补充或移走热量？其值为多少？
解：
qmG2=1000, w1=12%, w2=3%, θ1=15, θ2=28, Cs=1.3, t0=25℃, H0=0.01, t1=70℃, t2=45℃, I1=I2
①qmGc=1000(1-0.12)=880, x1=12/88=0.136, x2=3/97=0.0309
qmw=880(0.136-0.0309)=92.5
I1=(1.01+1.88H0)t1+2490H0=(1.01+1.88×0.01)×70+2490×0.01＝96.9
I2=(1.01+1.88H2)×45+2490H2=45.5+2574.6H2=96.9
∴H2=(96.9-45.5)/2574.6=0.02

qmL’=9250(1+0.01)=9343
②qmLI1+QD+qmGcI1’=qmLI2+qmGcI2’
qmL(I1-I2)+QD=qmGc(I΄2-I΄1)=qmGc(Cs+Cwx1)(θ2-θ1)
=880(1.3+4.18×0.136)(28-15)=21375kg/h
若要I1=I2, 需QD=21375kg/h

5-8用热空气干燥某湿物料。空气初始温度t0=20℃，初始湿度H0=0.006Kg水•kg-1干气。为保证干燥产品质量，空气进干燥器的温度不得高于90℃；为此在干燥器中间设置加热器。空气经预热器升温至90℃通入干燥器，当热空气温度降至60℃时，再用中间加热器将空气加热至90℃，废气离开干燥器时的温度变为60℃。假设两段干燥过程均视为等焓过程。
1、 在湿空气的H—I或t—H）图上定性表示出空气通过整个干燥器的过程；
2、汽化每千克水所需的绝干空气量和所需供热量。
解：
t0=20℃, H0=0.006, t1=90℃, t΄2=t2=60℃
I1=(1.01+1.88H0)t1+2490H0=(1.01+1.88×0.006)×90+2490×0.006＝106.9
I2’=(1.01+1.88H2’)×60+2490H2’=1.01×60+（1.88×60+2490）H2’
=60.6+2602.8H2’=106.9
∴H2’=(106.9-60.6)/2602.8=0.0178
I΄1=(1.01+1.88H2’)×90+2490H2’=(1.01+1.88×0.0178)×90+2490×0.0178＝138.2
I΄2=I΄1’=60.6+2602.8H2=138.2
∴H΄2=(138.2-60.6)/2602.8=0.03
qmL=qmw/(H΄2-H1) ∴qmL/qmw=1/(H΄2-H1)=1/(0.03-0.006)=41.7
Q=Q1+Q2=qmL(1.01+1.88H0)(t1-t0)+qmL(1.01+1.88H2’)(t2-t0)
=qmL(t1-t0)(1.01+1.88H0+1.01+1.88H2’)
=41.7(90-60)(2.02+1.88×0.006+1.88×0.03)＝2611.69

5-9在一常压气流干燥器中干燥某种湿物料，已知数据如下：空气进入预热器的温度为15℃湿含量为0.0073kg水•kg-1绝干气，焓为35kJ•kg-1绝干空气；空气进干燥器温度为90℃，焓为109 kJ•kg-1绝干空气；空气出干燥器温度为50℃；湿含量为0.023 kg水•kg-1绝干气；进干燥器物料含水量为0.15kg水•kg-1绝干料；出干燥器物料含水量为0.01kg水•kg-1绝干料；干燥器生产能力为237kg•h-1（按干燥产品计）。试求：
1． 绝干空气的消耗量（kg绝干气•h-1）；
2． 进预热器前风机的流量（•s-1）；
3． 预热器加入热量（KW）（预热器热损失可忽略）。附湿空气比容计算公式：
V= ( 0.772 + 1.244H ( t + 273 ) / 273 × ( 1.0133 × ) / P 。
解：
t0=15℃, H0=0.0073, I0=35, t1=90℃, I1=109, t2=50℃, H2=0.023, x1=0.15, x2=0.01, qmG2=237kg/h
x2=w2/(1-w2), w2=x2/(1+x2)=0.01/1.01=0.01
qmGc=qmG2(1-w2)=237(1-0.01)=234.6
qmw=qmGc(x1-x2)=234.6(0.15-0.01)=32.8
①qmL=qmw/(H2-H1)=32.8/(0.023-0.0073)=2089.2
②qv=qmL•vH

qv=2089.2×0.824＝1721.5m3/h
③Qp=qmL(1.01+1.88H0)(t1-t0)=2089.2(1.01+1.88×0.0273)（90-15）＝160407

10 无
5-11在常压绝热干燥器内干燥某湿物料，湿物料的流量为600kg•h-1，从含水量20％干燥至2％（均为湿基含水量）。温度为20℃，湿度为0.013kg水•kg-1绝干气的新鲜空气经预热器升温至100℃后进入干燥器，空气出干燥器的温度为60℃。
（1） 完成上述任务需要多少kg绝干空气•h-1？
（2） 空气经预热器获得了多少热量？
0.01 0.10 0.25
X, kg水/kg绝干物料
干燥速率，U
（3） 在恒定干燥条件下对该物料测得干燥速率曲线如图所示，已知恒速干燥段时间为1小时，求降速阶段所用的时间。

解：
、（1）

qm,Gc=600(1-ω1)=480kg/h
qm,W= qm,Gc (X1-X2)=480(0.25=0.0204)=110.2kg/h
I1=(1.01+1.88H1)t1+2490H1=135.8
因为等焓干燥
I2=(1.01+1.88H2)t2+2490H2=I1 H2＝0.02889
qm,L= qm,W /(H2-H1)=6935kg干气/h
（2）
Qp= qm,L (I1-I0)= qm,L (1.01+1.88H0)(t1-t0)=573907kJ/h
(3) 恒速段

降速段

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