1、分离工程课后习题答案刘家祺个人收集整理 勿做商业用途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、吸收蒸出、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）、吸收、吸附。5.海水的渗透压由下式近似计算： =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 =RTC/M8.3142980
2、.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，所有变量表示在所附简图中。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？思路 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 N
3、x C+2,加上节流后的压力，共 C+3个可调设计变量 Na0解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（ 2） Nc 物 c1/13个人收集整理 勿做商业用途能 1相 c内在 (P， T) 2Nc = 2c+3（3） Ni = Nv Nc = c+3（4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3（5） Nau = c+3 ( c+3 ) = 0思路 2：输出的两股物流看成是相平衡物流，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
4、力共 C+3个可调设计变量 Na：有 011.满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求：（1） 设计变更量数是多少？（2） 如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解： Nxu进料c+2压力9c+11=7+11=18u串级单元1Na传热1合计2Uuu= 20NV= Nx +Na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?如果不 ,你认为还应规定哪个 (些)设计变量 ?解:NXU进料c+2压力40+1+1c+44 = 47u3+1+1+2 = 7NaNvu = 54设计变量：回流比，馏出液流率。第二章4.一液体混合物的
5、组成为：苯 0.50；甲苯 0.25；对二甲苯 0.25(摩尔分率 )。分别2/13个人收集整理 勿做商业用途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。假设为完全理想系。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，表明所设温度偏高。由题意知液相中含量最大的是苯，由式 (2-62)得：可得重复上述步骤：； ； ； ；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
6、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)0.500.250.251.0005.8072.3531.0002.90350.58830.25003.74180.77600.15720.06681.0000解 2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设 t=95苯： ；甲苯： ；对二甲苯：；3/13个人收集整理 勿做商业用途；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%(m
7、ol)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。假设该物系为理想溶液。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=0.0968， V=25.23kmol 。12.用图中所示系统冷却反应器出来的物料，并从较重烃中分离轻质气体。计算4/13个人收集整理
8、 勿做商业用途离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。从反应器出来的物料温度 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解：以氢为 1，甲烷为 2，苯为 3，甲苯为 4。总进料量为 F=460kmol/h，流率， mol/h组分又 K1=80，K2=10， K3=0.01， K4=0.004200氢由式 (2-72)试差可得： =0.87，200甲烷由式 (2-68)计算得：50苯y1=0.4988 ， y2=0.4924 ， y3=0.008 ， y4=0.0008 ；10甲苯V=400.2mol/h。14.在 101.3kPa
9、下，对组成为 45%(摩尔 )正己烷， 25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。求泡点和露点温度将此混合物在 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：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可看成理想溶液，K I 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。由式 (2-76)求 T 的初值为 93，查图求 K I组分正己烷正庚烷正辛烷zi0.450.250.30K i1.920.880.410.2836-0.0319-0.2511所以闪蒸温度为 93。由式 (2-77)、 (2-68)计算得：xC6
10、=0.308， xC7=0.266，xC8=0.426yC6=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。试确定共沸温度和共沸组成。5/13个人收集整理 勿做商业用途安托尼方程 (： Pa；T：K)氯仿：甲醇：解：设 T 为 53.5则=76990.1 =64595.6由， =0.06788
11、=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=75627.8Pa101.3kPa14.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)6/13个人收集整理 勿做商业用途假设汽相是理想气体，试问 99.75Kpa时系统是
12、否形成共沸物？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因为在恒沸点由得解得： =0.9487 =0.0513；=1.0008；=1.3110P=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
13、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；=1.3105P=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， =1.0027/13个人收集整理 勿做商业用途，且，故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为 344.5K。第四
14、章1.某原料气组成如下：组分 CH4 C2H6 C3H8 i-C 4H10 n-C4H10 i-C 5H12 n-C5H12 n-C6H14y0(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收剂在板式塔吸收塔中进行吸收，平均吸收温度为 38，压力为 1.013Mpa，如果要求将 i-C 4H10 回收 90%。试求：(1)为完成此吸收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，为完成此吸收任务所需理论板数。(3)各组分的吸收分率和离塔尾气的组成。(4)求塔底的吸收液量解： (1)
15、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：非关键组分的吸收率被吸收的量为，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K iKmol/hCH476.517.40.0330.0322.52473.980.920C2H64.53.750.1520.1520.6843.8160.047C3H83.51.30.4390.4361.5261.9740.025i-C 4H102.50.561.020.852.1250.3750.0047n-C4H
16、104.50.41.4280.954.2750.2250.0028i-C 5H121.50.183.171.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.971.002.5000.00.08/13个人收集整理 勿做商业用途n-C6H14 4.50.05610.21.004.5000.00.0合计100.0-19.81080.190(4)塔底的吸收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-C 4H10 为关键组分由 P=1.013Mpa，t 平=38查得
17、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)它组分吸收率公式，计算结果如下：组分进料相平衡常数被吸收塔顶尾气量K i量数量组成CH476.517.40.0320.0322.44874.050.923C2H64.53.750.1480.1480.6683.8340.048C3H83.51.30.4260.4261.4912.0090.025i-C 4H102.50.560.990.902.2500.2500.003n-C4 H104.50.41.3860.99
18、4.4550.0450.0006i-C 5H121.50.183.081.001.5000.00.0n-C5 H122.50.1443.851.002.5000.00.0n-C6 H144.50.0569.91.004.5000.00.0合计100.0-19.81080.190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=9/13个人收集整理 勿做商业用途由 =0.5544 =40.05Kmol/h10/13个人收集整理 勿做商业用途11/13个人收集整理 勿做商业用途12/13个人收集整理 勿做商业用途13/13
