化工原理(下)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬.doc
- 文档编号:4727539
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOC
- 页数:53
- 大小:5.14MB
化工原理(下)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬.doc
《化工原理(下)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工原理(下)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬.doc(53页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第七章传质与分离过程概论
1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。
已知入塔混合气中氨含量为5.5%(质量分数,下同),吸收后出塔气体中氨含量为0.2%,试计算进、出塔气体中氨的摩尔比、。
解:
先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数和。
进、出塔气体中氨的摩尔比、为
由计算可知,当混合物中某组分的摩尔分数很小时,摩尔比近似等于摩尔分数。
2.试证明由组分A和B组成的双组分混合物系统,下列关系式成立:
(1)
(2)
解:
(1)
由于
故
(2)
故
3.在直径为0.012m、长度为0.35m的圆管中,CO气体通过N2进行稳态分子扩散。
管内N2的温度为373K,总压为101.3kPa,管两端CO的分压分别为70.0kPa和7.0kPa,试计算CO的扩散通量。
解:
设A-CO;B-N2
查附录一得
4.在总压为101.3kPa,温度为273K下,组分A自气相主体通过厚度为0.015m的气膜扩散到催化剂表面,发生瞬态化学反应。
生成的气体B离开催化剂表面通过气膜向气相主体扩散。
已知气膜的气相主体一侧组分A的分压为22.5kPa,组分A在组分B中的扩散系数为1.85×10-5m2/s。
试计算组分A和组分B的传质通量和。
解:
由化学计量式
可得
代入式(7-25),得
分离变量,并积分得
5.在温度为278K的条件下,令某有机溶剂与氨水接触,该有机溶剂与水不互溶。
氨自水相向有机相扩散。
在两相界面处,水相中的氨维持平衡组成,其值为0.022(摩尔分数,下同),该处溶液的密度为998.2kg/m3;在离界面5mm的水相中,氨的组成为0.085,该处溶液的密度为997.0kg/m3。
278K时氨在水中的扩散系数为1.24×10–9m2/s。
试计算稳态扩散下氨的传质通量。
解:
设A-NH3;B-H2O
离界面5mm处为点1、两相界面处为点2,则氨的摩尔分数为
,
点1、点2处溶液的平均摩尔质量为
溶液的平均总物质的量浓度为
故氨的摩尔通量为
6.试用式(7-41)估算在105.5kPa、288K条件下,氢气(A)在甲烷(B)中的扩散系数。
解:
查表7-1,得
cm3/mol
查表7-2,计算出
由式7-41
7.试采用式(7-43)估算在293时二氧化硫(A)在水(B)中的扩散系数。
解:
查得293K时水的黏度为
查表7-3,得
查表7-4,得
cm3/mol
由式(7-43)
8.有一厚度为8mm、长度为800mm的萘板。
在萘板的上层表面上有大量的45℃的常压空气沿水平方向吹过。
在45℃下,萘的饱和蒸汽压为73.9Pa,固体萘的密度为1152kg/m3,由有关公式计算得空气与萘板间的对流传质系数为0.0165m/s。
试计算萘板厚度减薄5%所需要的时间。
解:
由式(7-45)计算萘的传质通量,即
式中为空气主体中萘的浓度,因空气流量很大,故可认为;为萘板表面
处气相中萘的饱和浓度,可通过萘的饱和蒸气压计算,即
kmol/m3
设萘板表面积为S,由于扩散所减薄的厚度为b,物料衡算可得
第八章气体吸收
1.在温度为40℃、压力为101.3kPa的条件下,测得溶液上方氨的平衡分压为15.0kPa时,氨在水中的溶解度为76.6g(NH3)/1000g(H2O)。
试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。
解:
水溶液中氨的摩尔分数为
由
亨利系数为
kPa
相平衡常数为
由于氨水的浓度较低,溶液的密度可按纯水的密度计算。
40℃时水的密度为
kg/m3
溶解度系数为
2.在温度为25℃及总压为101.3kPa的条件下,使含二氧化碳为3.0%(体积分数)的混合空气与含二氧化碳为350g/m3的水溶液接触。
试判断二氧化碳的传递方向,并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。
已知操作条件下,亨利系数kPa,水溶液的密度为997.8kg/m3。
解:
水溶液中CO2的浓度为
对于稀水溶液,总浓度为
kmol/m3
水溶液中CO2的摩尔分数为
由kPa
气相中CO2的分压为
kPa<
故CO2必由液相传递到气相,进行解吸。
以CO2的分压表示的总传质推动力为
kPa
3.在总压为110.5kPa的条件下,采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。
测得在塔的某一截面上,氨的气、液相组成分别为、。
气膜吸收系数kG=5.2×10-6kmol/(m2·s·kPa),液膜吸收系数kL=1.55×10-4m/s。
假设操作条件下平衡关系服从亨利定律,溶解度系数H=0.725kmol/(m3·kPa)。
(1)试计算以、表示的总推动力和相应的总吸收系数;
(2)试分析该过程的控制因素。
解:
(1)以气相分压差表示的总推动力为
kPa
其对应的总吸收系数为
kmol/(m2·s·kPa)
以液相组成差表示的总推动力为
其对应的总吸收系数为
(2)吸收过程的控制因素
气膜阻力占总阻力的百分数为
气膜阻力占总阻力的绝大部分,故该吸收过程为气膜控制。
4.在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。
操作压力为105.0kPa,操作温度为25℃。
在操作条件下平衡关系符合亨利定律,甲醇在水中的溶解度系数为2.126
kmol/(m3·kPa)。
测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5kPa,液相组成为2.85kmol/m3,液膜吸收系数kL=2.12×10-5m/s,气相总吸收系数KG=1.206×10-5kmol/(m2·s·kPa)。
求该截面处
(1)膜吸收系数kG、kx及ky;
(2)总吸收系数KL、KX及KY;(3)吸收速率。
解:
(1)以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度,25℃时水的密度为
kg/m3
溶液的总浓度为
kmol/m3
(2)由m/s
因溶质组成很低,故有
(3)吸收速率为
5.在101.3kPa及25℃的条件下,用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。
已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。
假设操作条件下平衡关系服从亨利定律,亨利系数为4.13×103kPa,吸收剂用量为最小用量的1.45倍。
(1)试计算吸收液的组成;
(2)若操作压力提高到1013kPa而其他条件不变,再求吸收液的组成。
解:
(1)
吸收剂为清水,所以
所以操作时的液气比为
吸收液的组成为
(2)
6.在一直径为0.8m的填料塔内,用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。
已知混合气的流量为45kmol/h,二氧化硫的体积分数为0.032。
操作条件下气液平衡关系为,气相总体积吸收系数为0.0562kmol/(m3·s)。
若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%,要求回收率为98%。
求水的用量(kg/h)及所需的填料层高度。
解:
惰性气体的流量为
水的用量为
求填料层高度
7.某填料吸收塔内装有5m高,比表面积为221m2/m3的金属阶梯环填料,在该填料塔中,用清水逆流吸收某混合气体中的溶质组分。
已知混合气的流量为50kmol/h,溶质的含量为5%(体积分数%);进塔清水流量为200kmol/h,其用量为最小用量的1.6倍;操作条件下的气液平衡关系为;气相总吸收系数为;填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90%。
试计算
(1)填料塔的吸收率;
(2)填料塔的直径。
解:
(1)惰性气体的流量为
对于纯溶剂吸收
依题意
(2)
由
填料塔的直径为
8.在101.3kPa及20℃的条件下,用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。
已知混合气的质量流速G为600kg/(m2·h),气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.000526,水的质量流速W为800kg/(m2·h),填料层高度为3m。
已知操作条件下平衡关系为Y=0.9X,KGa正比于G0.8而于W无关。
若
(1)操作压力提高一倍;
(2)气体流速增加一倍;(3)液体流速增加一倍,试分别计算填料层高度应如何变化,才能保持尾气组成不变。
解:
首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数
操作条件下,混合气的平均摩尔质量为
m
(1)
若气相出塔组成不变,则液相出塔组成也不变。
所以
m
m
m
即所需填料层高度比原来减少1.801m。
(2)
若保持气相出塔组成不变,则液相出塔组成要加倍,即
故
m
m
m
即所需填料层高度要比原来增加4.910m。
(3)
W对KGa无影响,即对KGa无影响,所以传质单元高度不变,即
m
即所需填料层高度比原来减少0.609m。
9.某制药厂现有一直径为1.2m,填料层高度为3m的吸收塔,用纯溶剂吸收某气体混合物中的溶质组分。
入塔混合气的流量为40kmol/h,溶质的含量为0.06(摩尔分数);要求溶质的回收率不低于95%;操作条件下气液平衡关系为Y=2.2X;溶剂用量为最小用量的1.5倍;气相总吸收系数为0.35kmol/(m2·h)。
填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90%。
试计算
(1)出塔的液相组成;
(2)所用填料的总比表面积和等板高度。
解:
(1)
惰性气体的流量为
(2)
m
由
填料的有效比表面积为
填料的总比表面积为
由
由
填料的等板高度为
10.用清水在塔中逆流吸收混于空气中的二氧化硫。
已知混合气中二氧化硫的体积分数为0.085,操作条件下物系的相平衡常数为26.7,载气的流量为250kmol/h。
若吸收剂用量为最小用量的1.55倍,要求二氧化硫的回收率为92%。
试求水的用量(kg/h)及所需理论级数。
解:
用清水吸收,
操作液气比为
水的用量为
用清水吸收,
由
11.某制药厂现有一直径为0.6m,填料层高度为6m的吸收塔,用纯溶剂吸收某混合气体中的有害组分。
现场测得的数据如下:
V=500m3/h、Y1=0.02、Y2=0.004、X1=0.004。
已知操作条件下的气液平衡关系为Y=1.5X。
现因环保要求的提高,要求出塔气体组成低于0.002(摩尔比)。
该制药厂拟采用以下改造方案:
维持液气比不变,在原塔的基础上将填料塔加高。
试计算填料层增加的高度。
解:
改造前填料层高度为
改造后填料层高度为
故有
由于气体处理量、操作液气比及操作条件不变,故
对于纯溶剂吸收,
由
故
因此,有
操作液气比为
填料层增加的高度为
12.若吸收过程为低组成气体吸收,试推导。
解:
由
故
13.在装填有25mm拉西环的填料塔中,用清水吸收空气中低含量的氨。
操作条件为20℃及101.3kPa,气相的质量速度为0.525kg/(m2·s),液相的质量速度为2.850kg/(m2·s)。
已知20℃及101.3kPa时氨在空气中的扩散系数为m2/s,20℃时氨在水中的扩散系数为m2/s。
试估算传质单元高度HG、HL。
解:
查得20℃下,空气的有关物性数据如下:
Pa·skg/m3
由
查表8-6,,,
查得20℃下,水的有关物性数据如下:
Pa·skg/m3
由
查表8-7,,
14.用填料塔解吸某含二氧化碳的碳酸丙烯酯吸收液,已知进、出解吸塔的液相组成分别为0.0085和0.0016(均为摩尔比)。
解吸所用载气为含二氧化碳0.0005(摩尔分数)的空气,解吸的操作条件为35℃、101.3kPa,此时平衡关系为Y=106.03X。
操作气液比为最小气液比的1.45倍。
若取m,求所需填料层的高度。
解:
进塔载气中二氧化碳的摩尔比为
最小气液比为
操作气液比为
吸收因数为
液相总传质单元数为
填料层高度为
15.某操作中的填料塔,其直径为0.8m,液相负荷为8.2m3/h,操作液气比(质量比)为6.25。
塔内装有DN50金属阶梯环填料,其比表面积为109m2/m3。
操作条件下,液相的平均密度为995.6kg/m3,气相的平均密度为1.562kg/m3。
(1)计算该填料塔的操作空塔气速;
(2)计算该填料塔的液体喷淋密度,并判断是否达到最小喷淋密度的要求。
解:
(1)填料塔的气相负荷为
填料塔的操作空塔气速为
(2)填料塔的液体喷淋密度为
最小喷淋密度为
,达到最小喷淋密度的要求。
16.矿石焙烧炉送出的气体冷却后送入填料塔中,用清水洗涤以除去其中的二氧化硫。
已知入塔的炉气流量为2400m3/h,其平均密度为1.315kg/m3;洗涤水的消耗量为50000kg/h。
吸收塔为常压操作,吸收温度为20℃。
填料采用DN50塑料阶梯环,泛点率取为60%。
试计算该填料吸收塔的塔径。
解:
查得20℃下,水的有关物性数据如下:
Pa·skg/m3
炉气的质量流量为
采用埃克特通用关联图计算泛点气速,横坐标为
查图8-23,得纵坐标为
对于DN50塑料阶梯环,由表8-10和附录二分别查得
1/m
故
解出m/s
操作空塔气速为
由
圆整塔径,取=1.0m
校核,故所选填料规格适宜。
取m3/(m·h)
最小喷淋密度为
操作喷淋密度为
>
操作空塔气速为
第九章蒸馏
1.在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82℃,在该温度下,两组分的饱和蒸气压分别为=107.6kPa及=41.85kPa,取样测得液面上方气相中组分A的摩尔分数为0.95。
试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。
解:
本题可用露点及泡点方程求解。
解得kPa
本题也可通过相对挥发度求解
由气液平衡方程得
2.试分别计算含苯0.4(摩尔分数)的苯—甲苯混合液在总压100kPa和10kPa的相对挥发度和平衡的气相组成。
苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压和温度的关系为
式中p﹡的单位为kPa,t的单位为℃。
苯—甲苯混合液可视为理想溶液。
(作为试差起点,100kPa和10kPa对应的泡点分别取94.6℃和31.5℃)
解:
本题需试差计算
(1)总压p总=100kPa
初设泡点为94.6℃,则
得kPa
同理kPa
或
则
(2)总压为p总=10kPa
通过试差,泡点为31.5℃,=17.02kPa,=5.313kPa
随压力降低,α增大,气相组成提高。
3.在100kPa压力下将组成为0.55(易挥发组分的摩尔分数)的两组分理想溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏。
原料液处理量为100kmol,汽化率为0.44。
操作范围内的平衡关系可表示为。
试求两种情况下易挥发组分的回收率和残液的组成。
解:
(1)平衡蒸馏(闪蒸)
依题给条件
则
由平衡方程
联立两方程,得y=0.735,x=0.4045
kmol=44kmol
(2)简单蒸馏
kmolkmol
即
解得xW=0.3785
简单蒸馏收率高(61.46%),釜残液组成低(0.3785)
4.在一连续精馏塔中分离苯含量为0.5(苯的摩尔分数,下同)苯—甲苯混合液,其流量为100kmol/h。
已知馏出液组成为0.95,釜液组成为0.05,试求
(1)馏出液的流量和苯的收率;
(2)保持馏出液组成0.95不变,馏出液最大可能的流量。
解:
(1)馏出液的流量和苯的收率
(2)馏出液的最大可能流量
当ηA=100%时,获得最大可能流量,即
5.在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。
原料液的处理量为100kmol/h,其组成为0.45(易挥发组分A的摩尔分数,下同),饱和液体进料,要求馏出液中易挥发组分的回收率为96%,釜液的组成为0.033。
试求
(1)馏出液的流量和组成;
(2)若操作回流比为2.65,写出精馏段的操作线方程;(3)提馏段的液相负荷。
解:
(1)馏出液的流量和组成
由全塔物料衡算,可得
kmol/h=54.55kmol/h
kmol/h=45.45kmol/h
(2)精馏段操作线方程
(3)提馏段的液相负荷
6.在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。
进料量为60kmol/h,其组成为0.46(易挥发组分的摩尔分数,下同),原料液的泡点为92℃。
要求馏出液的组成为0.96,釜液组成为0.04,操作回流比为2.8。
试求如下三种进料热状态的q值和提馏段的气相负荷。
(1)40℃冷液进料;
(2)饱和液体进料;
(3)饱和蒸气进料。
已知:
原料液的汽化热为371kJ/kg,比热容为1.82kJ/(kg·℃)。
解:
由题给数据,可得
(1)40℃冷液进料q值可由定义式计算,即
(2)饱和液体进料此时q=1
(3)饱和蒸气进料q=0
三种进料热状态下,由于q的不同,提馏段的气相负荷(即再沸器的热负荷)有明显差异。
饱和蒸气进料V′最小。
7.在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。
原料液流量为50kmol/h,要求馏出液中易挥发组分的收率为94%。
已知精馏段操作线方程为y=0.75x+0.238;q线方程为y=2-3x。
试求
(1)操作回流比及馏出液组成;
(2)进料热状况参数及原料的总组成;(3)两操作线交点的坐标值xq及yq;(4)提馏段操作线方程。
解:
(1)操作回流比及馏出液组成由题给条件,得
及
解得R=3,xD=0.952
2)进料热状况参数及原料液组成由于
及
解得q=0.75(气液混合进料),xF=0.5
(3)两操作线交点的坐标值xq及yq联立操作线及q线两方程,即
解得xq=0.4699及yq=0.5903
(4)提馏段操作线方程其一般表达式为
式中有关参数计算如下:
kmol/h=25.32kmol/h
kmol/h=111.54kmol/h
kmol/h=86.22kmol/h
则
8.在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液,其组成为0.48(苯的摩尔分数,下同),泡点进料。
要求馏出液组成为0.95,釜残液组成为0.05。
操作回流比为2.5,平均相对挥发度为2.46,试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。
解:
由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。
习题8附表
x
0
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0
0.115
0.214
0.381
0.513
0.621
0.711
0.787
0.852
0.908
0.957
1.0
习题8附图
在x–y图上作出平衡线,如本题附图所示。
由已知的xD,xF,xW在附图上定出点a、e、c。
精馏段操作线的截距为,在y轴上定出点b,连接点a及点b,即为精馏段操作线。
过点e作q线(
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 原理 课后 习题 解答 天津大学 化工学院 柴诚敬