化工原理王晓红版习题答案第三章

第3章1．计算甲醇在30℃的水中的扩散系数。解：扩散系数6.0AS218ASVTaMs104.7D其中水的缔合参数为a=1.9，水的分子量Ms=18g/mol，T=303K，smPa1007.802S，甲醇在正常沸点下的摩尔体积VA=25.8cm3/mol。所以甲醇在30℃的水中的扩散系数为2.37×10-5m2/s。2．正庚烷（A）和正辛烷（B）所组成的混合液，在388K时沸腾，外界压力为101.3kPa，根据实验测定，在该温度条件下的kPapA1600，kPapB8.740，试求相平衡时气、液相中正庚烷的组成。（原题8）解：311.08.741608.743.1010B0A0BApppPx491.08.741608.743.1013.1011600B0A0B0AApppPPpy3．苯酚（A）和对甲苯酚（B）的饱和蒸气压数据如下：温度t/℃苯酚蒸气压0Ap/kPa对甲苯酚蒸气压0Bp/kPa温度t/℃苯酚蒸气压0Ap/kPa对甲苯酚蒸气压0Bp/kPa113.7114.6115.4116.3117.010.010.410.811.1911.587.707.948.208.508.76117.8118.6119.4120.011.9912.4312.8513.269.069.399.7010.0试按总压P=75mmHg（绝压）计算该物系的t-x-y相平衡数据并画出相图，该物系为理想物系。解：计算结果tPaPbxy113.7107.711114.610.47.940.8373980.870894115.410.88.20.6923080.747692116.311.198.50.5576210.62397811711.588.760.4397160.509191117.811.999.060.3208190.384662118.612.439.390.2006580.249418119.412.859.70.0952380.12238112013.261000绘图0.00.20.40.60.81.0113114115116117118119120℃x(y)0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0yx4．将含苯摩尔分数为0.5，甲苯摩尔分数为0.5的溶液加以汽化，汽化率为1/3，已知物系的相对挥发度为2.47，试计算：（1）作简单蒸馏时，气相与液相产物的组成；（2）作平衡蒸馏时，气相与液相产物的组成；解：（1）作简单蒸馏时，设液相产物的组成为x2。122121x1x1lnxxln11WWln4055.05.01x147ln.2x0.5ln47.11321ln22通过试差法，可以求得x2=0.4117。再通过物料衡算，可以得到6766.03214117.032-0.51WWxWxWy212211（2）作平衡蒸馏时，残液率32311q物料横算式为5.12x1qxx1-qqyF相平衡方程为：47x.1147x.2x1-1xy联立上述两个方程，可以得到x=0.426，y=0.648。5．每小时将15000kg含苯40%和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离。操作压力为101.3kPa，要求馏出液能回收原料中的97.1%的苯，釜液中含苯不高于2%（以上均为质量百分数）。求馏出液和釜液的摩尔流率及摩尔组成。（原题10）解：根据质量衡算与回收率的定义：029.0971.011''1''FDFWFDFW所以hkghkgFWWF/8700/02.04.015000029.0'029.0'所以hkghkgWFD/6300/87001500'''971.0''FDFD所以9248.063004.015000971.0''971.0DFFD所以摩尔流率为hkmolhkmolMDMDDBDAD/9.79/929248.016300789248.063001''hkmolhkmolMWMWWBWAW/9.94/9202.0187007802.087001''9355.0929248.01789248.0789248.01BDADADDMMMx6．在一连续精馏塔中分离某二元理想混合液。原料液流量为100kmol/h,浓度为0.4(摩尔分率，下同)。要求塔顶产品浓度为0.9，塔釜浓度为0.1。试求：（1）馏出液与釜残液的流量；（2）若每小时从塔顶采出50kmol馏出液，工艺要求应作何改变？（原题11）解：根据WDFWxDxFxWDFhkmolhkmolxxxxFDWDWF/5.37/1.09.01.04.0100hkmolhkmolWFD/5.62/5.37100如果每小时从塔顶采出50kmol馏出液，则由WDFWxDxFx得WDxx50504.0100即WDxx8.0由于，0Dx所以8.0Wx7．某液体混合物易挥发性组分含量为0.6，在泡点状态下连续送入精馏塔，加料量为1001hkmol，易挥发性组分的回收率为99%，釜液易挥发性组分含量为0.05，回流比为3，以上均为摩尔分数。试求：（1）塔顶产品与塔底产品的摩尔流率；（2）精馏段和提馏段内上升蒸汽及下降液体的摩尔流率；（3）精馏段和提馏段的操作线方程。解：（1）根据题意99.0FDFxDx，所以0.0199.011FWFxWx所以hkmolhkmolxFxWWF/12/05.06.010099.011hkmolhkmolWFD/88/12100675.0886.010099.0DFxxFD（2）hkmolhkmolRDL/264/883hkmolhkmolDRV/352/88131hkmolhkmolqFLL/364/1001264'hkmolhkmolFqVV/352/10003521'(3)精馏段操作线方程：169.075x.01313311DDxxRxxRRy提馏段操作线方程：0017.0034.11236405.01212364364xxWL'WxxWL'L'yW8．采用常压连续精馏塔分离苯-甲苯混合物。原料中含苯0.44（摩尔分数，下同），进料为气液混合物，其中蒸汽与液体量的摩尔比为1:2。已知操作条件下物系的平均相对挥发度为2.5，操作回流比为最小回流比的1.5倍。塔顶采用全凝器冷凝，泡点回流，塔顶产品液中含苯0.96。试求：（1）操作回流比；（2）精馏段操作线方程；（3）塔顶第二层理论板的汽液相组成。解：⑴根据题意q=2/3，故进料线方程：1.32213/20.4413/23/211xxqxxqqyF相平衡线方程：xxxxxα-αxy1.512.51-2.512.511联立上述两式，可以求得xq=0.365，yq=0.59则最小回流比：1.6440.3650.590.590.96qqqDminxyyxR操作回流比：R=1.5Rmin=1.5×1.644=2.466⑵精馏段操作线方程：0.2770.711512.4660.9612.4662.46611xxRxxRRyD⑶塔顶第二层理论板的气液相组成由0.961.512.5111Dxxxy得到x1=0.90570.92140.2770.90570.71150.2770.711512xy由0.92141.512.5222xxy，得到x2=0.82429．用一精馏塔分离苯-甲苯溶液，进料为气液混合物，气相占50%（摩尔分数），进料混合物中苯的摩尔分率为0.60，苯与甲苯的相对挥发度为2.5，现要求塔顶、塔底产品组成分别为0.95和0.05（摩尔分率），回流比取最小回流比的1.5倍。塔顶分凝器所得的冷凝液全部回流，未冷凝的蒸气经过冷凝冷却后作为产品。试求：（1）塔顶塔底产品分别为进料量的多少倍？（2）塔顶第一理论板上升的蒸气组成为多少？解：（1）对全塔做总物料衡算以及对全塔做组分A的物料衡算，可以得到：WDFWDFWxDxFx其中，60.0Fx，95.0Dx，05.0Wx所以FFxxxxFDWDWF611.005.095.005.06.0FFFDFW389.0611.0（2）气液平衡方程为：xxxxxxy5.115.215.215.211进料线方程为：2.115.06.015.05.011xxqxxqqyF联立上述方程，得708.0492.0eeyx，故进料线与相平衡线的交点为（0.492,0.708）。最小回流比：12.1492.0708.0708.095.0mineeeDxyyxR所以回流比为：68.112.15.15.1minRR分凝器相当于一块理论板，设离开分凝器的液相组成为x0：则95.015.215.21100000xxxxyxD可以得到884.00x精馏段的操作线方程为：354.0627.095.0168.11168.168.1111xxxRxRRyD所以，塔顶第一块理论板上的蒸汽组成为：908.0354.0884.0627.0354.0627.001xy10．如图所示，常压连续精馏塔具有一层实际塔板及一台蒸馏釜，原料预热到泡点由塔顶加入，进料组成20.0Fx（易挥发性组分的摩尔分率，下同）。塔顶上升蒸汽经全凝器全部冷凝后作为产品，已知塔顶馏出液的组成为0.28，塔顶易挥发性组分的回收率为80%。系统的相对挥发度为2.5。试求釜液组成及塔板的默弗里板效率。解：（1）对全塔做总物料衡算以及对全塔做组分A的物料衡算，可以得到：WDFWDFWxDxFx其中，2.0Fx，28.0Dx，由于塔顶易挥发组分的回收率为80%，所以，8.0FDxFxD可定义得到571.028.02.08.08.0DFxxFD所以，429.0571.011FDFWxWxDxF由于8.0FDxFxD，所以2.08.011FDFWxFxDxFxW所以0932.0429.02.02.02.0FWxxFW（2）由于蒸馏釜可以视为一层理论板，所以离开该釜的气液两相呈平衡状态，即：204.00932.015.210932.05.211对塔板做易挥发组分的物料衡算，塔板上下可以视为恒摩尔流，可得11yDxFyDxFWF或11xxFyyDFW所以157.0204.028.0571.02.011WFyyFDxx对于气相莫弗里板效率，与x1呈平衡的气相组成为：318.0157.015.21157.05.21111*1xxy所以，664.0204.0318.0204.028.0*11WWMVyyyyE对于液相莫弗里板效率，与y1呈平衡的液相组成为：135.028.015.25.228.0111*1yyx所以，662.0135.02.0157.02.0*11xxxxEFFML