分离工程习题讲解

2，工程计算中求取相平衡常数的常用途径有哪两条？各自的Ki计算式是什么？(p16)①ˆˆLiiiViiyKx适用于中压下非理想弱的烃类系统②0ˆiiiiViiyfKxP适用于中压下液相非理想强的系统答：3，当气液两相均可作为理想溶液处理时，泡点温度计算的基本方程是什么？写出泡点温度计算的框图。（p31）相平衡关系归一方程相平衡常数式1111(,,)(,,,)(,,)iiiiiiiiiyKxicyxKfPTxyic答：基本方程如下：当Ki=f(T，P)可手算，则泡点温度计算步骤为：1,,,yoibiyiiybiiPxTKSKxSTyK设1()iiFTKx调整TN6，有一分离四个组分混合物的精馏塔，已知条件如下：组分Fidiwiai110.00.0010.000.25222.51.0721.430.50345.042.862.141.00422.522.500.002.00塔顶全凝器，塔底用再沸器，泡点进料，塔在最小回流比下操作。试问：（1）哪些组分为分布组分？哪些为非分布组分？（2）用简图画出塔内恒浓区。（3）当di≠0时，塔内恒浓区有何变化？也用简图画出。（4）找出关键组分与非关键组分。（5）将上述最小回流比改成全回流操作。若组分2在塔底和组分3在塔顶的组成都不变，需要多少理论级？（p53）•答：（1）组分2和3是分布组分，组分1和4是非分布组分（2）参考课本图2-18（p53）（3）看课本(p54)（4）3是轻关键组分，2是重关键组分，1是重非关键组分，4是轻关键组分（5）p5242862143107214=8.62..lg(*)..lgmN=,lg()()lglkhkDBhklkmlkhkxxxxN9，决定恒沸精馏塔塔顶产物和塔底产物的基本原则有哪几条？(p76,77)•答：对于二元体系：（1）如图2-36(a),系统中不存在恒沸物时，无论进料组成如何，只要塔的分离能力足够，总能从塔顶得到较纯的轻组分，塔底得到较纯的重组分。（2）如图2-36(b),存在最低恒沸物时，形成了两个浓度区域。当进料浓度落在0~Xa区内，从塔底可得到较寸组分2，但塔顶只能得到恒沸物；当进料浓度在Xa~1范围内，则从塔底得到较纯组分1，塔顶仍为恒沸物。•对于三元体系：因存在多个精馏区，则塔顶和塔底产物取决于料液与夹带剂的混合液位于哪个精馏区，位于不同的精馏区可以产生不同的塔顶和塔底产物。11，板效率随塔径如何变化？请说明变化原因。(p82)EMV随塔径变化有一极值，其范围在1.5～6m。•塔径小，近似全混，EMV＝EOG；•塔径↑，板上有部分混合，存在浓度梯度，EMVEOG；•塔径太大，板上液相的不均匀流动，板间汽相的不完全混合产生，使EMV↓；1.5—6m1DOGMVEE2-2：2-3：2-5：•2-8:某精馏塔分离四元烃类混合物，操作压力为85atm，进料量为100kmol/h。已知：分离要求：塔顶的丙烯含量˂3%（摩尔分率），塔底的乙烯含量˂5%（摩尔分率），求：(1)用清晰分割法计算塔顶、塔底的组成及产量(2)塔在正常操作时可达指定分离要求现测得釜温为105oC，操作是否正常？（计算说明）进料组成甲烷乙烯丙烯丁烯xF0.100.400.200.30•解:(1)用1,2,3,4依次编号甲烷，乙烯，丙烯，丁烯。由题意可知乙烯为轻关键组分，丙烯为重关键组分，甲烷为轻组分，丁烯为重组分。•则由清晰分割法可得：•d1=100x0.10=10kmol/hb1=0•d2=100x0.40-b2=40-b2b2•d3b3=100x0.2-d3=20-d3•d4=0b4=100x0.3=30kmol/h•由分离要求有：2230.0550bbd3230.0350dbd解得：d3=1.467kmol/hb3=18.533kmol/hb2=2.554kmol/hd2=37.446kmol/h塔顶产品量D=10+37.446+1.467=48.913kmol/h塔底产品量B=2.554+18.533+30=51.087kmol/h由XDi=di/D和XBi=bi/B可算出塔顶，塔底组成如下：组分甲烷乙烯丙烯丁烯XDi0.20440.76560.030XBi00.050.36280.5872•（2）当釜温为105oC时，求塔顶温度•设塔顶温度T=105oC•查P-T-K图得：K甲=27K乙=13K丙=4.550.20440.76560.030.07127134.55DiiiXK说明塔顶温度低了，即正常操作时，塔顶温度应大于105oC，此时若釜温为105oC，即塔顶温度大于塔底温度，不合常理，故釜温为105oC时，不能正常操作。2，何谓传质模型？试述双模论、渗透论、和表面更新论等传质模型的优缺点并加以比较。（p116~119，137）•答：传质模型是指表示物质进行传递的机理的模型。3，化学吸收增强因子β的意义是什么？提高它的目的是什么？(p122)•答：•（1）化学吸收增强因子是指：在推动力相同时，化学吸收速率比纯物理吸收速率所增加的倍数。•（2）提高它的目的是降低液膜阻力，提高吸收速率。4，对一级不可逆化学反应：。在什么情况下可看做物理吸收？在什么情况下可看做气膜控制？（p130）•答:•(1)当液相中总反应量远小于扩散传递总量，即1》k1*t时，可看做物理吸收。•(2)当反应在液膜中某个面瞬间完成，即M趋向于无穷大时，可看做气膜控制。tanhMM5,归纳教材中讨论的三类不可逆反应化学吸收速率式，并画出相应的溶质在气液两相中的浓度分布线。（p133,134）6，对于瞬时反应和慢反应的化学吸收，应分别用何种塔型？答：填料塔反应器主要用于气液相反应，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而气相接触进行反应，故液相主体量较少，适用于快速和瞬间反应过程，能获得较大的液相转化率。所以瞬时反应用填料塔。鼓泡塔反应器适用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应，所以慢反应用鼓泡塔。•2-7:用硫酸吸收混合气中氨气，反应式如下NH3+½H2SO4→½(NH4)2SO4已知：氨的分压为0.05atm。气相传质分系数kg=8.33x10-3kmol/(m2·atm·s),液相传质分系数kl=3x10-3m/s，DH2SO4=DNH3，问：（1）为使吸收过程以较快的速度进行，不受液膜中液膜扩散的限制，过程为气膜控制时吸收剂硫酸的浓度至少应为多少？（p140）（2）当吸收剂硫酸浓度为0.08kmol/m3时，吸收速率为多少？分别增加气液相扰动对吸收速率有何影响？•解：（1）已知：PA=0.05atmkg=8.33x10-3kmol/(m2、·atm·s)kl=3x10-3m/s•此吸收剂的临界浓度为：•由不等式•要使其为气膜控制则吸收剂的浓度至少为0.069kmol/m312b2431HSONHDdD331/28.33100.050.069/31310gcAkmolmbllbkCPdk30.069/cblblCCkmolm•（2）当Cbl=0.08kmol/m3时有其过程为气膜控制，吸收速率为NA=kgpA=8.33x10-3x0.05=4.165x10-4kmol/(m2·s)•此时的反应为快速反应，其吸收速率仅取决于,DAl和CAt，而与Kl,S1无关，所以增加液相扰动对其吸收速率无影响，增加气相扰动提高A的浓度可提高吸收速率。(133)cblblCC*Ik2-8：2-9：2-10：某气体混合物含甲烷95％，正丁烷5％，现采用不挥发的烃油进行吸收，油气比为1∶1，进塔温度均为37℃，吸收在3atm（绝压）下操作,现从气体中吸收80％的丁烷，求所需理论板数。（p168,169）解：查P-T-K图，得正丁烷K=0.95由吸收因子A=L/KG得L/G=AK=0.95A=1解得A=1.053由题知，η=0.8Φ=1-η=1-0.8=0.2根据公式（3-295）取整数得理论板数为4.6.3053.1ln053.112.0053.111lnln111lnAAANA3.萃取塔(连续接触式)中两相的液泛速度受哪些因素影响?就其实质而言,它与液滴什么速度相当?(p209)答：（1）液泛速度的影响因素：外加能量的大小，流量以及系统的物性。（2）它与液滴的特性速度相当。5.试画出具有轴向返混时萃取塔的实际操作线,并讨论轴向返混对分离的影响。微分接触萃取塔塔高的简化计算法是如何计算轴向反混的？（p201）•答：（1）操作性参考课本内容画，（2）轴向返混造成了塔内实际推动力的下降，使萃取率随之降低，也就是说轴向混合的存在极大地影响了萃取塔的性能。(3）看课本相关内容8.超临界流体的主要特点有哪些？超临界萃取又有哪些特点？（1）超临界流体的主要特点：粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。（2）超临界流体萃取的主要特点：通过调节温度和压力可全部或选择性地提取有效成分或脱除有害物质；选择适宜的溶剂如CO2可在较低温度和无氧环境下操作，分离、精制热敏性物质和易氧化物质；临界流体具有良好的渗透性和溶解性，能从固体或粘稠的原料中快速提取有效成分；降低超临界相的密度，很容易使溶剂从产品中分离，无溶剂污染，且回收溶剂无相变过程，能耗低；兼有蒸馏和萃取双重功能，可用于有机物的分离、精制。存在的不足有：高压下萃取，相平衡较复杂，物性数据缺乏；高压装置与高压操作，投资费用高，安全要求亦高；超临界流体中溶质浓度相对还是较低，故需大量溶剂循环；超临界流体萃取过程固体物料居多，连续化生产较困难。9.分析温度对超临界流体溶解度的影响•一般而言，物质在超临界流体的溶解度变化往往出现最低值。一方面，温度升高流体密度降低，溶解能力下降；另一方面随着温度的升高，被萃取物的蒸气压升高，使物质在超临界流体中溶解度增加。在一定温度以下，前一因素主导，而在一定温度之后是后一因素主导，所以，超临界流体的溶解能力随温度的升高先降低后增加。所以选择适宜的超临界流体萃取温度很重要。•4-2：25℃下以1,1,2-三氯乙烷为萃取剂从丙酮水溶液中连续逆流萃取丙酮。水相进料流率为1000kg/h，含45%(wt)丙酮；出口萃余相中含有10%(wt)丙酮。根据以下数据，进行图解计算(列出图解过程)：•（1）作出萃取体系的等边三角形相图；(p188)•（2）求萃取溶剂最低进料流率；•（3）估算当萃取相流率为最低流率的1.5倍时所需的萃取级数；•（4）计算萃取相流率为最低流率的1.5倍时，离开各级的萃取相、萃余相流率和组成。4-2，解：（本题只给出相关求解方法，具体结果大家自己画图求解。）（1）等边三角形相图A：丙酮B：水S：三氯乙烷BSA204060802020404060608080B，%等边三角形相图（2）最低进料流率图解方法最小溶剂比的确定为确定(S/F)min,需首先确定Dmin。根据最小溶剂比(S/F)min时联线和级联线重合，将三角形相图中操作范围内的联线延长，分别与级联线相交。如果交点位于三角形相图左侧时，溶剂比越小，交点离B点越近。将联线延长和级联线的延长线相交得到的交点中选离B点最远的点，即为所求的Dmin。如图8.3.9中D2点是Dmin点，所对应的溶剂比是最小溶剂比。而其余交点所对应的溶剂比更小，无实际意义。如果联线与级联线的交点位于三角形相图右侧，因为溶剂比越小，交点离S点越远，所以在各联线和延线相交得到的交点中选离S点最近的一个交点即为所求的Dmin点。确定Dmin点后，连接F,Dmin点，和溶解度曲线相交于点E1，则和的交点即为他们的公共和点，利用杠杆定律可以求出(S/F)min。实际操作中的（S/F）一般取(S/F)min的适宜倍数。(3)萃取级数图解方法（4）根据杠杆定律，并结合读图，即可得到结果