化工基本知識(shí)第二版下冊(cè)答案解析

1、_氣體吸收1. 在溫度為 40、壓力為 101.3 kPa 的條件下，測(cè)得溶液上方氨的平衡分壓為 15.0 kPa時(shí)，氨在水中的溶解度為76.6 g (NH 3)/1 000 g(H 2O) 。試求在此溫度和壓力下的亨利系數(shù)E、相平衡常數(shù)m 及溶解度系數(shù)H。解：水溶液中氨的摩爾分?jǐn)?shù)為76.6x170.07576.610001718由 p *Ex亨利系數(shù)為Ep*15.0kPa200.0 kPax0.075相平衡常數(shù)為E200.0m1.974pt101.3由于氨水的濃度較低，溶液的密度可按純水的密度計(jì)算。40 時(shí)水的密度為992.2 kg/m 3溶解度系數(shù)為H992.2kmol/(m 3 kPa)

2、 0.276kmol/(m 3 kPa)EM S200.0 183. 在總壓為 110.5 kPa 的條件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空氣中的氨氣。測(cè)得在塔的某一截面上，氨的氣、液相組成分別為y0.032 、 c1.06koml/m3。氣膜吸收系數(shù) kG=5.2 ×10-6 kmol/(m2·s·kPa) ，液膜吸收系數(shù)kL=1.55×10-4 m/s 。假設(shè)操作條件下平衡關(guān)系服從亨利定律，溶解度系數(shù)H 0.725 kmol/(m3 ·kPa) 。（ 1）試計(jì)算以 p 、 c 表示的總推動(dòng)力和相應(yīng)的總吸收系數(shù)；（ 2 ）試分析該過(guò)程的控制因

3、素。解： (1)以氣相分壓差表示的總推動(dòng)力為_(kāi)p p p* pt yc(110.5 0.0321.06 )kPa2.074H0.725kPa其對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù)為111(145.216 )(m 2 s kPa)/kmolK GHk LkG0.725 1.55 1010(8.899 1031.923 105 )(m 2 s Pa)/kmol 2.012 105 (m 2 s Pa)/kmolKG4.97 106·s·kPa)kmol/(m2以液相組成差表示的總推動(dòng)力為cc *cpHc(110.50.0320.7251.06)kmol/m 31.504kmol/m 3其對(duì)應(yīng)的總吸

4、收系數(shù)為K L1110.725m/s 6.855 10 6 m/sH1k LkG1.55 10 45.2 106（ 2）吸收過(guò)程的控制因素氣膜阻力占總阻力的百分?jǐn)?shù)為1/ kGK G4.97101/KGkG5.21066100%95.58%氣膜阻力占總阻力的絕大部分，故該吸收過(guò)程為氣膜控制。4. 在某填料塔中用清水逆流吸收混于空氣中的甲醇蒸汽。操作壓力為105.0 kPa，操作溫度為 25 。在操作條件下平衡關(guān)系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系數(shù)為2.126kmol/(m3·kPa) 。測(cè)得塔內(nèi)某截面處甲醇的氣相分壓為7.5 kPa ，液相組成為2.85kmol/m3，液膜吸收系數(shù)k

5、L=2.12 ×10-5 m/s，氣相總吸收系數(shù)KG 1.206 ×10-5kmol/(m2·s·kPa) 。求該截面處（1 ）膜吸收系數(shù)kG 、kx 及 ky ；（ 2 ）總吸收系數(shù)KL、 KX及 KY；（ 3 ）吸收速率。解： (1)以純水的密度代替稀甲醇水溶液的密度，25時(shí)水的密度為_(kāi)997.0 kg/m3溶液的總濃度為ct997.0 kmol/m 355.3918kmol/m3kxct kL55.392.1210 5 kmol/(m 2s)1.174 10 3 kmol/(m 2 s)111(1515 )(m2s kPa)/ kmolkGKGHk

6、L1.206 102.126 2.12 106.073104 (m 2 s kPa)/ kmolkG1.647 10 5kmol(m 2s kPa)kypt kG105.01.64710 5 kmol/(m 2s)1.729 10 3 kmol/(m 2 s)K G1.20610 5m/s5.673106（ 2）由K LH2.126m/sm997.00.248Hp總 M S2.126105.01811m(11030.2483 )(m 2s)/kmol7.896 102 (m 2s)/kmolK ykykx1.7291.17410K y1.26610 3 kmol(m 2s)KxmK y0.24

7、81.26610 3 kmol/(m 2s)3.14010 4 kmol/(m 2s)因溶質(zhì)組成很低，故有KXct KL55.395.67310 6 kmol/(m 2s)3.14210 4 kmol/(m 2s)KYpt KG105.0 1.20610 5 kmol/(m 2 s)1.26610 3 kmol/(m 2s)（ 3）吸收速率為NAK Lc *c5.67310 62.1267.52.85 kmol/(m 2 s)1.310 10 5 kmol/(m 2 s)5.在 101.3 kPa及 25的條件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合氣中的二氧化硫。已知混合氣進(jìn)塔和出塔的組成分別為y

8、1=0.04 、 y2=0.002。假設(shè)操作條件下平衡關(guān)系服從_亨利定律，亨利系數(shù)為4.13 ×103kPa ，吸收劑用量為最小用量的1.45 倍。（1 ） 試計(jì)算吸收液的組成；（ 2 ） 若操作壓力提高到1013 kPa而其他條件不變，再求吸收液的組成。Y1y10.041 y1 10.0417解：（ 1）0.04Y2y20.0020.0021 y210.002mE4.1310340.77pt101.3吸收劑為清水，所以X 20qn,LY1Y20.0417 0.002qn,VY1 / mX238.81min0.0417/ 40.77 0所以操作時(shí)的液氣比為qn,L1.45qn,L1.

9、4538.8156.27qn,Vqn,Vmin吸收液的組成為X1qn,VY1Y2 X10.0417 0.002 0 7.054 104qn,L256.27mE4.13 1034.077pt1013（ 2）qn,LY1Y20.04170.002qn,VY1 / m X 20.04173.8810min4.077qn,L1.45qn,L1.453.8815.627qn,Vqn,VminX1qn,VYX10.0417 0.002 0 7.055 103Y212qn,L5.627_6. 在一直徑為 0.8 m 的填料塔內(nèi)，用清水吸收某工業(yè)廢氣中所含的二氧化硫氣體。已知混合氣的流量為45 kmol/h，

10、二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為 0.032 。操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y 34.5X ，氣相總體積吸收系數(shù)為0.056 2 kmol/(m3 ·s)。若吸收液中二氧化硫的摩爾比為飽和摩爾比的76% ，要求回收率為98% 。求水的用量（ kg/h ）及所需的填料層高度。y10.0320.0331Y1y110.032解：1Y2Y1 1A0.0331 10.980.000662X 1*Y10.03314m9.5941034.5X10.76X1*0.76 9.594 10 47.291 10 4惰性氣體的流量為qn,V45(10.032)kmol/h43.56kmol/h水的用量為qn,Lqn,V (

11、Y1Y2 )43.560.03310.000662kmol/h 1.938 103 kmol/hX1X 27.291 1040qm,L1.93810318kg/h3.488104 kg/h求填料層高度H OGqn, V43.56 / 36002 m 0.429mK Y a0.05620.7850.8Y1Y1Y1 *0.033134.57.29110 40.00795Y2Y2Y2 *0.00066234.500.0006621.00.9a0.80.750.6dy0.5e0.40.3b0.2110.1c0.00.0xW0.10.20.30.4xF0.50.60.70.80.9xD1.0XN OGY

12、1Y20.03310.00066211.07Ym0.00293_ZNOG H OG11.07 0.429m4.749m7. 某填料吸收塔內(nèi)裝有5 m高，比表面積為 221 m2/m3 的金屬階梯環(huán)填料，在該填料塔中，用清水逆流吸收某混合氣體中的溶質(zhì)組分。已知混合氣的流量為50 kmol/h，溶質(zhì)的含量為5 （體積分?jǐn)?shù)）；進(jìn)塔清水流量為200 kmol/h ，其用量為最小用量的1.6 倍；操作條件下的氣液平衡關(guān)系為Y2.75X；氣相總吸收系數(shù)為310 4 kmol/(m 2s) ；填料的有效比表面積近似取為填料比表面積的90 。試計(jì)算（ 1 ）填料塔的吸收率；（2 ）填料塔的直徑。解：（ 1）惰

13、性氣體的流量為qn,V 50(10.05)kmol/h47.5kmol/h對(duì)于純?nèi)軇┪誵n,LY1 Y2m Aqn,VY1 / mX 2min依題意qn,L2002.632qn,V47.51.6min(qn,L / qn,V)min2.63295.71%Am2.75Y1y10.050.05261 y110.05（2 ）Y2Y11A0.05261 0.95710.00226X 1qn, VY1Y2X 247.50 0.0120qn, L2000.0526 0.00226Y1Y1Y1 *0.05262.750.01200.0196Y2Y2Y2 *0.002262.7500.00226_YmY1Y

14、20.0196 0.002260.00803Y10.0196lnln0.00226Y2N OGY1 Y20.05260.002266.269Ym0.00803H OGZ5m0.798mN OG6.269qn,VH OG由K Y aqn, V47.5 / 360022K Y aH OG310 4221 0.90.798m0.277m填料塔的直徑為D44 0.277 m 0.594m 3.14蒸餾2 試分別計(jì)算含苯 0.4 （摩爾分?jǐn)?shù)）的苯甲苯混合液在總壓100 kPa和 10 kPa的相對(duì)揮發(fā)度和平衡的氣相組成。苯（A ）和甲苯（ B）的飽和蒸氣壓和溫度的關(guān)系為lg pA*6.0321206.3

15、5t220.24lg pB*6.0781343.94t219.58式中 p 的單位為 kPa ，t 的單位為。 苯甲苯混合液可視為理想溶液。（作為試差起點(diǎn)，100 kPa 和 10 kPa 對(duì)應(yīng)的泡點(diǎn)分別取 94.6 和 31.5 ）解：本題需試差計(jì)算（ 1 ）總壓 p 總 100 kPa初設(shè)泡點(diǎn)為94.6 ，則*1206.35lg pA6.03294.6 220.242.191得 pA*155.37 kPa_*1343.94同理lg p B6.07894.6219.581.80p B*63.15kPaxA10063.150.39960.4155.3763.15或p 總 0.4155.370.

16、6 63.15 kPa100.04kPapA*155.372.46p B*63.15則yx2.460.40.6212(1)x11.460.41（ 2 ）總壓為 p 總 10 kPa通過(guò)試差，泡點(diǎn)為31.5 ， pA*=17.02kPa ， pB* 5.313kPa17.023.2035.3133.2030.40.681y2.2030.41隨壓力降低，增大，氣相組成提高。3 在 100 kPa壓力下將組成為0.55 （易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)）的兩組分理想溶液進(jìn)行平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾。原料液處理量為100 kmol，汽化率為0.44 。操作范圍內(nèi)的平衡關(guān)系可表示為 y0.46x0.549 。試求兩種情

17、況下易揮發(fā)組分的回收率和殘液的組成。解：（ 1）平衡蒸餾（閃蒸）依題給條件q 1 0.44 0.56yqxxF0.560.551.25 1.273xqq10.56 1x則10.561由平衡方程y0.46x0.549聯(lián)立兩方程，得y = 0.735， x = 0.4045nD0.44nF 0.44 100 kmol = 44kmolnD y440.735100%58.8%100%1000.55nF xF（2 ）簡(jiǎn)單蒸餾_nD44 kmoln W56kmolnFln1000.55dxln56x WyxnW0.57981ln0.5490.54xW即0.540.5490.540.55解得xW = 0.

18、3785y xFnWxFxW560.7683nD0.550.55 0.378544A440.7683100%61 .46%1000.55簡(jiǎn)單蒸餾收率高（61.46% ），釜?dú)堃航M成低（0.3785 ）4 在一連續(xù)精餾塔中分離苯含量為0.5 （苯的摩爾分?jǐn)?shù)，下同）苯甲苯混合液，其流量為 100 kmol/h。已知餾出液組成為0.95 ，釜液組成為0.05 ，試求（ 1 ）餾出液的流量和苯的收率；（ 2 ）保持餾出液組成0.95 不變，餾出液最大可能的流量。解：（ 1）餾出液的流量和苯的收率xFxW1000.50.05q n, D q n, FxW0.95kmol h 50kmol hxD0.05

19、qn,D xD100%500.95100% 95%A1000.5q n,F xF（2 ）餾出液的最大可能流量當(dāng)A=100% 時(shí)，獲得最大可能流量，即q n, Dmaxqn, F xF1000.5xDkmol/h 52.63 kmol/h0.955 在連續(xù)精餾塔中分離A 、B 兩組分溶液。 原料液的處理量為 100 kmol/h，其組成為 0.45（易揮發(fā)組分A 的摩爾分?jǐn)?shù)，下同），飽和液體進(jìn)料，要求餾出液中易揮發(fā)組分的回收率為 96 ，釜液的組成為0.033 。試求（ 1 ）餾出液的流量和組成； （ 2 ）若操作回流比為2.65 ，寫(xiě)出精餾段的操作線方程；（3 ）提餾段的液相負(fù)荷。解：（ 1）

20、餾出液的流量和組成_由全塔物料衡算，可得q n, D xD0.96qn, F xF0.96 1000.45kmol/h43.2 kmol/hq n, W xW10.961000.45kmol/h1.8 kmol/hqn,W1.80.033 kmol/h=54.55 kmol/hqn,Dqn,F qn,W10054.55 kmol/h=45.45 kmol/h43.2xD0.950545.45（2 ）精餾段操作線方程yRxD2.650.95050.726x 0.2604xR 1x3.65R13.65（3 ）提餾段的液相負(fù)荷q n, Lq n, Lqqn, FRq n,Dq n, F2.65 45

21、.45100 kmol/h 220.4 kmol/h6 在常壓連續(xù)精餾塔中分離A 、B 兩組分理想溶液。進(jìn)料量為60 kmol/h ，其組成為 0.46（易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)，下同），原料液的泡點(diǎn)為92 。要求餾出液的組成為0.96 ，釜液組成為0.04 ，操作回流比為2.8 。試求如下三種進(jìn)料熱狀態(tài)的q 值和提餾段的氣相負(fù)荷。（ 1 ）40 冷液進(jìn)料；（ 2 ）飽和液體進(jìn)料；（ 3 ）飽和蒸氣進(jìn)料。已知：原料液的汽化熱為371 kJ/kg ，比熱容為 1.82 kJ/(kg ? )。解：由題給數(shù)據(jù)，可得q n, DxFxW600.460.04q n, FxW0.96kmol/h 27.39

22、kmol/hxD0.04q n, W60 27.39 kmol/h32.61 kmol/h（1 ）40冷液進(jìn)料q 值可由定義式計(jì)算，即_q1cPt b tF11.82 92 401.255r371VR1 qn, D1q F2.8 127.39 1 1.255 60 kmol/h 119.4kmol/ h（2 ）飽和液體進(jìn)料此時(shí)q = 1VVR1 q n,D3.827.39kmol/h104.1kmol/h（3 ）飽和蒸氣進(jìn)料q = 0VVq n, F104 .160 kmol/h44.1kmol/h三種進(jìn)料熱狀態(tài)下，由于q 的不同，提餾段的氣相負(fù)荷（即再沸器的熱負(fù)荷）有明顯差異。飽和蒸氣進(jìn)料V

23、 最小。7 在連續(xù)操作的精餾塔中分離兩組分理想溶液。原料液流量為50 kmol/h，要求餾出液中易揮發(fā)組分的收率為94 。已知精餾段操作線方程為y = 0.75x+0.238； q 線方程為y =2-3x 。試求（ 1 ）操作回流比及餾出液組成；（2 ）進(jìn)料熱狀況參數(shù)及原料的總組成；（3 ）兩操作線交點(diǎn)的坐標(biāo)值xq 及 yq ；（ 4）提餾段操作線方程。解：（ 1）操作回流比及餾出液組成由題給條件，得RxD0.238R0.751及 R1解得R = 3 ， xD = 0.9522 ）進(jìn)料熱狀況參數(shù)及原料液組成由于q3xF2及 1 qq1解得q = 0.75（氣液混合進(jìn)料），xF = 0.5（3

24、）兩操作線交點(diǎn)的坐標(biāo)值 xq及 yq聯(lián)立操作線及q 線兩方程，即y 0.75x 0.238 y 2 3 x解得xq = 0.4699及 yq = 0.5903（4 ）提餾段操作線方程其一般表達(dá)式為_(kāi)yqn,L xqn, W xWqn, Vqn, V式中有關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：q n, DA qn, F xF0.9450 0.5 kmol/h24.68kmol/hxDqn,Wqn,Fqn,D50 24.680.952kmol/h= 25.32 kmol/hxW1 Aq n,F xF10.94 50 0.50.0592qn,W25.32qn,LRqn,Dqqn,F324.68 0.7550kmol/h

25、=111.54 kmol/hqn,Vqn,Lqn,W111.54 25.32kmol/h = 86.22 kmol/hy111.54 x25.32 0.0592 1.294x 0.01739則86.2286.228 在連續(xù)精餾塔中分離苯甲苯混合液，其組成為0.48 （苯的摩爾分?jǐn)?shù)，下同），泡點(diǎn)進(jìn)料。要求餾出液組成為0.95 ，釜?dú)堃航M成為 0.05 。操作回流比為2.5 ，平均相對(duì)揮發(fā)度為2.46 ，試用圖解法確定所需理論板層數(shù)及適宜加料板位置。解：由氣液平衡方程計(jì)算氣液相平衡組成如本題附表所示。習(xí)題8附表0.01.x00.10.20.30.40.50.60.70.80.9500.10.20.30.50.60.70.70.80.90.91.y2.46x011.46x14811