化工課堂例題

例5-1：在常壓及20℃下，測(cè)得氨在水中的平衡數(shù)據(jù)為：0.5gNH3/100gH2O濃度為的稀氨水上方的平衡分壓為400Pa，在該濃度范圍下相平衡關(guān)系可用亨利定律表示，試求亨利系數(shù)E，溶解度系數(shù)H，及相平衡系數(shù)m。(氨水密度可取為1000kg/m3)2023/1/131整理課件例5-2：某系統(tǒng)溫度為10℃，總壓為l01.3kPa，試求在此條件下與空氣充分接觸后的水中，每立方米水溶解了多少克氧氣?(此條件下亨利系數(shù)E=3.31*106kpa)因?yàn)樗怨式猓嚎諝獍蠢硐霘怏w處理，由道爾頓分壓定律可知：氧氣在氣相中的分壓為2023/1/132整理課件例5-3：已知服從亨利定律的某一低濃度氣體的吸收，其氣膜傳質(zhì)分系數(shù)kg=0.27kmol·m-2·h-1·atm-1和液膜傳質(zhì)分系數(shù)kl=0.42m·h-1,試求氣相傳質(zhì)總系數(shù)（KG）和液相傳質(zhì)總系數(shù)（KL）。已知其平衡關(guān)系y*=102x，吸收劑（H2O）從塔頂噴淋，塔內(nèi)操作壓力為786mmHg。2023/1/133整理課件例5-4

含氨極少的空氣于101.33kPa、20℃下被水吸收。已知?dú)饽髻|(zhì)系數(shù)kG=3.15×10-6kmol/(m2·s·kPa)，液膜傳質(zhì)系數(shù)kL=1.81×10-4kmol/(m2·s·kmol/m3)，溶解度系數(shù)H=0.72kmol/(m3·kPa)。氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律。求：氣相總傳質(zhì)系數(shù)及液相總傳質(zhì)系數(shù)?！窘狻恳?yàn)槲锵捣暮嗬晒视校簹饽ぷ枇φ伎傋枇Φ陌俜謹(jǐn)?shù)為：屬氣膜控制2023/1/134整理課件例5-5：用20℃的清水逆流吸收氨－空氣混合氣中的氨，已知混合氣體溫度為20℃，總壓為101.3kPa，其中氨的分壓為1.0133kPa，要求混合氣體處理量為773m3/h，水吸收混合氣中氨的吸收率為99％。在操作條件下物系的平衡關(guān)系為：若吸收劑用量為最小用量的2倍，試求(1)塔內(nèi)每小時(shí)所需清水的量為多少kg？(2)塔底液相濃度（用摩爾分?jǐn)?shù)表示）。2023/1/135整理課件實(shí)際吸收劑用量L=2Lmin=2×23.8=47.6kmol/h

＝856.8kg/h(2)X1=X2+V(Y1-Y2)/L=0+2023/1/136整理課件例5-6：某生產(chǎn)車(chē)間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)料混合氣組成為0.04(組分的Amol分率，下同)，出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關(guān)系為Y*=2.5X(X、Y*均為摩爾比)，試求：1）L/V為(L/V)min的多少倍？2）所需填料層高度。3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至0.0033，求此時(shí)所需填料層高度為若干米？

2023/1/137整理課件解：1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)2023/1/138整理課件對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法2）所需填料層高度2023/1/139整理課件3）尾氣濃度下降后所需的填料層高度尾氣濃度

2023/1/1310整理課件例5-7：用SO2含量為1.1×10-3(摩爾分?jǐn)?shù))的水溶液吸收含SO2為0.09（摩爾分?jǐn)?shù)）的混合氣中的SO2。已知進(jìn)塔吸收劑流量為37800kg/h，混合氣流量為100kmol/h，要求SO2的吸收率為80%。在吸收操作條件下，系統(tǒng)的平衡關(guān)系為Y*=17.8X，求氣相總傳質(zhì)單元數(shù)。2023/1/1311整理課件2023/1/1312整理課件例6-1：質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的相互換算:(1)甲醇-水溶液中，甲醇(CH3OH)的摩爾分?jǐn)?shù)為0.45，試求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(2)苯-甲苯混合液中，苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21，試求其摩爾分?jǐn)?shù)。整理課件解：x與w之間的換算關(guān)系為：(2)所以:(1)整理課件例6-2：用一連續(xù)精餾裝置在常壓下，分離含苯41%（質(zhì)量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于97.5%，塔底產(chǎn)品中含甲苯不低于98.2%，每小時(shí)處理的原料量為8570kg。操作回流比為3，試計(jì)算：（1）塔頂及塔底的產(chǎn)品量；（2）精餾段上升蒸汽量及回流液量；分析：求W、D全塔物料衡算求xF、xW、xD求V、L已知R精餾段物料衡算整理課件解：

（1）產(chǎn)品量

整理課件(2)上升蒸汽量及回流量

精餾段：整理課件例6-3：在連續(xù)精餾塔中分離由二硫化碳和四氯化碳所組成的混合液。已知原料液流量為14000kg/h，組成wF為0.3（二硫化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。若要求釜液組成wW不大于0.05，餾出液回收率為90％。試求餾出液的流量和組成，分別以摩爾流量和摩爾分?jǐn)?shù)表示。解：原料液平均摩爾質(zhì)量MF=0.465×76+(1-0.465)×154=117.7kg/kmol所以F=14000/117.7=118.95kmol/h整理課件餾出液回收率DxD/FxF=90%DxD=0.9×118.95×0.465=49.78由全塔物料衡算F=D+W118.95=D+WFxF=DxD+WxW118.95×0.465=0.9×118.95×0.465+0.096W解之D=61.33kmol/h故xD=49.78/61.33=0.81整理課件例6-4：在一連續(xù)精餾塔中分離苯-甲苯混合液，要求餾出液中苯的含量為0.97（摩爾分?jǐn)?shù)），餾出液量6000kg/h，塔頂為全凝器，平均相對(duì)揮發(fā)度為2.46，回流比為2.5，試求：（1）第一塊塔板下降的液體組成x1；（2）精餾段各板上升的蒸汽量及下降液體量。解：（1）因塔頂為全凝器，所以y1=xD=0.97

（2）L=RD=2.5×76.51=191.3kmol/hV=(R+1)D=(2.5+1)×76.51=267.8kmol/h整理課件例6-5：某理想混合液用常壓精餾塔進(jìn)行分離。進(jìn)料組成含A81.5％，含B18.5％（摩爾百分?jǐn)?shù)，下同），飽和液體進(jìn)料，塔頂為全凝器，塔釜為間接蒸氣加熱。要求塔頂產(chǎn)品為含A95％，塔釜為含B95％，此物系的相對(duì)揮發(fā)度為2.0，回流比為4.0。試用（1）逐板計(jì)算法，（2）圖解法分別求出所需的理論板層數(shù)及進(jìn)料板位置。

解：（1）逐板計(jì)算法由于塔頂為全凝器，所以y1=xD=0.95由相平衡方程式及精餾段操作線方程式：

由上兩式交替計(jì)算至x3=0.759<xF整理課件由相平衡方程式與上述提餾段操作線方程式交替計(jì)算至x10=0.036<xW所以理論板層數(shù)NT=10-1=9層（不包括塔釜）。整理課件例7-1：有一液相反應(yīng)A+B=R，已知反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，速率方程為rA=kcA·cB，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.2L·mol-1·min-1，現(xiàn)在一容積為1L的間歇反應(yīng)裝置中進(jìn)行。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，反應(yīng)器中cA0=2.40mol·L-1，cB0=1.60mol·L-1。求檔反應(yīng)物B的轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%時(shí)，需要多少時(shí)間？整理課件例8-1：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6L/(mol·min)。試求乙酸乙酯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到80％、90％和95％時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。整理課件得：XA=80%，t=43.5min；

XA=90%，t=97.8min；

XA=95%，t=206.5min解：整理課件例8-2：在間歇釜式反應(yīng)器中,己二酸與己二醇以等物質(zhì)的量比,在343K時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂，以硫酸為催化劑，其反應(yīng)速率方程式為rA=kcAcB，cA=cB。在343K時(shí)，k=1.97L?kmol-1?min-1。己二酸的起始濃度cA0=0.004kmol.L-1。若每天處理2400kg己二酸，己二酸的轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時(shí)間為1h，試計(jì)算反應(yīng)器的總?cè)莘e。裝料系數(shù)φ取0.75。整理課件解：rA=kcAcB=kcA2整理課件平均每小時(shí)要處理的物料體積為：則間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積為：間歇反應(yīng)器的實(shí)際容積為：間歇反應(yīng)器的總?cè)莘e為2.16m3。整理課件例8-3：己二酸(A)與己二醇(B)以等物質(zhì)的量比，在343K時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得其反應(yīng)速率方程式為rA=kcAcB，cA=cB，在343K時(shí)，k=0.1182m3?kmol-1?h-1。A的分子量為146，A的起始濃度cA0=4kmol.m-3。若每天處理2400kg己二酸，己二酸的轉(zhuǎn)化率為80%和90%時(shí)，試計(jì)算使用理想管式反應(yīng)器所需的容積。并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。解：根據(jù)平推流反應(yīng)器中二級(jí)反應(yīng)的公式：整理課件tVRVT轉(zhuǎn)化率80%間歇反應(yīng)釜9.461.622.16理想管式8.461.451.45轉(zhuǎn)化率90%間歇反應(yīng)釜20.043.434.57理想管式19.043.253.25

兩類(lèi)反應(yīng)器所需容積：VR間＞VR平。

間歇反應(yīng)器有輔助時(shí)間和裝料系數(shù)的影響。整理課件例8-4：己二酸(A)與己二醇(B)以等物質(zhì)的量比，在343K時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得其反應(yīng)速率方程式為rA=kcAcB，cA=cB，在343K時(shí)，k=0.1182m3?kmol-1?h-1。A的分子量為146，A的起始濃度cA0=4kmol.m-3。若每天處理2400kg己二酸，己二酸的轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算使用全混流反應(yīng)器所需的容積。解：根據(jù)全混流反應(yīng)器中二級(jí)反應(yīng)的公式：

比前面幾類(lèi)反應(yīng)器所需容積都大。整理課件生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1，最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9％，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。（1）如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為15

min；（2）如果是全混反應(yīng)器；（3）試比較上述兩問(wèn)的計(jì)算結(jié)果；（4）若過(guò)氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？例8-5：在一個(gè)體積為300L的反應(yīng)器中，86℃等溫下將濃度為3.2mol/L的過(guò)氧化氫異丙苯溶液分解：整理課件t=ln[1/(1-xA)]/k=56.37s=0.94minVr=Q0(t+t0)=300LQ0=300/15.94=18.82L/min

苯酚濃度C苯酚=CA0xA=3.2×0.989=3.165mol/L

苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚=18.82×3.165=59.56mol/min=335.9kg/h(2)

全混流反應(yīng)器

Vr=Q0CA0xAj/kCA0(1－xAj)=Q0XAj/k(1－xAj)Q0