1、 化工单元操作过程与设备 习题答案（ 下 ） 目 录 1 蒸馏 . 1 2 气体吸收 . 21 3 气液传质设备 . 37 4 干燥 . 43 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 1 1 蒸馏 1. 已知总压 = 101.33， 的关系式 为 xA = 00 0 ， 的关系式为 yA =0 计算结果列于下表中： 温度， x y 温度， x y 36.1 1.00 1.00 55 0.31 0.56 40 0.82 0.93 60 0.18 0.38 45 0.62 0.83 65 0.07 0.18 50 0.45 0.71 68.1 0.00 0.00 绘制出 t-y-x 相图，如下图所
2、示： 2. 关系式不变 ， 故直接 引 用上题数据 x 关系式 = 1+( 1)， 由于 是理想溶液 ， 故相对挥发度 = 00 计算结果列于下表中： 温度， x y 温度， x y 36.1 1.00 1.00 55 0.31 0.56 40 0.82 0.93 60 0.18 0.38 45 0.62 0.83 65 0.07 0.18 50 0.45 0.71 68.1 0.00 0.00 此题 的计算结果跟 1 题 完全一样 35404550556065700.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0t,x(y)化工单元操作过程与设备习题答案（
3、下 ） 2 3. 由 已知 = 0.2， = 106.7， 气相平衡组成可利用下式计算： = 0 饱和 蒸汽压和温度的关系已知，为求 0， 需先确定温度 t 因 = 00 0 ,故 00 0 = 0.2 此式 可作为试差计算中所设的温度是否正确的依据 假设 = 104，由上述 的方程可求得 0 = 200.7， 0 = 83.6 00 0 =106.783.6200.783.6 = 0.197 0.2 需 重新假设 t， 并 重复上述计算 最后 ，当 假设 = 103.9，得到 0 = 200.2， 0 = 83.4。 则 00 0 =106.783.4200.283.4 0.2 可见 ，所设
4、温度 正确 ，即溶液的泡点温度 为 103.9 由于 0 = 200.2， 故气相组成为 = 0 =200.2106.70.2 = 0.375 4. 原料液 处理量 = 100， 汽化率为 0.4， 故 = 100 0.4 = 40， = = (10040) = 60 对 易挥发 组分 作 物料衡算 ，可写出： = + 代入 F、 D 和 W 的 值，得 100 0.5 = 40 +60 物系的平均相对挥发度 = 2.5， 故相平衡方程为 = 2.51+(2.51) 联立 求解 ， 得平衡蒸馏 气液组成 = 0.41， = 0.635 已求馏出液量 = 40 利用 式 (123)求出 釜液组成
5、，即 = 1 12+(121) 其中 = 100， = 60， = 2.5， = 0.5， 即 10060 = 12.510.52+2.5(1210.5) 解得 釜 液最终 组成 2 = 0.387 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 3 馏出液的 平均组成为 = + ( 2) = 0.5+6040(0.50.387) = 0.67 5. 注意：原 参考答案 是 把本题的 “ 四硫化碳 ” 改成 “ 四氯化碳 ” 已知 二硫化碳的摩尔质量为 76 ，四硫化碳 的摩尔 质量 为 140 首先 将用质量分数所表示的二硫化碳的组成换算为用摩尔分数表示： = 0.3 760.3 76 +(10.3
6、) 140 = 0.44 = 0.05 760.05 76 +(10.05) 140 = 0.088 原料液 的平均摩尔质量 = 0.4476+(10.44)140 = 111.84 原料液 的摩尔流量 = 14000111.84 = 125 0馏出液 的回收率 = 100% = 125 0.44100% = 90% 解得 = 49.5 由全塔物料 衡算方程得 = + = +即 + = 125 49.5+0.088 = 1250.44 解得 = 62.5( )， = 62.5( ) 故馏出液的组成 = = 49.562.5 = 0.792 6. 已知苯 的摩尔质量 为 78 ， 甲苯的摩尔质量
7、为 92 首先 将用质量分数所表示的苯的组成换算为 用 摩尔分数表示 = 40% 7840% 78 +(140%) 92 = 0.44 = 2% 782% 78 +(12%) 92 = 0.0235 = 97.1% 7897.1% 78 +(197.1%) 92 = 0.975 原料液 的平均摩尔质量 = 0.4478+(10.44)92 = 85.84 原料液 的摩尔流量 = 1000085.84 = 116.5 由全塔物料 衡算方程得 = + = +化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 4 代入 得 + = 116.5 0.975 +0.0235 = 116.50.44 解得 = 51(
8、 )， = 65.5( ) 塔顶 苯的回收率 = 100% = 510.975116.50.44100% = 97% 7. 联立 平衡线方程和 q 线方程，求出平衡时的 气液相 组成 (,)即 =1+( 1) = 1 1 1代入 已知数据得 = 2.921+(2.921) = 1.21.21 11.210.4解得 = 0.451， = 0.706 最小回流比 = = 0.980.7060.7060.451 = 1.07 饱和 液体进料时 ， = = 0.4 利用相平衡方程求出 平衡 的气相组成 = 1+( 1)= 2.920.41(2.921)0.4 = 0.66 最小回流比 = = 0.98
9、0.660.660.4 = 1.23 由 习题 1 附表 得 55 时， 0 = 185.18， 0 = 64.44， 总压 = 101.33 气液平衡 时 = 00 0 =101.3364.44185.1864.44 = 0.31 = 0 =185.18101.330.31 = 0.56 最小回流比 = = 0.980.560.560.31 = 1.68 8. 由全塔物料 衡算方程得 = + = +已知 = 110 ， = 0.4， = 0.95， = 0.02 代入 得 + = 110 0.95 +0.02 = 1100.4 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 5 解得 = 44.9(
10、 )， = 65.1( ) 由 = ， 得精馏段内各板的下降液体量 = = 3.244.9 = 143.7 由精馏段 物料衡算 方程求得上升蒸 气 量 = + = (143.7+44.9) = 188.6 饱和 蒸汽进料时，提馏段内各板的上升蒸汽量 = = (188.6110) = 78.6 下降 液体量 = = 143.7 9. 由全塔物料 衡算方程得 = + = +已知 = 100 ， = 0.5， = 0.95， = 0.05 代入 得 + = 100 0.95 +0.05 = 1000.5 解得 = 50( )， = 50( ) 泡点 进料时，平衡液相组成 = = 0.5 平衡 气相
11、组成 = 1+( 1)= 2.250.51(2.251)0.5 = 0.692 最小回流比 = = 0.950.6920.6920.5 = 1.344 则 回流比 = 1.2 = 1.21.344 = 1.61 精馏段 内各板的上升蒸汽量 = ( +1) = (1.61+1)50 = 130.5 泡点 进料时，提馏段上升蒸汽量 = = 130.5 提馏段 操作线方程可 写 为 +1 = 由提馏段物料衡算 方程，得下降液体量 = + = (130.5+50) = 180.5 将数据代入，可 得提馏段操作线方程为 +1 = 180.5130.5 50130.50.05 = 1.383 0.0192
12、 10. 求精馏段 蒸汽 上升量 V 由全塔物料 衡算方程得 = + = +已知 = 10 ， = 30%， = 95%， = 3% 代入 得 + = 10 95% +3% = 1030% 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 6 解得 = 2.93( )， = 7.07( ) 精馏段蒸汽上升量 = ( +1) = (3+1)2.93 = 11.72 求 进料热状况参数 q 查苯 -甲苯相平衡， = 30%时， 混合液沸点 = 98.6， 进料温度 = 40 故平均温度 = +2 = 40+98.62 = 69.3 此温度下 ， 苯的比热容 苯 = 148 ( ) 甲苯的比热容 甲苯 = 1
13、75 ( ) 苯的汽化潜热 苯 = 33300 甲苯 的汽化潜热 甲苯 = 39200 加料液的平均摩尔 热容 = 苯 +甲苯 (1)= 14830%+175 (130%) ( )= 166.9 ( ) 加料液 的 平均汽化潜热 = 苯 +甲苯 (1)= 3330030%+39200 (130%) = 37430 进料热状况参数 q = +( ) = 37430+166.9(98.640)37430 = 1.26 塔釜的蒸发量 = +( 1) = 11.72+(1.261) 10 = 14.32 11. q 线方程可写为 = 1 1 1 = 0.5 +0.675 由此可得 1 = 0.5 1
14、= 0.675，解得 q =13 = 0.45 精馏段 和提馏段两操作线的交点也在 q 线上 故联立题中两方程即可求得 (,) 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 7 即 y = 0.8 +0.19 = 0.5 +0.675， 解得交点坐标 (0.3731,0.4885) 12. 以分凝器 为第零块塔板，则有 0 = = 0.96， 0 = 0.90 由 相平衡方程得 0 = 01+( 1)0代入得 0.96 = 0.901+0.90( 1) 解得相对挥发度 = 83 利用第一层板的液相组成 1 = 0.80和 相平衡方程，求得第一层板的 气相 组成 1 = 11+( 1)1= 8 3 0
15、.801+(8 3 1)0.80 = 0.9143 精馏段操作线方程为 +1 = +1 + 1 +1 令 = 0，代入 已知数据得 +10.90+1 +10.96 = 0.9143 解得操作回流比 = 3.196 最小回流比的计算式为 = 由于泡点 进料，即 = 1， 故 = = 0.45 利 用 相平衡方程求得 = 1+( 1)= 8 3 0.451+(8 3 1)0.45 = 0.686 把 、 和 代入 最小回流比计算式 ， 得 = = 0.960.6860.6860.45 = 1.161 由 回收率知 = 100% = 100 0.960.45 100% = 96% 解得 原料液流量
16、= 222.2 13. 相对 挥发度 = 2.47， 故苯 -甲苯气液相平衡方程 写 为 = 2.471+(2.471) 回流比 = 5，馏出液组成 = 0.98， 故精馏段操作线方程为 = +1 + 1 +1 = 55+1 + 15+10.98 = 0.8333 +0.1633 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 8 泡点 进料，故 = 1， 故提馏段操作线方程为 = + + + = + + + = + + + = + + + = + +1 1 +1 其中 馏出液的采出率 = =0.250.0850.980.085 = 0.1844 因此 提馏段的操作线方程为 = 5+1 0.18445
17、+1 1 0.1844 15+1 0.085 = 1.737 0.0627 根据 相平衡方程、两操作线方程逐板计算理论板数 塔顶 为全凝器 ， 则 1 = = 0.98， 利用相平衡方程 可求得 1， 即 1 = 1 ( 1)1= 0.982.47(2.471)0.98 = 0.9520 由 精馏段操作线方程 可 求得 2， 即 2 = 0.83331 +0.1633 = 0.83330.9520 +0.1633 = 0.9566 重复 上述方法逐板计算，当求到 = 0.25时该板为进料版 然后 改用提馏段操作线 方程 和相平衡方程 进 行计算 ， 直至 = 0.085为止。 计算结果列于下表
18、中 NT 1 2 3 4 5 y 0.98 0.9567 0.9128 0.8376 0.7268 x 0.9520 0.8894 0.8091 0.6762 0.5186 NT 6 7 8 9 10 y 0.5955 0.4745 0.3864 0.2903 0.1842 x 0.3734 0.2677 0.2032 0.1421 0.08376 可见 ，总理论板数为 10（包含 再沸器） ， 其中精馏段为 7 层 ，第 8 层 为进料板。 14. 首先 作出乙醇 -水的 相图 ， 根据 = 78%， = 40%和 = 2%定出 点 a、点 e 和点 c 然后 由 = 78%， = 3 在
19、y 轴 上 定出 = +1 = 0.195 的点 b 并作出精馏段操作线 进料状态 参数 = 1.103， 过点 e 作斜率为 1 = 10.71 直线 ef， 得到 q 线 q 线 交精馏段操作线与点 d， 连接点 c、点 d 得到 提馏段操作线 然后 ，从点 a 出发，在相平衡 线 与操作线之间 画阶梯 ，结果如下 页 图所示 由图可 读得所需理论 板 层数为 7 块 （ 含 再沸器） 其中 精馏段 4 块， 提馏段 3 块 ，加料板在第 5 块 。 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 9 15. 已知 = 0.95， = 0.05， = 0.5， = 1， = 2.25 最小回流比
20、= ， 对于泡点进料： = = 0.5 由相平衡 方程 = 1+( 1)可 求出 ， 即 = 1+( 1)= 2.250.51+(2.251)0.5 = 0.692 故 最小回流比 = = 0.950.6920.6920.5 = 1.34 由 芬斯克公式可求得所需最小理论塔 板数，写为 +1 =lg( 1)(1)lg =lg( 0.9510.95)(10.050.05 )lg2.25 1 = 6.262 又 = 1.2， 因此 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0yxa xw x
21、F xD f 1 2 3 4 5 e c 7 6 d b 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 10 = +1 = 1.2 1.2 +1= 0.21.2 +1= 0.21.341.21.34+1 = 0.103 = +2 = 0.545827 0.591422 +0.002743= 0.545827 0.5914220.103+0.0027430.103= 0.512 将 = 6.262代入 ，即可解得 = 14.93 15（不含 塔釜） 进料 位置可通过求出精馏段所需最小理论板层数 和 所需理论板层数 来 确定 =lg( 1)(1)lg 1 =lg( 0.9510.95)(10.50.5
22、)lg2.25 1 = 2.631 利用图 1-36 查得 +2 +2 = 0.512 可求得 = 7.49 7（不含 加料板） 所以 ，加料板为第 8 块 理论 板 16. 由全塔物料 衡算方程 写出 1 +2 = + 11 +22 = +代入 得 + = 50+50 0.95 +0.04 = 500.5+500.3 解得 = 39.56( )， = 60.44( ) 对于 段 ，泡点进料， 1 = 1， 故 1 = 1 = 0.5。利用 相平衡方程可求得 1 = 11+( 1)1= 2.50.51+(2.51)0.5 = 0.714 故 段的 最小回流比 (1) = 11 1= 0.950
23、.7140.7140.5 = 1.103 对于 段 ，露点进料， 2 = 0， 故 2 = 2 = 0.3， 利用相平衡方程可求得 2 = 2 ( 1)2= 0.32.5(2.51)0.3 = 0.416 在 相平衡线 的 交点 2(2,2)上 ，提馏段操作线斜率为 =2 2 =0.30.040.1460.04 = 2.453 (a) 由 第二股加料口下任一截面至塔底间写出物料衡算方程 = = 60.44 (b) 将 (a)、 (b)两式联立 求解，得 = 41.60( )， = 102.04( ) 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 11 由于 提馏段 下降液体量 = = +1（其中 为
24、 两股进料间下降液体量） 所以 精馏段下降液体（ 回流量 ） 为 = 1 = (102.0450) = 52.04 故 段的 最小回流比 (2) = = 52.0439.56 = 1.315 可见 ， 在 夹紧点 1(1,1)计算的最小回流比小于在点 2(2,2)计算 的 最小 回流比 故 决定 全塔 的最小回流比 为 = (2) = 1.315 根据 相平衡方程 = 1+( 1) = 2.51+1.5， 作出 苯 -甲苯的 相图 根据 = 0.95， 1 = 0.5， 2 = 0.3和 = 0.04， 定出点 a、 点 e1、 点 e2和 点 c 然后 由 = 0.95， = 1.8 = 1
25、.81.315 = 2.367， 在 y 轴 上定出 1 = +1 = 0.952.367+1 = 0.282 的 点 b1 连接点 a、点 b1得到精馏段操作线 第一股物料 泡点进料 ， 1 = 1， 此时 q 线 为 = 1， 交精馏段操作线于 d1 再到 y 轴上 定出 2 = 11( +1) +(1 1)1= 0.094 的 点 b2， 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0yxxw xF2 xD a e2 c b1 d1 f1 1 2 3 4 5 6 7 8 xF1 e1
26、 b2 f2 d2 9 10 11 12 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 12 连接 点 d1、点 d2得到第 段 的操作线 第二股 物料露点进料， 2 = 0， 故 = 2， 交第 段 操作线于点 d2 连接 点 c、点 d2得到 提馏段操作线 然后 ，从 a 点出发，在相平衡线 与 操作线之间画阶梯，结果如 上页图 所示 由 图 可 读得所需理论板层数为 12 块 （ 含 再沸器） 精馏段 、第 段 和 提馏段各 4 块 ，第一股加料 板 在第 5 块 ，第二股加料板在第 9 块 17. 该塔 为一无回流塔，其操作线即为提馏段操作线 ， 即 = 已知 = 1， = 0， 所以 =
27、， = ，则 操作线方程为 = 对全塔作物料 衡算 ， 有 = + = +将已知条件代入， 有 = + 42% = 60% +2% 解得 = 0.69， = 0.31 将计算结果代入式 ，得 = = 10.69 0.310.690.02 = 1.45 +0.009 相平衡方程 为 = ( 1) = 2.51.5 自 1 = 始 作逐板计算，计算结果列于下表 NT 1 2 3 4 5 6 7 8 y 0.6 0.535 0.448 0.346 0.245 0.158 0.093 0.048 x 0.375 0.315 0.245 0.175 0.115 0.070 0.039 0.020 因 8
28、 = 0.02， 所以 理论 板 层数 为 8 块 （ 含 塔釜） 记 塔顶产物的最大浓度为 在 这种情况下， q 线 和提馏段操作线的交点落在平衡线上 且 q 线方程为 x = = 42%（泡点进料 ） 故塔顶产物最大浓度 = 1+( 1)= 2.542%1+(2.51)42% = 0.644 18. 苯 的回收率 = = 1500.4 = 0.98 化简得 = 58.8( ) (a) 甲苯 的回收率 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 13 = (1)(1)= (1)150 (10.4) = 0.96 化简得 (1) = 86.4( ) (b) 对全塔作物料 衡算 ， 有 = + =
29、+将已知条件代入， 有 + = 150 + = 150 0.4(c)(d) 式 (c)减去 式 (d)， 得 +(1) = 90 (e) 将 式 (a)和 式 (b)代入 式 (e)， 得 58.8+86.4 = 90 解得 = 62.4( )， 代入式 (c)求得 = 87.6( ) 由 式 (a)可得 = = 58.862.4 = 0.9423 由 式 (b)可得 = 1(1) = 186.487.6 = 0.0137 回流比 = 4， 馏出液组成 = 0.9423， 故精馏段操作线方程为 = +1 + 1 +1 = 44+1 + 14+10.9423 = 0.8 +0.1885 露点进料
30、， = 0。 釜液组成 = 0.0137， 故提馏段操作线方程为 = + + + = = = 462.4462.487.6 87.6462.487.60.0137= 1.541 0.0074 露点进料， = 0。 故 q 线方程为 = = 0.4 由 相平衡方程可得 = ( 1)= 0.42.47(2.471)0.4 = 0.2135 最小回流比 = = 0.94230.40.40.2135 = 2.908 回流比 与最小回流比的 比值 =42.908 = 1.376 第一块 板的气相默弗里效率 = 1 21 2= 0.6 (f) 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 14 全回流 时，操作
31、线方程为 2 = 1， 由相平衡方程得 1 = 11+( 1)1= 2.4721+(2.471)2(g) 塔顶 为全凝器，故 1 = = 0.98 (h) 把 式 (g)和 式 (h)代入 式 (f)，解得 塔顶第二块板上升的气相组成 2 = 0.969 19. 塔顶为全凝器 ，故 1 = = 0.84 代入相平衡方程，即 0.84 = 0.451 +0.55 解得 1 = 0.64 回流比 = 3， 馏出液组成 = 0.84 故精馏段操作线方程为 +1 = +1 + 1 +1= 33+1 + 13+10.84= 0.75 +0.21 把 1 = 0.64代入 上式，求得 2 = 0.69 全
32、塔 只有一块理论 板 ，故 = 2 = 0.69 把 = 0.69代入 相平衡方程，即 0.69 = 0.45 +0.55 解得 = 0.311 馏出液 的采出率 = =40%0.3110.840.311 = 0.168 故 馏出液 量 = 0.168 = 0.168100 = 16.8 20. 由 塔顶产品 的 采出率定义 = = 0.44 可写为 = 0.44 + 和 均为 待求，需用试差法 。 先假设 = 0.207， 那么 = 0.50.2070.44 +0.207 = 0.874 因此 ，精馏段操作线方程为 = +1 + 1 +1 = 33+1 + 13+10.874 = 0.75
33、+0.218 提馏段 操作线方程可 写 为 = 由于 泡点进料，即 = 1， 故 , , , 化工单元操作过程与设备习题答案（下 ） 15 = + = + = = ( +1) 代入 提馏段操作线方程并整理，可写为 = + +1 1 +1 = 3+1 0.443+1 1 0.44 13+1 0.207= 1.318 0.066 气液相 平衡方程写为 = ( 1) = 2.471.47 采用 逐板计算法，自塔顶开始： 1 = = 0.784 利用 相平衡方程得 1 = 0.8742.471.470.874 = 0.737 由 精馏段操作线方程可求得 2， 即 2 = 0.751 +0.218 = 0.750.737+0.218 = 0.771 重复 上述方法逐板计算， 已知 第 2 块板 为进料板 故第 3 块 板开始要改用提馏段操作线方程和相平衡方程进行计算，直至第 5 块为止 计算结果 列于
