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1、化工原理第二版第 1 章 蒸馏1. 已知含苯 0.5（摩尔分率）的苯 -甲苯混合液，若外压为 99kPa，试求该溶液的 饱和温度。苯和甲苯的饱和蒸汽压数据见例 1-1 附表。t （） 80.1 85 90 95 100 105x 0.962 0.748 0.552 0.386 0.236 0.11 解：利用拉乌尔定律计算气液平衡数据查例 1-1 附表可的得到不同温度下纯组分苯和甲苯的饱和蒸汽压 PB*，PA*，由 于总压P = 99kPa，则由 x = （P-P B* ）/（P A*-PB*）可得出液相组成，这样就可以得到一 组绘平衡 t-x 图数据。以 t = 80.1 为例 x = （99
2、-40）/ （101.33-40 ）= 0.962 同理得到其他温度下液相组成如下表根据表中数据绘出饱和液体线即泡点线由图可得出当 x = 0.5 时，相应的温度为 922. 正戊烷（ C5H12）和正己烷（ C6H14）的饱和蒸汽压数据列于本题附表，试求 P = 13.3kPa 下该溶液的平衡数据。温 度 C5H12223.1233.0244.0251.0260.6275.1291.7 309.3KC6H14248.2259.1276.9279.0289.0304.8322.8 341.9饱和蒸汽压 （kPa）1.3 2.65.3 8.013.326.6 53.2101.3解： 根据附表数据
3、得出相同温度下 C5H12（ A）和 C6H14（B）的饱和蒸汽压以 t = 248.2 时为例，当 t = 248.2 时 PB* = 1.3kPa查得 PA*= 6.843kPa得到其他温度下 A?B 的饱和蒸汽压如下表t( ) 248 251 259.1 260.6 275.1 276.9 279 289 291.7304.8 309.3PA*(kPa) 6.843 8.00012.472 13.30026.600 29.484 33.42548.873 53.200 89.000101.300PB*(kPa) 1.300 1.634 2.600 2.826 5.027 5.300 8.
4、000 13.300 15.69426.600 33.250利用拉乌尔定律计算平衡数据平衡液相组成 以 260.6 时为例当 t= 260.6 时 x = (P-P B* )/(P A*-PB*)=(13.3-2.826 )/ (13.3-2.826 )= 1 平衡气相组成 以 260.6 为例当 t= 260.6 时 y = P A*x/P = 13.3 1/13.3 = 1 同理得出其他温度下平衡气液相组成列表如下t( ) 260.6 275.1 276.9 279 289x10.3835 0.3308 0.0285 0y10.767 0.733 0.5240根据平衡数据绘出 t-x-y
5、曲线3. 利用习题 2 的数据，计算：相对挥发度； 在平均相对挥发度下的 x-y 数据， 并与习题 2 的结果相比较。解：计算平均相对挥发度 理想溶液相对挥发度 = PA*/PB* 计算出各温度下的相对挥发度 ：t( ) 248.0 251.0 259.1 260.6 275.1 276.9 279.0 289.0 291.7304.8 309.35.291 5.563 4.178 - -取 275.1 和 279时的 值做平均 m= ( 5.291+4.178 ) /2 = 4.730按习题 2 的 x 数据计算平衡气相组成 y 的值当 x = 0.3835 时，y = 4.73 0.383
6、5/1+(4.73-1) 0.3835= 0.746 同理得到其他 y 值列表如下t( ) 260.6 275.1 276.9 279 2895.2915.5634.178x10.38350.33080.2085 0y10.7460.7000.555 0作出新的 t-x-y 曲线和原先的 t-x-y 曲线如图4. 在常压下将某原料液组成为 0.6 (易挥发组分的摩尔)的两组溶液分别进行 简单蒸馏和平衡蒸馏， 若汽化率为 1/3 ，试求两种情况下的斧液和馏出液组成。 假设在操作范围内气液平衡关系可表示为 y = 0.46x + 0.549 解：简单蒸馏由 ln(W/F)= xxFdx/(y-x)
7、 以及气液平衡关系 y = 0.46x + 0.549得 ln(W/F)= xxFdx/(0.549-0.54x)0.54ln(0.549-0.54x F)/(0.549-0.54x)汽化率 1-q = 1/3 则 q = 2/3 即 W/F = 2/3ln(2/3) = 0.54ln(0.549-0.54 0.6)/(0.549-0.54x)解得x = 0.498代入平衡关系式 y = 0.46x + 0.549 得y = 0.804平衡蒸馏由物料衡算 Fx F = Wx + DyD + W = F 将 W/F = 2/3 代入得到xF = 2x/3 + y/3代入平衡关系式得x = 0.5
8、09 再次代入平衡关系式得 y = 0.7835. 在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四硫化碳所组成的混合液。 已知原料液流量 F 为 4000kg/h ，组成 xF为 0.3 （二硫化碳的质量分率，下同） 。若要求釜液组成 xW不大于 0.05 ，馏出液回收率为 88。试求馏出液的流量和组分，分别以摩尔 流量和摩尔分率表示。解：馏出回收率 = Dx D/FxF = 88 得 馏出液的质量流量Dx D = Fx F 88 = 4000 0.3 0.88 = 1056kg/h结合物料衡算 FxF = WxW + Dx DD + W = F 得 xD = 0.943馏出液的摩尔流量 1056/（76
9、0.943） = 14.7kmol/h 以摩尔分率表示馏出液组成 x D = （0.943/76）/（0.943/76）+（0.057/154）= 0.976. 在常压操作的连续精馏塔中分离喊甲醇 0.4 与说.6 （均为摩尔分率）的溶液， 试求以下各种进料状况下的 q 值。（1）进料温度 40；（2）泡点进料；（3）饱 和蒸汽进料。常压下甲醇 - 水溶液的平衡数据列于本题附表中。温度 t 温度 t液相中甲醇的气相中甲醇的温度 t 液相中甲醇的 气相甲醇的摩尔分率摩尔分率 摩尔分率 摩尔率1000.0 0.075.3 0.400.72996.40.02 0.134 73.10.500.7799
10、3.50.04 0.234 71.20.600.82591.20.06 0.304 69.30.700.870学习参考89.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.01.01.078.00.300.665解：（ 1）进料温度 4075.3 时，甲醇的汽化潜热 r 1 = 825kJ/kg水蒸汽的汽化潜热 r2 = 2313.6kJ/kg57.6 时 ，甲醇的比热 CV1 = 2.784kJ/（kg ）水蒸汽的比热 CV2 = 4.178kJ/（kg ）查
11、附表给出数据 当 xA = 0.4 时，平衡温度 t = 75.3 40进料为冷液体进料即 将 1mol 进料变成饱和蒸汽所需热量包括两部分一部分是将 40冷液体变成饱和液体的热量 Q1，二是将 75.3 饱和液体变 成气体所需要的汽化潜热 Q2 ，即 q = （Q1+Q2）/ Q 2 = 1 + （Q1/Q2）Q 1 = 0.4 32 2.784 （ 75.3-40 ）= 2850.748kJ/kgQ 2 = 825 0.432 + 2313.6 0.618 = 35546.88 kJ/kgq = 1 + （Q1/Q2）= 1.08（2）泡点进料泡点进料即为饱和液体进料 q = 1（3）饱和
12、蒸汽进料 q = 07. 对习题 6 中的溶液，若原料液流量为 100kmol/h ，馏出液组成为 0.95 ，釜液组 成为 0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分率） ，回流比为 2.5 ，试求产品的流量， 精馏段的下降液体流量和提馏段的上升蒸汽流量。假设塔内气液相均为恒摩尔 流。解： 产品的流量由物料衡算 Fx F = WxW + Dx D代入数据得W = 60.44 kmol/h 产品流量 D = 100 60.44 = 39.56 kmol/h精馏段的下降液体流量 LL = DR = 2.5 39.56 = 98.9 kmol/h提馏段的上升蒸汽流量 V40 进料 q = 1.08V =
13、 V + （1-q）F = D（1+R）= 138.46 kmol/h V = 146.46 kmol/h8. 某连续精馏操作中，已知精馏段 y = 0.723x + 0.263 ；提馏段 y = 1.25x 0.0187若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液，馏出液和釜残液的组成 及回流比。解：露点进料 q = 0即 精馏段 y = 0.723x + 0.263过（xD ，xD）xD = 0.949提馏段 y = 1.25x 0.0187 过（xW ，xW）xW = 0.0748精馏段与 y 轴交于0 ，xD/（R+1） 即 x D/（R+1）= 0.263R = 2.61 连立精馏段
14、与提馏段操作线得到交点坐标为（ 0.5345 ，0.6490 ） x F = 0.6499. 在常压连续精馏塔中， 分离苯和甲苯的混合溶液。 若原料为饱和液体， 其中含 苯 0.5 （摩尔分率，下同） 。塔顶馏出液组成为 0.9 ，塔底釜残液组成为 0.1 ，回 流比为 2.0 ，试求理论板层数和加料板位置。苯 - 甲苯平衡数据见例 1-1。解： 常压下苯 -甲苯相对挥发度 = 2.46精馏段操作线方程 y = Rx/ （R+1）= 2x/3 + 0.9/3= 2x/3 + 0.3精馏段 y 1 = x D = 0.9 由平衡关系式 y = x/1 +（ -1）x 得x1 = 0.7853 再由精馏段操作线方程 y = 2x/3 + 0.3 得y2 = 0.8236 依次得到 x2 = 0.6549 y 3 = 0.7366 x3 = 0.5320 y 4 = 0.6547x4 = 0.4353 x4 x F = 0.5 x 3精馏段需要板层数为 3 块 提馏段 x 1 = x 4 = 0.4353提馏段操作线方程 y
