1、化学工程 与工艺教学改革系列参 考书分分分 离离离 过过过 程程程 例例例 题题题 与与与 习习习 题题题 集集集叶 庆国 钟 立梅 主 编化 工 学 院化 学 工程 教 研室前 言化 学 工 程 与 工 艺 专 业 所 在 的 化 学 工 程 与 技 术 一 级 学 科 属 于 山 东 省 “重 中 之 重” 学 科 ， 一 直 处 于 山 东 省 领 先 地 位 ，而 分 离 工 程 是 该 专 业 二 门 重 要 的 必 修 专 业课 程 之 一。 该 课 程 利 用 物 理 化 学 、 化 工 原 理 、 化 工 热 力 学 、 传 递 过 程 原 理 等 基 础基 础 知 识 中 有
2、 关 相 平 衡 热 力 学 、 动 力 学 、 分 子 及 共 聚 集 状 态 的 微 观 机 理 ， 传 热 、传 质 和 动 量 传 递 理 论 来 研 究 化 工 生 产 实 际 中 复 杂 物 系 分 离 和 提 纯 技 术 。 传 统 的 教学 方 法 的 突 出 的 弊 端 就 是 手 工 计算 工程 量大 ， 而且 结果 不准 确。 同时 由 于 现 代 化化 学 工 业 日 趋 集 成 化 、 自 动 化 、 连 续 化 ， 学 生 能 学 到 的 东 西 越 来 越 少 。 所 以， 传统 的 教 学 模 式 不 能 满 足 现 代 化 工 业 生 产 对 高 水 平 工
3、业 工 程 师 的 需 求 ， 开 展 分 离 工程 课 程 教 学 方 法 与 教 学 手 段 课 题 的 研 究 与 实 践 ， 对 我 们 的 学 生 能 否 承 担 起 现 代 化 学工 业的 重任 ， 与该 课程 的教 学质 量关 系重 大， 因 此 对 该 门 课 程 进 行 教 学 改 革 具有 深 远意 义 。分 离 工 程 课 程 的 改 革 主 要 包 括 多 媒 体 辅 助 教 学 课 件 的 开 发 、 分 离 工 程例 题 与习 题集、 分离 工程 试题 库的 编 写等工 作。 目 前 全 国 各 高 校 化 学 工 程 与 工 艺 专 业 使用 的 教 材 一 般
4、均 为 由 化 学 工 程 与 工 艺 专 业 委 员 会 组 织 编 写 的 化 工 分 离 过 程 (陈 洪钫 主 编 ， 化 学 工 业 出 版 社 )， 其 他 类 似 的 教 材 已 出 版 了 十 余 部 。 这 些 教 材 有 些 还 未配 习题 ， 即便 有习 题， 也无 参考 答案 ， 而至 今 没 有 一 本 与 该 课 程 相 关 的 例 题与习 题 集的 出版 。 因此 编写这 样 一 本 学 习 参 考 书 ， 既 能 发 挥 我 校 优 势 ， 又 符 合 形 势需 要 ， 填 补参 考 书空 白 ， 具 有 良 好 的 应 用 前 景 。分 离 工 程 学 习 指
5、 导 和 习 题 集 与 课 程 内 容 紧 密 结 合 ， 习 题 贯 穿 目 前 已 出 版 的 相 关教 材， 有解 题过 程和 答案， 部 分 题 目 提 供 多 种 解 题 思 路 及 解 题 过 程 ， 为 学 生 的课 堂 以 及 课 后 学 习 提 供 了 有 力指 导 。编 者2006 年 3 月目 录第一章 绪论 . 1 第二章 单级 平衡过 程 . 5 第三章 多组 分精馏 和特殊 精馏 . 18 第四章 气 体 吸收 . 23 第五章 液 液 萃取 . 26 第六章 多组 分多级 分离的 严格计 算 . 27 第七章 吸 附 . 33 第八章 结 晶 . 34 第九章
6、膜 分 离 . 35 第十章 分离 过程与 设备的 选择与 放大 . 361第一章 绪 论1. 列 出 5 种 使 用 ESA 和 5 种 使 用 MSA 的 分 离 操 作 。答 ： 属 于 ESA 分 离 操 作 的 有 精 馏 、 萃 取 精 馏 、 吸 收 蒸 出 、 再 沸 蒸 出 、 共 沸 精 馏 。属 于 MSA 分 离 操 作 的 有 萃 取 精 馏 、 液 -液萃 取、 液- 液萃 取 （双 溶剂 ） 、 吸收 、吸 附 。2. 比 较 使 用 ESA 与 MSA 分 离 方 法 的 优 缺 点 。答 ： 当 被 分 离 组 分 间 相 对 挥 发 度 很 小 ， 必 须
7、采 用 具 有 大 量 塔 板 数 的 精 馏 塔 才 能 分 离时 ，就 要考 虑采 用萃 取精 馏（ MSA） ，但 萃取 精馏 需要 加入 大量 萃取 剂，萃 取 剂 的 分 离 比 较 困 难 ， 需 要 消 耗 较 多 能 量 ， 因 此 ， 分 离 混 合 物 优 先 选 择 能量 媒 介( ES A)方 法 。3. 气 体 分 离 与 渗 透 蒸 发 这 两 种 膜 分 离 过 程 有 何 区 别 ？答 ：气 体 分 离 与 渗 透 蒸 发 式 两 种 正 在 开 发 应 用 中 的 膜 技 术 。 气 体 分 离 更 成 熟 些 ，渗 透 蒸 发 是 有 相 变 的 膜 分 离
8、 过 程 ， 利 用 混 合 液 体中 不同 组分 在膜 中溶 解与 扩散 性 能 的 差 别 而 实 现 分 离 。4. 海 水 的 渗 透 压 由 下 式 近 似计 算 ： =RTC/M，式 中 C 为 溶 解 盐 的 浓 度 ， g/cm3；M 为 离 子 状 态 的 各 种 溶 剂 的 平 均 分 子 量 。 若 从 含 盐 0.035 g/cm3 的 海 水 中 制 取纯 水 ， M=31.5， 操作 温度 为 298K。 问反 渗透 膜两 侧 的 最小 压差 应为 多少 kPa?答 ：渗 透 压 =RTC/M8.314 2980.035/31.5=2.753kPa。所 以反 渗 透
9、 膜 两 侧 的 最 小 压 差 应 为 2.753kPa。5. 假 定 有 一 绝 热 平 衡 闪 蒸 过 程 ， 所 有 变 量 表 示 在 所 附 简 图 中 。 求 ：（ 1） 总 变 更 量 数 Nv;（ 2） 有 关 变 更 量 的 独 立 方 程 数 Nc；（ 3） 设 计 变 量 数 Ni;（ 4） 固 定 和 可 调 设 计 变 量 数 Nx , Na；（ 5） 对 典 型 的 绝 热 闪 蒸 过 程 ， 你将 推 荐 规 定 哪 些 变 量 ？思 路1：3股 物 流 均 视 为 单 相 物 流 ，总 变 量 数 Nv=3(C+2)=3c+6独 立 方 程 数N c物 料 衡
10、 算 式 C 个Fzi TF PFV-2习题 5附图V , yi ,Tv , PvL , xi , TL , PL2热 量 衡 算 式1个相 平 衡 组 成 关 系 式 C个1个 平 衡 温 度 等 式1个 平 衡 压 力 等 式 共2C +3个故 设 计 变 量N i=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固 定 设 计 变 量 NxC +2,加 上 节 流 后 的 压 力 ， 共 C+3个可 调 设 计 变 量 Na0解 ：（ 1） N v = 3 ( c+2 )（ 2） N c 物 c 能 1 相 c内 在( P，T ) 2Nc = 2c+3（ 3） N i = N v Nc = c
11、+3（ 4） N xu = ( c+2 )+1 = c+3（ 5） N au = c+3 ( c+3 ) = 0思 路2：输 出 的 两 股 物 流 看 成 是 相 平 衡 物 流 ， 所 以 总 变 量 数 Nv=2(C+2)独 立 方 程 数N c： 物 料 衡 算 式 C 个 ， 热 量衡 算 式1 个 ,共 C +1个设 计 变 量 数 N i=N v-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固 定 设 计 变 量 Nx:有 C +2个 加 上 节 流 后 的 压 力 共 C+3个可 调 设 计 变 量 Na： 有 06. 满 足 下 列 要 求 而 设 计 再 沸 汽 提 塔 见 附 图
12、， 求 ：（ 1） 设 计 变 更 量 数 是 多 少 ？塔 顶 产 物（ 2） 如果 有 ，请 指出 哪些 附 加变 进 料 ， 227K， 2068kPa量 需 要 规 定 ？解 ： Nxu 进 料 c+2压 力 9Nau 串 级 单 元 1传 热 1合 计 2组 分 Kmol/hN2 1.0C1 54.4C2 67.6C3 141.1C4 54.7C6 33.392习 题 6附 图塔 底 产 物3NVU = Nxu+Nau = 20附 加 变 量 ： 总 理 论 板 数 。7. 附 图 为 热 藕 合 精 馏 系 统 ， 进 料 为 三 组 分 混 合 物 ， 采 出 三 个 产 品 。
13、 确 定 该 系 统 ：（ 1） 设 计 变 量 数 ;（ 2） 指 定 一 组 合 理 的 设 计 变 量 。 解: Nxu 压 力 N+M+1+1进 料 c+2 合 计 N+M+c+4 ( c = 3 )Nau 串 级 6分 配 器 1侧 线 3传 热 2吸 收 塔V-1尾气TaPa冷却器 E-2V-2加热器 换热器泵E-1CO2+蒸汽蒸Tb 出Pb 塔水蒸气V-310Nvu = N+M+3+4 = N+M+19习题7附图8. 利 用 如 附 图 所 示 的 系 统 将 某 混 合 物 分 离 成 三 个 产 品 。 试 确 定 ：（ 1） 固 定 设 计 变 量 数 和 可 调 设 计
14、变 量 数 ;（ 2） 指 定 一 组 合 理 的 设 计 变 更 量 解: Nxu 进 料 c+2压 力 N+M+1+1+1 c+N+M+5Nau 串 级 4 进料分 配 1侧 线 1传 热 4全凝器液 M汽汽液 2产品1产品210习题 14附图再沸器 产品34全凝器N阀V-1 产 品 19. 采 用 单 个精 馏 塔分 离 一个 三 组分 混 合140kPaS进料 F22再沸器产品 240200 1140kPa 阀 20Kmol/h苯 261.5 10甲苯 84.6联苯 5.1299.95% (mo l)苯87.2 kmo l/h含进料中苯的 1%204kPa冷却器习 题 8附图产 品 3
15、习题 9附图物为 三 个产 品 (见 附图 ),试 问图 中所注 设计 变量 能否 使 问题 有 唯一 解 ?如 果不, 你认 为 还应 规 定哪 个 (些) 设 计 变 量 ?解: NXU 进 料 c+2压 力 40+1+1 c+44 = 47Nau 3+1+1+2 = 7Nvu = 54设 计 变 量 ： 回 流 比 ， 馏 出 液 流 率 。51 2 3sssvvijvvvL ii313第二章 单 级 平 衡 过 程1. 计 算 在 0.1013MP a 和 378.47K 下 苯 (1)- 甲 苯 (2)- 对 二 甲 苯 (3) 三 元 系 ， 当 x 1 =0.3125， x 2
16、=0.2978， x 3 =0.3897 时 的 K 值 。 汽 相 为 理 想 气 体 ， 液 相 为 非 理想 溶液 。 并与 完全 理想 系的 K 值比 较。 已知 三个 二元 系的 Wilson 方 程 参 数 。12 11 1035 .33; 12 22 977.8323 22 442.1513 11 1510 .14; 23 33 460.05; 13 33 1642 .81 (单 位 ： J/mol)在 T=378.47K 时 液 相 摩 尔 体 积 为 ：v L 100.9110 3 m3安 托 尼 公 式 为 ：k m o l ； v L 117.55 10 3 ； v L
17、136.69 10 3苯 ： ln P1 20.7936 2788 .51 T 52.36 ；甲 苯 ： ln P2 20.9065 3096 .52 T 53.67 ；对 二 甲 苯 ： ln P3 20.9891 3346 .65 T 57.84；( P s : Pa;T : K )解 1： 由 Wilson 参 数 方 程 ijLj exp iRT v L 2 exp RT 12 L112 11 117.55 10 exp 1035 .33 8.314 378.47 100.9110 3=1.619L 21 L2exp 21 22 RT 100.91 10 exp 977.83 8.31
18、4 378.47 117.55 10 3=0.629同 理 ： 13 0.838 23 1.010； 31 1.244； 32 0.995 ki xk由 Wilson 方 程 ln i 1 ln ij x j x ： j kjkj j 1 0.9184 ； 2 0.9718 ； 3 0.993061 2 31 1vvvvvv根 据 安 托 尼 方 程 ：P s 0.2 0 7M5由 式( 2-38)计 算 得 ：Pa ； P s 8.693 10 4 Pa ； P s 3.823 10 4 PaK1 1.88 ； K 2 0.834 ； K 3 0.375如 视 为 完 全 理 想 系 ， 根
19、 据 式 (2-36)计 算 得 ：K1 2.0 4 8 ； K 2 0.858解 2： 在 T=378.47K 下； K 3 0.377苯 ： ln P s s 20.7936 2788 .5 /(378.47 52.36) ； P s =207.48Kpas甲 苯 ： ln P2s 20.9065 3096 .52 /(378.47 53.67) ； P2 =86.93Kpas对 二 甲 苯 ： ln P3Wilson 方 程 参 数 求 取 20.9891 3346 .65 /(378.47 57.84) ； P3 =38.23Kpav L 1 100.91 10 3exp( 12 11
20、 ) exp( 1035 .33 ) 1.19312 L2 RT 117.55 10 3 8.314 378.47v L 2 117.55 10 3exp( 12 22 ) exp( 977.83 ) 0.85421 L1 RT 100.91 10 3 8.314 378.47v L 2 117.55 10 3exp( 23 22 ) exp( 442.15 ) 0.747223 L3 RT 136.69 10 3 8.314 378.47v L 3 136.69 10 3exp( 23 33 ) exp( 460.05 ) 1.34632 L2 RT 117.55 10 3 8.314 37
21、8.47v L 1 136.69 10 3exp( 13 11 ) exp( 1510 .14 ) 0.45713 L2 RT 100.91 10 3 8.314 378.47v L 3 136.69 10 3exp( 13 33 ) exp( 1642 .81 ) 2.28331 L1 RT 100.91 10 3 8.314 378.47ln r 1 ln( x x x ) ( x1 21 x2 31 x3 )1 1 12 2 13 3 x1 12 x2 13 x3 21 x1 x2 23 x3 31 x1 32 x2 x3 1 ln(0.3125 1.193 0.2978 0.457 0
22、.3897) ( 0.31250.3125 1.193 0.2978 0.457 0.3897 0.854 0.2978 2.283 0.3897 )0.854 0.3125 0.2978 0.7472 0.3897 2.283 0.3125 1.346 0.2978 0.3897 0.09076 r1 =0.91327PPln r 1 ln( x x x ) ( x1 12 x2 32 x3 )2 1 21 2 3 23 x1 12 x2 13 x3 21 x1 x2 23 x3 31 x1 32 x2 x3 1 ln(0.3125 0.854 0.2978 0.7472 0.3897) (
23、 0.2125 1.1930.3125 1.193 0.2978 0.457 0.3897 0.2978 0.3897 1.346 )0.854 0.3125 0.2978 0.7472 0.3897 2.283 0.3125 1.346 0.2978 0.3897 0.0188 r2 =1.019ln r 1 ln( x x x ) ( x1 13 23 x2 x3 )3 1 31 2 23 3 x1 12 x2 13 x3 21 x1 x2 23 x3 31 x1 32 x2 x31 ln(0.3125 0.457 0.2987 1.346 0.3897) ( 0.3125 0.4570.
24、3125 1.193 0.2978 0.457 0.3897 0.7472 0.2978 0.3897 )0.854 0.3125 0.2978 0.7472 0.3897 2.283 0.3125 1.346 0.2978 0.3897 0.2431 r3 =1.2752故sK r P1 1 1 P 0.9132 207.48101.3 1.87sK r P2 2 2 P 1.019 86.93101.3 0.8744sK r P3 3 3 P 1.2752 38.23101.3 0.4813而 完 全 理 想 系 ：P sK1 K 2 K3 1 P 207.48101.3 2.048s2
25、P 86.93101.3 0.8581s3 P 38.23101.3 0.37742. 一 液 体 混 合 物 的 组 成 为 ： 苯 0.50； 甲 苯 0.25； 对 二 甲 苯 0.25 (摩 尔 分 率) 。 分别 用 平 衡 常 数 法 和 相 对 挥 发 度 法 计 算 该 物 系 在 100kPa 式 的 平 衡 温 度 和 汽 相组 成 。 假 设 为 完 全 理 想 系 。 解 1：(1)平 衡 常 数 法 ：设 T=368K用 安 托 尼 公 式 得 ：P s 156.24k Pa ； P s 63.28k Pa ； P s 26.88k Pa1由 式( 2-36)得 ：K1 1.562y1 0.7 8 12； K 2 0.633； y2 0.1583； K 3 0.269； y3 0.067 ； yi 1.006
