1、化工原理（天津大学第二版）下册部分答案第8章2. 在温度为25 及总压为101.3 kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350 g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m3。解：水溶液中CO2的浓度为对于稀水溶液，总浓度为 kmol/m3水溶液中CO2的摩尔分数为 由 kPa气相中CO2的分压为 kPa 操作空塔气速为 泛点率为 经校核，选用=1.0 m 合理。第九章 蒸馏1在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82 ，在该温度下，两组分的
2、饱和蒸气压分别为=107.6 kPa及41.85 kPa，取样测得液面上方气相中组分A的摩尔分数为0.95。试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。解：本题可用露点及泡点方程求解。解得 kPa本题也可通过相对挥发度求解由气液平衡方程得2试分别计算含苯0.4（摩尔分数）的苯甲苯混合液在总压100 kPa和10 kPa的相对挥发度和平衡的气相组成。苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸气压和温度的关系为式中p的单位为kPa，t的单位为。苯甲苯混合液可视为理想溶液。（作为试差起点，100 kPa和10 kPa对应的泡点分别取94.6 和31.5 ）解：本题需试差计算（1）总压p总100 kPa初设泡点为94.
3、6，则 得 kPa同理 kPa或 则 （2）总压为p总10 kPa通过试差，泡点为31.5，=17.02kPa，5.313kPa随压力降低，增大，气相组成提高。3在100 kPa压力下将组成为0.55（易挥发组分的摩尔分数）的两组分理想溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏。原料液处理量为100 kmol，汽化率为0.44。操作范围内的平衡关系可表示为。试求两种情况下易挥发组分的回收率和残液的组成。解：（1）平衡蒸馏（闪蒸）依题给条件 则 由平衡方程 联立两方程，得y = 0.735， x = 0.4045kmol = 44kmol（2）简单蒸馏kmol kmol即 解得 xW = 0.3785简单蒸馏收
4、率高（61.46%），釜残液组成低（0.3785）4在一连续精馏塔中分离苯含量为0.5（苯的摩尔分数，下同）苯甲苯混合液，其流量为100 kmol/h。已知馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05，试求（1）馏出液的流量和苯的收率；（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能的流量。解：（1）馏出液的流量和苯的收率（2）馏出液的最大可能流量当A=100%时，获得最大可能流量，即5在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。原料液的处理量为100 kmol/h，其组成为0.45（易挥发组分A的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为96，釜液的组成为0.033。试求（1）馏出
5、液的流量和组成；（2）若操作回流比为2.65，写出精馏段的操作线方程；（3）提馏段的液相负荷。解：（1）馏出液的流量和组成由全塔物料衡算，可得kmol/h=54.55 kmol/hkmol/h=45.45 kmol/h（2）精馏段操作线方程（3）提馏段的液相负荷6在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。进料量为60 kmol/h，其组成为0.46（易挥发组分的摩尔分数，下同），原料液的泡点为92 。要求馏出液的组成为0.96，釜液组成为0.04，操作回流比为2.8。试求如下三种进料热状态的q值和提馏段的气相负荷。（1）40 冷液进料；（2）饱和液体进料；（3）饱和蒸气进料。已知：原料液的汽
6、化热为371 kJ/kg，比热容为1.82 kJ/(kg )。解：由题给数据，可得（1）40 冷液进料 q值可由定义式计算，即（2）饱和液体进料 此时 q = 1（3）饱和蒸气进料 q = 0三种进料热状态下，由于q的不同，提馏段的气相负荷（即再沸器的热负荷）有明显差异。饱和蒸气进料V最小。7在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。原料液流量为50 kmol/h，要求馏出液中易挥发组分的收率为94。已知精馏段操作线方程为y = 0.75x+0.238；q线方程为y = 2-3x。试求（1）操作回流比及馏出液组成；（2）进料热状况参数及原料的总组成；（3）两操作线交点的坐标值xq及yq；（4）提
7、馏段操作线方程。解：（1）操作回流比及馏出液组成 由题给条件，得及解得 R = 3，xD = 0.9522）进料热状况参数及原料液组成 由于及解得 q = 0.75（气液混合进料），xF = 0.5（3）两操作线交点的坐标值xq及yq 联立操作线及q线两方程，即解得 xq = 0.4699及yq = 0.5903（4）提馏段操作线方程 其一般表达式为式中有关参数计算如下： kmol/h = 25.32 kmol/hkmol/h =111.54 kmol/hkmol/h = 86.22 kmol/h则 8在连续精馏塔中分离苯甲苯混合液，其组成为0.48（苯的摩尔分数，下同），泡点进料。要求馏出液
8、组成为0.95，釜残液组成为0.05。操作回流比为2.5，平均相对挥发度为2.46，试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。解：由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。习题8 附 表x00.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91.000.1150.2140.3810.5130.6210.7110.7870.8520.9080.9571.0习题8 附 图在xy图上作出平衡线，如本题附图所示。由已知的xD，xF，xW在附图上定出点a、e、c。精馏段操作线的截距为，在y轴上定出点b，连接点a及点b，即为精馏段操作线。过点e作q线（垂直线）交精馏段操作线于点d。连接
9、cd即得提馏段操作线。从点a开始，在平衡线与操作线之间绘阶梯，达到指定分离程度需11层理论板，第5层理论板进料。9在板式精馏塔中分离相对挥发度为2的两组分溶液，泡点进料。馏出液组成为0.95（易挥发组分的摩尔分数，下同），釜残液组成为0.05，原料液组成为0.6。已测得从塔釜上升的蒸气量为93 kmol/h，从塔顶回流的液体量为58.5 kmol/h，泡点回流。试求（1）原料液的处理量；（2）操作回流比为最小回流比的倍数。解：（1）原料液的处理量 由全塔的物料衡算求解。对于泡点进料，q = 1kmol/h=34.5 kmol/h则 解得 kmol/h（2）R为Rmin的倍数R = 1.70对于
10、泡点进料，Rmin的计算式为 于是 10在常压连续精馏塔内分离苯氯苯混合物。已知进料量为85 kmol/h，组成为0.45（易挥发组分的摩尔分数，下同），泡点进料。塔顶馏出液的组成为0.99，塔底釜残液组成为0.02。操作回流比为3.5。塔顶采用全凝器，泡点回流。苯、氯苯的汽化热分别为30.65 kJ/mol和36.52 kJ/mol。水的比热容为4.187 kJ/ (kg )。若冷却水通过全凝器温度升高15 ，加热蒸汽绝对压力为500 kPa（饱和温度为151.7 ，汽化热为2 113 kJ/kg）。试求冷却水和加热蒸汽的流量。忽略组分汽化热随温度的变化。解：由题给条件，可求得塔内的气相负荷
11、，即对于泡点进料，精馏段和提馏段气相负荷相同，则（1）冷却水流量 由于塔顶苯的含量很高，可按纯苯计算，即（2）加热蒸汽流量 釜液中氯苯的含量很高，可按纯氯苯计算，即11在常压连续提馏塔中，分离两组分理想溶液，该物系平均相对挥发度为2.0。原料液流量为100 kmol/h，进料热状态参数q=1，馏出液流量为60 kmol/h，釜残液组成为0.01（易挥发组分的摩尔分数），试求（1）操作线方程；（2）由塔内最下一层理论板下降的液相组成xm。解：本题为提馏塔，即原料由塔顶加入，因此该塔仅有提馏段。再沸器相当一层理论板。（1）操作线方程 此为提馏段操作线方程，即式中 kmol/hkmol/h40 km
12、ol/h则 （2）最下层塔板下降的液相组成 由于再沸器相当于一层理论板，故xm与yW符合操作关系，则提馏塔的塔顶一般没有液相回流。12在常压连续精馏塔中，分离甲醇水混合液。原料液流量为100 kmol/h，其组成为0.3（甲醇的摩尔分数，下同），冷液进料（q =1.2），馏出液组成为0.92，甲醇回收率为90，回流比为最小回流比的3倍。试比较直接水蒸气加热和间接加热两种情况下的釜液组成和所需理论板层数。甲醇水溶液的txy数据见本题附表习题12 附 表温度t液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数温度t液相中甲醇的摩尔分数气相中甲醇的摩尔分数1000.00.075.30.400.72996.40
13、.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.665解：（1）釜液组成 由全塔物料衡算求解。 间接加热 直接水蒸气加热关键是计算R。由于q =1.2，则q线方程为在本题附图上过点e作q线，由图读得：xq = 0.37，yq = 0.71于是 显然，在塔顶甲醇收率相同条件下，直接
14、水蒸气加热时，由于冷凝水的稀释作用，xW明显降低。（2） 所需理论板层数 在xy图上图解理论板层数 附 图1 附 图2习题12 附 图间接加热 精馏段操作线的截距为 由xD = 0.92及截距0.323作出精馏段操作线ab，交q线与点d。由xW=0.0425定出点c，连接cd即为提馏段操作线。由点a开始在平衡线与操作线之间作阶梯，NT = 5（不含再沸器），第4层理论板进料。直接蒸汽加热 图解理论板的方法步骤同上，但需注意xW=0.0172是在x轴上而不是对角线上，如本题附图所示。此情况下共需理论板7层，第4层理论板进料。计算结果表明，在保持馏出液中易挥发组分收率相同条件下，直接蒸汽加热所需理
15、论板层数增加。且需注意，直接蒸汽加热时再沸器不能起一层理论板的作用。习题13附图习题13 附 图13在具有侧线采出的连续精馏塔中分离两组分理想溶液，如本题附图所示。原料液流量为100 kmol/h，组成为0.5（摩尔分数，下同），饱和液体进料。塔顶馏出液流量qn,D为20 kmol/h，组成xD1为0.98，釜残液组成为0.05。从精馏段抽出组成xD2为0.9的饱和液体。物系的平均相对挥发度为2.5。塔顶为全凝器，泡点回流，回流比为3.0，试求（1）易挥发组分的总收率；（2）中间段的操作线方程。解：（1）易挥发组分在两股馏出液中的总收率 由全塔的物料衡算，可得qn,D2的计算如下及 整理上式，
16、得到则 于是 （2）中间段的操作线方程 由s板与塔顶之间列易挥发组分的物料衡算，得 （1）式中 将有关数值代入式（1）并整理，得到14在常压连续精馏塔中分离两组分理想溶液。该物系的平均相对挥发度为2.5。原料液组成为0.35（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气加料。已知精馏段操作线方程为y = 0.75x+0.20，试求（1）操作回流比与最小回流比的比值；（2）若塔顶第一板下降的液相组成为0.7，该板的气相默弗里效率EMV1。解：（1）R与Rmin的比值 先由精馏段操作线方程求得R和xD，再计算Rmin。由题给条件，可知解得 对饱和蒸气进料，q = 0，yq = 0.35则 （2）气相默弗
17、里效率 气相默弗里效率的定义式为 （1）式中 将有关数据代入式（1），得15在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为100 kmol/h，组成为0.5（易挥发组分的摩尔分数，下同），饱和蒸气进料。馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.05。物系的平均相对挥发度为2.0。塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。塔釜的汽化量为最小汽化量的1.6倍，试求（1）塔釜汽化量；（2）从塔顶往下数第二层理论板下降的液相组成。解：先求出最小回流比，再由最小回流比与最小汽化量的关系求得qn,Vmin。液相组成x2可用逐板计算得到。（1）塔釜汽化量 对于饱和蒸汽进料q = 0，yF = 0.5，Rmin可用
18、下式计算，即而 则 也可由提馏段操作线的最大斜率求得，即即 将qn,W = 50 kmol/h代入上式，解得（2）第2层理论板下降液相组成x2 逐板计算求x2需导出精馏段操作线方程。解得 塔顶全凝器 16某制药厂拟设计一板式精馏塔回收丙酮含量为0.75（摩尔分数，下同）水溶液中的丙酮。原料液的处理量为30 kmol/h，馏出液的组成为0.96，丙酮回收率为98.5%。塔顶全凝器，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。试根据如下条件计算塔的有效高度和塔径。进料热状况 饱和液体 总板效率 61操作回流比 2 全塔平均压力 110 kPa理论板层数 17.0 全塔平均温度 81 板间距 0.40 m 空塔气速
19、 0.82 m/s解：由题给条件，可得 取28（1）塔的有效高度（2）塔径 精馏段和提馏段气相负荷相同，则式中 于是 根据系列标准，选取塔径为900 mm。17在连续精馏中分离A、B、C、D、E（按挥发度降低顺序排列）五组分混合液。在所选择流程下，C为轻关键组分，在釜液中组成为0.006（摩尔分数，下同）；D为重关键组分，在馏出液中的组成为0.005。原料液处理量为100 kmol/h，其组成如本题附表1所示。17题 附表1组 分ABCDExF0.2130.2440.1830.1420.218试按清晰分割法估算馏出液、釜残液的流量和组成。解：由题意，A、B组分在釜残液中不出现，E组分在馏出液中
20、不出现，且xW,C=0.006，xD,D=0.005。作全塔物料衡算，得将有关数据代入上式，解得计算结果列于本题附表2。17题 附表2组 分ABCDE/（kmol/h）21.324.418.314.221.8100/（kmol/h）21.324.418.080.320064.1/（kmol/h）000.2213.8821.835.90.33230.38070.28210.00501.0000.0060.38660.60721.0第十一章 固体物料的干燥习题解答1. 已知湿空气的总压力为100 kPa，温度为50 ，相对湿度为40%，试求（1）湿空气中的水汽分压；（2）湿度；（3）湿空气的密度。
21、 解：（1）湿空气的水汽分压 由附录查得50 时水的饱和蒸气压，故 （2）湿度 （3）密度 m3湿空气/kg绝干气 密度 2常压连续干燥器内用热空气干燥某湿物料，出干燥器的废气的温度为40 ，相对湿度为43%，试求废气的露点。解：由附录查得40 时水的饱和蒸气压，故湿空气中水汽分压为 查出时的饱和温度为25.02 ，此温度即为废气露点。3. 在总压101.3 kPa下，已知湿空气的某些参数。利用湿空气的HI图查出附表中空格项的数值，并绘出分题4的求解过程示意图。习题3附表序号 湿度 kg/kg绝干气干球温度/湿球温度相对湿度% 焓 kJ/kg绝干气水汽分压kPa露点1（0.02）86（35）5
22、1403232（0.03）793711（160）4.2303（0.04）8642（10）1936354（0.05）（60）42371927.538.5 解：附表中括号内的数为已知，其余值由H-I图查得。分题4的求解过程示意图略。4. 将、绝干气的常压新鲜空气，与干燥器排出的、绝干气的常压废气混合，两者中绝干气的质量比为1：3。试求（1）混合气体的温度、湿度、焓和相对湿度；（2）若后面的干燥器需要相对湿度10%的空气做干燥介质，应将此混合气加热至多少摄氏度？ 解：（1）对混合气列湿度和焓的衡算，得 （a） （b） 当、绝干气时，空气的焓为 当、绝干气时，空气的焓为将以上值代入式（a）及式（b）中
23、，即分别解得：kg/kg绝干气 kJ/kg绝干气由 得 混合气体中的水汽分压 解出 时水的饱和蒸汽压为所以混合气体的相对湿度为 （2）将此混合气加热至多少度可使相对湿度降为10%故 查水蒸气表知此压力下的饱和温度为76.83 。故应将此混合气加热至76.83 。5干球温度为20 、湿度为0.009 kg水kg绝干气的湿空气通过预热器加热到80 后，再送至常压干燥器中，离开干燥器时空气的相对湿度为80%，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求：（1）1 m3原湿空气在预热过程中焓的变化；（2）1 m3原湿空气在干燥器中获得的水分量。 解：（1）1 m3原湿空气在预热器中焓的变化。 当、kg/kg
24、绝干气时，由图11-3查出kJ/kg绝干气。 当、kg/kg绝干气时，由图11-3查出kJ/kg绝干气。 故1 kg绝干空气在预热器中焓的变化为： 原湿空气的比体积： 故1 m3原湿空气焓的变化为； （2）1 m3原湿空气在干燥器中获得的水分。 由、kg/kg绝干气在H-I图上确定空气状态点，由该点沿等I线向右下方移动与线相交，交点为离开干燥器时空气的状态点，由该点读出空气离开干燥器时的湿度kg/kg绝干气。故1 m3原空气获得的水分量为：6. 用4题（1）的混合湿空气加热升温后用于干燥某湿物料，将湿物料自湿基含水量0.2降至0.05，湿物料流量为1 000 kg/h，假设系统热损失可忽略，干
25、燥操作为等焓干燥过程。试求（1）新鲜空气耗量；（2）进入干燥器的湿空气的温度和焓；（3）预热器的加热量。 解：（1）新鲜空气耗量 蒸发水量 绝干空气用量 新鲜空气用量（2）进入干燥器的湿空气的温度和焓由于干燥过程为等焓过程，故进出干燥器的空气的焓相等。 将kg/kg绝干气代入，解出： 所以，进入干燥器的湿空气的温度为57.54，焓为127.6 kJ/kg绝干气。 （3）预热器的加热量7在常压下用热空气干燥某湿物料，湿物料的处理量为l 000kg/h，温度为20 ，含水量为4(湿基，下同)，要求干燥后产品的含水量不超过0.5，物料离开干燥器时温度升至60 ，湿物料的平均比热容为3.28 kJ(k
26、g绝干料)。空气的初始温度为20 ，相对湿度为50，将空气预热至100 进干燥器，出干燥器的温度为50 ，湿度为0.06 kg/kg绝干气，干燥器的热损失可按预热器供热量的10计。试求（1）计算新鲜空气的消耗量；（2）预热器的加热量Qp；（3）计算加热物料消耗的热量占消耗总热量的百分数；（4）干燥系统的热效率。 解：（）新鲜空气消耗量，即绝干物料 所以 20 时空气的饱和蒸汽压为 （2）预热器的加热量p，用式 11-31计算p，即（3）加热物料消耗的热量占消耗总热量的百分数 加热物料耗热总耗热量加热物料消耗的热量占消耗总热量的百分数： （4）干燥器的热效率，若忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则
27、用式11-37计算干燥系统的热效率。8. 用通风机将干球温度、焓绝干气的新鲜空气送入预热器，预热到后进入连续逆流操作的理想干燥器内，空气离开干燥器时相对湿度。湿物料由含水量被干燥至含水量，每小时有9 200 kg湿物料加入干燥器内。试求（1）完成干燥任务所需的新鲜空气量；（2）预热器的加热量；（3）干燥器的热效率 解：（1）新鲜空气耗量 绝干物料流量 根据、kJ/kg绝干气，求出kg/kg绝干气 根据、，求出kJ/kg绝干气理想干燥器，所以 绝干气 （a） （b）设温度，查水蒸气表得相应的饱和蒸汽压ps，由（a）式求湿度，再代入（b）式反求温度，若与初设值一致，计算结束。若与初设值不一致，则需
28、重复以上步骤。解得：，对应的饱和温度为：，绝干气绝干空气消耗量 新鲜空气消耗量 （2）预热器的加热量 （3）干燥器的热效率本题亦可利用图求。 9. 在一常压逆流的转筒干燥器中，干燥某种晶状的物料。温度、相对湿度=55%的新鲜空气经过预热器加热升温至后送入干燥器中，离开干燥器时的温度。预热器中采用180 kPa 的饱和蒸汽加热空气，预热器的总传热系数为85 W/(m2K) ，热损失可忽略。湿物料初始温度、湿基含水量=0.037；干燥完毕后温度升到60、湿基含水量降为=0.002。干燥产品流量=1 000 kg/h，绝干物料比热容绝干料），不向干燥器补充热量。转筒干燥器的直径D=1.3 m、长度Z
29、=7 m。干燥器外壁向空气的对流辐射联合传热系数为35 kJ/（m2h）。试求（1）绝干空气流量；（2）预热器中加热蒸汽消耗量；（3）预热器的传热面积。 解：（1）绝干空气流量绝干物料流量水分蒸发量 查出25 时水的饱和蒸气压为3168.4 Pa，故新鲜空气的湿度为： 对干燥器做水分的衡算，取为1 h基准，得： （a） 对干燥器做热量衡算得：其中 题给 kJ/（kg绝干料） 题给 kJ/(m2h) 将以上诸值代入热量衡算式，得：整理得 （b） 联立式（a）和式（b），解得 kg/kg绝干气 kg绝干气/h （2）预热器中加热蒸气消耗量 加热蒸气压强为180 kPa，查出相应的汽化热为2214.3 kJ/kg，T=116.6 。预热器中消耗热量的速率为：其中
