2012年分离工程习题及思考题

第一章 多组分精馏
1、欲分离苯（1）、甲苯（2）和二甲苯（3）的三元混合物，精馏塔的进料、塔顶产品和塔底产品的组成如下：
组分
苯 甲苯 二甲苯 塔顶产品
0.995 0.005 0 塔底产品
0.005 0.744 0.251 进料
0.600 0.300 0.100
塔于常压下操作。

试求：
（1）塔顶分凝器和塔釜温度。

（2）若进料温度为92o C ，确定进料相态。

假设液相服从拉乌尔定律，汽相可作为理想气体。

三个组分的蒸汽压分别用下列各式计算： K T mmHg P T P T P T P i S S S S −−⎪⎭
⎪⎬⎫−−=−−=−−=)04.58/(99.33661390.16ln 67.53/(52.30960137.16ln )36.52/(51.27889008.15ln 321
2、异丙醇（1）—水（2）系统的无限稀释活度系数Y Y 试用此对数值计算wilson 常数λ12和λ21，并计算x 1=0.1665（mole 分率）时的泡点温度和汽相组成y 1。

12978322∞∞==..，。

已知：异丙醇和水的蒸汽压可分别用下列各式计算：
ln ../(.)ln ../(.)P T P T P mmHg T K
S S S i 1218692936402053541830363816444613=−−=−−⎫⎬⎭−− 系统处于常压。

（提示：试差求λ12和λ21时，可取初值λ12=0.1327）
3、用常规精馏分离下列烃类混合物：
组分 CH 4 C 2H 4 C 2H 6 C 3H 6 C 3H 8 C 4（烷烃）
mole% 0.52 24.9 8.83 8.7 3.05 54.0 工艺规定塔顶馏出液中C 4浓度不大于0.002，塔釜残液中C 3H 8不大于0.0015，试应用清晰分割法估算塔顶和塔底产品的量和组成。

4、某料液的组成如下：
组分 丙烯 丙烷 异丁烷
mole 分率 0.7811 0.2105 0.0084 于泡点时加入常规精馏塔进行分离。

要求塔顶产品中丙烯的mole 分率≥99.5%，塔底产品中的丙烯mole 分率≤5%。

试计算：
（1）分离所需的R m ，并取R=2R m ，计算所需的理论板数N 。

（2）如果塔顶精丙烯产品中精丙烯浓度达99.7%，塔底组成保持不变，试计算此时能耗比生产99.5%产品时的增加多少？
已知：α12=1.12184，α22=1.0，α32=0.54176。

第二章 特殊精馏
1、某合成橡胶厂欲用萃取精馏分离丁烯一1（1）和丁二烯（2），以乙腈作为萃取剂，料液量为100Kmol/h ，含丁烯一1为0.7，丁二烯为0.3（mole 分率），于露点加入塔中。

塔内萃取剂浓度基本保持为x S =0.8。

工艺要求塔釜液脱腈后丁二烯纯度达99.5%；塔顶丁二烯浓度小于0.05%，乙腈含量小于0.1%，试计算所需的理论板数和溶剂量。

已知：x S =0.8时，α12/s =1.67，α1s =19.2，α2s =11.5，取R=1.5R m 。

2、由乙酸乙酯和乙醇组成的二元系，在常压下汽相可以作为理想气体处理，液相的活度系数可由范拉尔方程计算，范拉尔常数为A 12=0.8552，A 21=0.7526。

试判别72.6o C 时此系统是否是恒沸物？如存在其组成如何？
已知：两组分的蒸汽压可以按下列方程计算：
1216151627905057151891193803984168s s s ln P ../(T .)
P mmHg ln P ../(T .)T K
=−−−=−−−乙酸乙酯：乙醇：i
3、某二元混合液用恒沸精馏方法进行分离，加入的挟带剂 S 和组分A 形成最低恒沸物，从塔顶蒸出，应用空气冷却器使它全部冷凝，部分作为回流，部分作为塔顶产品。

设定空冷器的空气进出口温度分别为35℃和45℃，要求空冷器的有效温差为10℃。

（1）试估算塔的操作压力最小为多少？
（2）计算恒沸物的组成。

已知：组分A 和挟带剂S 的饱和蒸汽压分别由下式计算：
ln ../(.)ln ../(.)P T P T P mmHg T K
SA SS Si =−−=−−⎫⎬⎭−−15752727666350501665132940463593 两者活度系数按下列方程估算：
ln .ln .γγA s s x x ==151522
A
汽相可以作为理想气体处理。

第三章 吸收
1、 某厂脱乙烷塔顶气体组成如下：
组分 C 2H 6 C 2H 4
C 2H 2 总和 公斤分子数 12.6
87.0 0.4 100 拟用丙酮作吸收剂除去其中乙炔，操作压力为18绝对压，操作温度为-20℃，此条件下各组分的相对平衡常数K 为：
K C2H6 =3.25
K C2H4 =2.25 K C2H4 =0.3
乙炔的回收率为0.9995
求：（1）完成此任务所需的最小液气比。

（2）取操作液气比为最小液气比1.83倍所需的理论板数。

（3）各组分的回收率和出塔尾气组成。

（4）进料为100公斤分子/小时，塔顶应加入吸收剂丙酮的用量。

2、气体混合物中的SO 2用水吸收，此时水溶液中发生如下电离过程： SO 2 + H 2O H + + HSO 3- ⎯→←
吸收温度20o C ，常压操作。

试求：当气相中SO 2的mol 分率为0.04时，SO 2 在水中被吸收的平衡总浓度kgSO 2/m 3。

已知上述电离过程的平衡常数为[][][]K H
HSO SO kmol m ==×+−−3221710.3/m )，20o
C 时SO 2的溶解度常数。

H atm Kmol SO 206133=./(/
3、一级不可逆反应的化学吸收过程。

已知k 1=10-4m/s ，D L =1.5×10-9m 2/s 。

试讨论： （1）反应速度常数k 1*高于什么值时，将在液膜中进行快速反应过程；k 1*低于什么值时，将在液流主体中发生慢反应？
（2）如果k 1*=0.1S -1，试问液相主体体积与液膜体积之比α1大于多少，反应方能在液相主体中完成？
（3）如果α1=30，k 1*=0.2S -1，试求增强因子β多大。

4、计算25o C 时，用浓度为0.8Kmol/m 3的NaOH 溶液吸收CO 2 的速率N A 。

已知k 1=2×10-4m/s ，CO 2的溶解度常数，气相中CO 2分压p A=105Pa ，扩散系数D AL =D BL =1.5×10-9，k g =3×10-2Kmol/(m 2.s.atm)，反应速率常数k *2=8800m 3/Kmol.S 。

（提示：
计算时可首先假设C Ai =p A /H A ，再校正）。

H Pa Kmol CO 23106=×/(/)m 3
5、某易溶于水的气体A 的亨利系数H A =0.5atm/mole 分率，难溶于水的气体B 的亨利系数H B =50000atm/mole 分率。

溶液的mole 密度C M =55.6Kmol/m 3 。

（1）如果是物理吸收，分别计算这两种气体的气膜和液膜阻力之比。

此时，k 1=10-3cm/s ，k g =1.67×10-5mol/(cm 2.s.atm)。

（2）试分析对于哪一种气体应用快速反应的化学吸收增强作用会更大些。

6、空气中含有有害杂质A 需要除去，要求其含量由0.1%减至0.02%(mol)，用C B =0.8Kmol/m 3 即（0.8N ）的强酸溶液进行吸收。

已知D AL =D BL ，k AL =k BL ，
反应为瞬间反应：A + B → P
试计算逆流吸收的填料层高度。

7、用纯水吸收混合气体中的组分A 。

气体中A 的浓度为0.01，塔内的液气比L/G 为10，操作压力P=3.039×105Pa ，
当t ＝10℃，H A ＝2.453Mpa ，尾气中A 的浓度达到0.001。

当t ＝30℃，H A ＝4.852Mpa 。

问：用30℃水吸收时尾气中A 的含量为多少？
思 考 题
1．气液相平衡系统分几类？各类相应的K i 的计算式怎样？
2．工程计算中求取相平衡常数的常用途径有哪两条？各自的K i 计算式怎样？
3．应用状态方程计算和的方程相同，那么如何确定算得的结果是和？ L i ϕV i ϕL i ϕV
i ϕ4．现有乙烷，丙烷和异丁烷组成的三元混合物，采用SRK 状态方程计算它们的相平衡常数K i ,试问需要查取哪些基础数据才能计算它们的K i ?
5．现有乙醇，水，正丙烷组成的三元混合物，采用Wilson 活度系数和Virial 方程计算气相逸度系数，试问需要查取哪些基础数据才能计算它们的K i ？ 6．何谓真实气体的理想溶液？当气液两相均可作为理想溶液处理时，K i 取决于哪些因素？ 7．以局部组成概念为基础的活度系数方程用来预计多元系的气液平衡，比起Whol 型一类方程有哪些优点？
8．教材介绍的泡点计算的框图用来计算压力不十分高系统泡点十分有效，试分析原因。

9．如何比较简单地判别一个混合物状态？试归纳相态判别的关系式。

10.等温闪蒸计算机的计算，采用目标函数何迭代变量是什么？用它们有什么优点？ 11．构成一个计算机计算的要点是什么？试以Wang －Hanke 法为例进行剖析并由此说明算法的局限性。

12．试推导多级分离过程的MESH 方程组。

13．三对角线的BP 法何SR 法的框图怎样？两法各自适用的物系是哪些？
14．
精馏塔的操作压力的上，下限各由什么因素决定？增大操作压力对分离效果和能耗有何影响？
15．何谓关键组分？精馏分离的多元混合物可能含有哪些组分？
16．有A ，B ，C ，D （以挥发度递减次序排列）四组分组成的料液加入精馏塔中进行分离。

试对A ，B:B ，C 或C ，D 是轻重关键组分时，塔在R 下操作时塔中的恒沸区位置进行分析。

因为什么组分的变化而引起恒浓区位置的变化？
m 17．估算精馏塔塔顶和塔底产品的量和组成有哪两种方法？各自的基本假定有哪些？
18．试应用教材中推导的s /12α计算式（式2－153）
，说明萃取精馏中溶液的作用。

如果原料中两组分的相对挥发度十分接近1，靠加入溶剂的什么作用才可能使s /12α较大地偏离1？ 19．何为萃取精馏溶液剂的选择性？其值是否一定要大于1？
20．萃取精馏捷算法计算溶剂用量，回流比与理论级数的假定有哪些？
21．
预测压强不高时物系恒沸点的基本关系式怎样？一般两组分的沸点差在什么范围内才能形成恒沸物？如何判别计算得到的恒沸物是最低恒沸的，还是最高恒沸的？
22．分别画出恒沸精馏塔塔顶产物是三元非均相恒沸物和两元均相恒沸物的流程。

23．决定恒沸精馏塔塔顶和塔底产物的基本原则有哪几条？
24．实际板和理论板的差异有哪些？AIChE 的效率估算法是如何计及这些差异的？哪些差异尚未考虑到？
25．玻璃Oldshaw 筛板塔测得的板效率与工业规模大塔的什么效率在什么条件下相当？一般此测得的效率比大塔的效率大还是小？为什么？
26.板效率随塔径如何变化？请说明变化的原因。

27．试分析精馏正负系统的适宜工况？
28．N 和N 间如何换算？在什么条件才相等？
T OG 29．化学反应是如何影响吸收相平衡的？当物理溶解量可以忽略时，化学吸收相平衡有何特点？
30．化学吸收速率式中增强因子有哪两种定义？β＝1时，吸收速率是否有所增强？ 31．当吸收速率式表示为Na ＝βk 1（C －C ）时，在溶质A 的气相分压不变的条件下，吸收速率是否增大了Ai 1A β倍？
32．
化学吸收促使传质速率增大的原因是什么？对于气膜控制物系还是液膜控制物系其增强作用更大？
33．如何判别不可逆瞬时反应是气膜控制还是双膜控制？各自的吸收速率式怎样？ 34．归纳教材中讨论的三类不可逆反应化学吸收速率式，并画出相应的溶质在气、液两相中的浓度分布线。

35．
一级不可逆反应的化学吸收，当反应为快反应和慢反应时相应的增强因子如何计算？要使慢反应进行得完善有什么方法？
36．超临界流体得主要特点有哪些？超临界萃取又有哪些特点？
37．泡沫分离吸附技术分成哪几类？泡沫分离各种流程得特点怎样？
38．液膜分离的机理有哪些？
39．超过滤和反渗透在分离原理、推动力、操作条件和应用场合等方面有何相同和相异？ 40．何谓浓度极化？有何危害？
41．超滤膜得两个主要特性是什么？
42．电渗析的膜有何特点？其作用原理怎样？
43．
多元精馏安排的定性原则有哪几条？如果三元料液中有一个组分含量甚少，只要求其余两个组分的产品相当纯洁，试问能否用一个塔将它们分开？如能，请画出流程。