化工原理答案
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（1） 新鲜空气消耗量 L0
X1 X2
w1 0.2 0.25kg / kg绝干空气 1 w1 1 0.2 w2 0.05 0.05263kg / kg绝干料 1 w 2 1 0.05
1000 800kg绝干料 / h GG （ ） （ 1 0.2） 1 1 w1 800 157.896kg / h W G（X1 - X 2） （0.25 0.05263） L W 157.896 2760绝干气 / h H 2 H 0 0.0672 0.01
L0 L(1 H 0 ) 2760(1 0.01) 2788kg湿干气 / h
（2） 进入干燥器湿空气的温度和焓 由于为等焓干燥，所以进入干燥器前湿空气焓等于离开干燥器的焓，即 I1=I2=224.125kJ/m3 绝干空气 而进入干燥器前湿空气的湿度等于离开干燥器时候的湿度，即
y -y q 0.44 0.591 F q 2.04 q - 1 x F - x q 0.44 0.366
则 q=0.671 原料液热状况为汽液混合进料 12 在连续精馏塔中分离某组成为 0.5（易挥发组分摩尔分数）的两组份理想溶液。原料液于 泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器。分凝器向塔内提供回流液，其组成为 0.88，全 凝器提供组成为 0.95 的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为 96%，若测得塔顶 第一层板的液相组成为 0.79 ，试求： （ 1 ）操作回流比和最小回流比； （ 2 ）若馏出液量为 100kmol/h，则原料液为多少？ 解： （1）操作回流比和最小回流比
吸
收
7.在 101.33kPa，27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气，液两相中的浓度都很 低，平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数 H = 1.995kmol/(m3·kPa)，气膜吸收系数 kG = 1.55×10-5 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数 kL = 2.08×10-5 kmol/(m2·s·kmol/m3)。试求总吸收 系数 KG，并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。 解：由 1/KG = 1/kG + 1/HkL 可得总吸收系数
气相总传质单元高度
H OG
101330 0.556 (1 0.1) V 8.315 （273 40） 0.381 Ky 0.1112 1000 0.7682 4
填料层 Z=HOG NOG=13.72*0.385=5.23m
干 燥
5.采用如图所示的废气循环系统干燥湿物料，已知数据标于附图中。假设系统热损失可以忽 略，干燥操作为等焓干燥过程。试求 1）新鲜空气的消耗量；2）进入干燥器的湿空气的温 度及焓（3）预热器的加热量。 解：在 H-I 图上示意空气状态变化，由 t0、H0 定 A 点，由 t2、H2 定 C 点。因绝干废气量与 绝干新气体量之比为 3:1，利用杠杆规则链接 AC，使得
由题意得：F=4000，xF=0.3，xW=0.5， D
DxD 100% 0.88 代入上式得 FxF
0.12 4000 0.3 0.05W W 2880kg / h 故 D 4000 2880 1120kg / h 0.88 4000 0.3 Fx xD D F 0.943 D 1120
r
0.4 1150 32 0.6 2300 18 1676.27kJ / kg 0.4 32 0.6 18 0.4 32 0.6 18 75.3 40 57.65 ℃ 2
由题中数据可得 x=0.4 时，溶液泡点温度为 75.3℃，则平均温度为：
11.在 101.33kPa 下用水吸收混于空气中的中的氨。 已知氨的摩尔分率为 0.1， 混合气体于 40℃ 下进入塔底， 体积流量为 0.556m3/s， 空塔气速为 1.2m/s。 吸收剂用量为最小用量的 1.1 倍， 氨 的 吸 收 率 为 95 ％ ， 且 已 估 算 出 塔 内 气 相 体 积 吸 收 总 系 数 KY 的 平 均 值 为 0.1112kmol/( m3·s).在操作条件下气液平衡关系为 Y*=2.5X，试求塔径及填料层高度。 解： （1）塔径 D=
L L ( ) 1.1( ) min 1.1 2.47 2.72 V V mV 2.6 则脱吸因子 S= 0.956 L 2.72
* 1 Y1 - Y2 ln（ 1 S ） S * 1 S Y2 - Y2 气相总传质单元 NOG 1 0.1111 ln (1 0.956) 0.956 13.72 1 956 0.0056
tm
查平均温度下甲醇比热为 65kJ/kgBaidu NhomakorabeaK 溶液平均比热为
cp
0.4 2.65 32 0.6 4.18 18 3.35kJ / kg K 0.4 32 0.6 18 0.4 32 0.6 18
最后由热状态参数 q 定义得：
q
c p t r r
MC 1 ，则 M 点为进入预热器前 MA 3
的混合点，由 M 点做等湿线与过 C 点做等焓线相交于 B 点，MB 为预热过程，BC 为等焓 过程。 根据杠杆原则求得混合点 M 的湿度和焓分别为
1 3 1 3 H 0 H 2 0.01 0.0672 0.0529kg水 / kg绝干气 4 4 4 4 （ I0 1.01 1.88H 0）t 0 2490H 0 Hm （ ） 25 2490 0.01 50.62kJ / m3绝干空气 1.01 1.88 0.01 （ I2 1.01 1.88H 2）t 2 2490H 2 （ 1.01 1.88 0.0672） 50 2790 0.0672 224.145kJ / m3绝干空气 1 3 1 3 I m I0 I 2 50.62 224.145 180.76kJ / m3绝干空气 4 4 4 4 I m可由I m求得 （ tm 1.01 1.88H m）t m 2490H m 将前面计算的H m和I m带入 （ 180.76 1.01 1.88 0.0529）t m 2490 0.0529 解得t m 44.2
蒸馏
5、 在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。 已知原料液流量为 4000kg/h， 组成为 0.3（二硫化碳质量分数） ，要求釜液组成不大于 0.05，馏出液回收率为 88%。试求 馏出液的流量和组成，分别以摩尔质量和摩尔分数表示。 解：全塔物料衡算（质量分数表示）
FDW Fx F Dx D Wx W
以分凝器为第零块板，则有 y 0 x D 0.95，x 0 0.88 由相平衡方程知： y 0 即 0.95
x 0 1 （ 1 ）x 0
0.88 1 0.88 （ 1 ）
解得 α=2.59 由 x1 用相平衡方程求得 y1
y1
x1 2.59 0.79 0.907 1 （ 1 ）x1 1 1.59 0.79
1/KG = 1/1.55×10-5
+ 1/（1.995×2.08×10-5）
KG = 1.122 ×10-5 kmol/(m2·s·kPa)
1 1 5 k 100% 72.3% 气膜阻力所占百分数为 ： G 100% 1.55 10 1 1 1.122 10 5 KG
x D - yq yq - x q
气液平衡曲线 y q
x 1 （ 1 ）x q
将题中所给数据 xD=0.957，Rmin=1.63 和 α=2.5 带入两式，
0.957 -
2.5x q
1 1.5x q =1.63 2.5x q - xq 1 1.5x q
yq=0.591
解得：xq=0.366 所以
V (R 1)D （2.5 1 ） 39.56 138.46kmol / h
根据恒摩尔假设 V’=V+(q-1)F=138.46+(1.07-1)×100=145.46 kmol/h 11 用一连续精馏塔分离由组分 A、B 所组成的理想混合液。原料液中含 A0.44，馏出液中含 A0.957（摩尔分数） 。已知溶液的平均相对挥发度为 2.5，最小回流比为 1.63，试说明原料液 的热状况，并求出 q 值。 解：最小回流比 R min
由精馏段操作线方程求操作回流比 R，
R 1 x0 xD R 1 R 1 R 1 0.907 0.88 0.95 R 1 R 1 y1
解得 R=1.593 最小回流比由下式求得
Rmin
x D - yq yq - x q
因 q=1 故 xq=xF=0.5
yq yF
故 Rmin
x F 2.59 0.5 0.721 1 （ 1 ）x F 1 1.59 0.5
0.95 0.721 1.036 0.721 0.5 Dx D 100 0.95 0.96 Fx F F 0.5
（2）原料液流量 F 由回收率知
解得 F=198kmol/h
下面用摩尔分数表示
0.943 / 76 0.974 0.943 / 76 0.057 / 154 18 1120 0.974 D 14.36kmol / h 76 xD
6 在常压操作的连续精馏塔中分离甲醇 0.4 与水 0.6（均为摩尔分数）溶液，试求以下各种 进料状况下的 q 值。 （1）进料温度为 40℃（2）泡点进料（3）饱和蒸汽进料 （1） 查得甲醇汽化潜热 1150kJ/kg，水的汽化热为 2300 kJ/kg，故平均汽化热为：
4Vs u
4 0.556 0.768m 1 .2
（2）填料层高度 由题意知 Y1= 所以 ( ) min
L V
0.1 0.1111 ，Y2=Y1（1- A ）=0.1111 (1 0.95) 0.0056 1 0.1 (Y Y ) 0.1111 0.0056 1 2 2.72 Y1 0.1111 X2 0 m 2.6
3.35 (75.3 40) 1676.27 1.07 1676.27
（2） 泡点进料 q=1 （3） 饱和蒸汽进料 q=0 7 对于习题 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 （摩尔分数） ，回流比为 2.5，试求产品流量，精馏段下降液体流量和提馏段上升蒸气流量。 假设恒摩尔流。 解：对全塔进行物料衡算 F=D+W FxF=DxD+WxW 代入题中所给数据得： 100 0.4 D 0.95 （ 100 D） 0.04 解得： D=39.56kmol/h 则：W=100-39.56=60.44kmol/h L=RD=2.5×39.56=98.9 kmol/h
H1=Hm=0.0529kg 水/kg 绝干气 T1 可由 I1 求出 I1=(1.01+1.88H1)+2490H1 224.125=（1.01+1.88*0.0529）t1+2490*0.0529 解得 tm=83.26℃ （3） 预热器的加热量 由于为等焓干燥，干燥器补充热量为零，忽略热损失，因此总消耗热量等于预热器 的加热量。包括循环气在内的整个干燥系统的物料衡算，则： Qp=L（I2-I0）=2760（224.125-50.62）=478929kJ/h=133.03kW
X1 X2
w1 0.2 0.25kg / kg绝干空气 1 w1 1 0.2 w2 0.05 0.05263kg / kg绝干料 1 w 2 1 0.05
1000 800kg绝干料 / h GG （ ） （ 1 0.2） 1 1 w1 800 157.896kg / h W G（X1 - X 2） （0.25 0.05263） L W 157.896 2760绝干气 / h H 2 H 0 0.0672 0.01
L0 L(1 H 0 ) 2760(1 0.01) 2788kg湿干气 / h
（2） 进入干燥器湿空气的温度和焓 由于为等焓干燥，所以进入干燥器前湿空气焓等于离开干燥器的焓，即 I1=I2=224.125kJ/m3 绝干空气 而进入干燥器前湿空气的湿度等于离开干燥器时候的湿度，即
y -y q 0.44 0.591 F q 2.04 q - 1 x F - x q 0.44 0.366
则 q=0.671 原料液热状况为汽液混合进料 12 在连续精馏塔中分离某组成为 0.5（易挥发组分摩尔分数）的两组份理想溶液。原料液于 泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器。分凝器向塔内提供回流液，其组成为 0.88，全 凝器提供组成为 0.95 的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为 96%，若测得塔顶 第一层板的液相组成为 0.79 ，试求： （ 1 ）操作回流比和最小回流比； （ 2 ）若馏出液量为 100kmol/h，则原料液为多少？ 解： （1）操作回流比和最小回流比
吸
收
7.在 101.33kPa，27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气，液两相中的浓度都很 低，平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数 H = 1.995kmol/(m3·kPa)，气膜吸收系数 kG = 1.55×10-5 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数 kL = 2.08×10-5 kmol/(m2·s·kmol/m3)。试求总吸收 系数 KG，并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。 解：由 1/KG = 1/kG + 1/HkL 可得总吸收系数
气相总传质单元高度
H OG
101330 0.556 (1 0.1) V 8.315 （273 40） 0.381 Ky 0.1112 1000 0.7682 4
填料层 Z=HOG NOG=13.72*0.385=5.23m
干 燥
5.采用如图所示的废气循环系统干燥湿物料，已知数据标于附图中。假设系统热损失可以忽 略，干燥操作为等焓干燥过程。试求 1）新鲜空气的消耗量；2）进入干燥器的湿空气的温 度及焓（3）预热器的加热量。 解：在 H-I 图上示意空气状态变化，由 t0、H0 定 A 点，由 t2、H2 定 C 点。因绝干废气量与 绝干新气体量之比为 3:1，利用杠杆规则链接 AC，使得
由题意得：F=4000，xF=0.3，xW=0.5， D
DxD 100% 0.88 代入上式得 FxF
0.12 4000 0.3 0.05W W 2880kg / h 故 D 4000 2880 1120kg / h 0.88 4000 0.3 Fx xD D F 0.943 D 1120
r
0.4 1150 32 0.6 2300 18 1676.27kJ / kg 0.4 32 0.6 18 0.4 32 0.6 18 75.3 40 57.65 ℃ 2
由题中数据可得 x=0.4 时，溶液泡点温度为 75.3℃，则平均温度为：
11.在 101.33kPa 下用水吸收混于空气中的中的氨。 已知氨的摩尔分率为 0.1， 混合气体于 40℃ 下进入塔底， 体积流量为 0.556m3/s， 空塔气速为 1.2m/s。 吸收剂用量为最小用量的 1.1 倍， 氨 的 吸 收 率 为 95 ％ ， 且 已 估 算 出 塔 内 气 相 体 积 吸 收 总 系 数 KY 的 平 均 值 为 0.1112kmol/( m3·s).在操作条件下气液平衡关系为 Y*=2.5X，试求塔径及填料层高度。 解： （1）塔径 D=
L L ( ) 1.1( ) min 1.1 2.47 2.72 V V mV 2.6 则脱吸因子 S= 0.956 L 2.72
* 1 Y1 - Y2 ln（ 1 S ） S * 1 S Y2 - Y2 气相总传质单元 NOG 1 0.1111 ln (1 0.956) 0.956 13.72 1 956 0.0056
tm
查平均温度下甲醇比热为 65kJ/kgBaidu NhomakorabeaK 溶液平均比热为
cp
0.4 2.65 32 0.6 4.18 18 3.35kJ / kg K 0.4 32 0.6 18 0.4 32 0.6 18
最后由热状态参数 q 定义得：
q
c p t r r
MC 1 ，则 M 点为进入预热器前 MA 3
的混合点，由 M 点做等湿线与过 C 点做等焓线相交于 B 点，MB 为预热过程，BC 为等焓 过程。 根据杠杆原则求得混合点 M 的湿度和焓分别为
1 3 1 3 H 0 H 2 0.01 0.0672 0.0529kg水 / kg绝干气 4 4 4 4 （ I0 1.01 1.88H 0）t 0 2490H 0 Hm （ ） 25 2490 0.01 50.62kJ / m3绝干空气 1.01 1.88 0.01 （ I2 1.01 1.88H 2）t 2 2490H 2 （ 1.01 1.88 0.0672） 50 2790 0.0672 224.145kJ / m3绝干空气 1 3 1 3 I m I0 I 2 50.62 224.145 180.76kJ / m3绝干空气 4 4 4 4 I m可由I m求得 （ tm 1.01 1.88H m）t m 2490H m 将前面计算的H m和I m带入 （ 180.76 1.01 1.88 0.0529）t m 2490 0.0529 解得t m 44.2
蒸馏
5、 在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。 已知原料液流量为 4000kg/h， 组成为 0.3（二硫化碳质量分数） ，要求釜液组成不大于 0.05，馏出液回收率为 88%。试求 馏出液的流量和组成，分别以摩尔质量和摩尔分数表示。 解：全塔物料衡算（质量分数表示）
FDW Fx F Dx D Wx W
以分凝器为第零块板，则有 y 0 x D 0.95，x 0 0.88 由相平衡方程知： y 0 即 0.95
x 0 1 （ 1 ）x 0
0.88 1 0.88 （ 1 ）
解得 α=2.59 由 x1 用相平衡方程求得 y1
y1
x1 2.59 0.79 0.907 1 （ 1 ）x1 1 1.59 0.79
1/KG = 1/1.55×10-5
+ 1/（1.995×2.08×10-5）
KG = 1.122 ×10-5 kmol/(m2·s·kPa)
1 1 5 k 100% 72.3% 气膜阻力所占百分数为 ： G 100% 1.55 10 1 1 1.122 10 5 KG
x D - yq yq - x q
气液平衡曲线 y q
x 1 （ 1 ）x q
将题中所给数据 xD=0.957，Rmin=1.63 和 α=2.5 带入两式，
0.957 -
2.5x q
1 1.5x q =1.63 2.5x q - xq 1 1.5x q
yq=0.591
解得：xq=0.366 所以
V (R 1)D （2.5 1 ） 39.56 138.46kmol / h
根据恒摩尔假设 V’=V+(q-1)F=138.46+(1.07-1)×100=145.46 kmol/h 11 用一连续精馏塔分离由组分 A、B 所组成的理想混合液。原料液中含 A0.44，馏出液中含 A0.957（摩尔分数） 。已知溶液的平均相对挥发度为 2.5，最小回流比为 1.63，试说明原料液 的热状况，并求出 q 值。 解：最小回流比 R min
由精馏段操作线方程求操作回流比 R，
R 1 x0 xD R 1 R 1 R 1 0.907 0.88 0.95 R 1 R 1 y1
解得 R=1.593 最小回流比由下式求得
Rmin
x D - yq yq - x q
因 q=1 故 xq=xF=0.5
yq yF
故 Rmin
x F 2.59 0.5 0.721 1 （ 1 ）x F 1 1.59 0.5
0.95 0.721 1.036 0.721 0.5 Dx D 100 0.95 0.96 Fx F F 0.5
（2）原料液流量 F 由回收率知
解得 F=198kmol/h
下面用摩尔分数表示
0.943 / 76 0.974 0.943 / 76 0.057 / 154 18 1120 0.974 D 14.36kmol / h 76 xD
6 在常压操作的连续精馏塔中分离甲醇 0.4 与水 0.6（均为摩尔分数）溶液，试求以下各种 进料状况下的 q 值。 （1）进料温度为 40℃（2）泡点进料（3）饱和蒸汽进料 （1） 查得甲醇汽化潜热 1150kJ/kg，水的汽化热为 2300 kJ/kg，故平均汽化热为：
4Vs u
4 0.556 0.768m 1 .2
（2）填料层高度 由题意知 Y1= 所以 ( ) min
L V
0.1 0.1111 ，Y2=Y1（1- A ）=0.1111 (1 0.95) 0.0056 1 0.1 (Y Y ) 0.1111 0.0056 1 2 2.72 Y1 0.1111 X2 0 m 2.6
3.35 (75.3 40) 1676.27 1.07 1676.27
（2） 泡点进料 q=1 （3） 饱和蒸汽进料 q=0 7 对于习题 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 （摩尔分数） ，回流比为 2.5，试求产品流量，精馏段下降液体流量和提馏段上升蒸气流量。 假设恒摩尔流。 解：对全塔进行物料衡算 F=D+W FxF=DxD+WxW 代入题中所给数据得： 100 0.4 D 0.95 （ 100 D） 0.04 解得： D=39.56kmol/h 则：W=100-39.56=60.44kmol/h L=RD=2.5×39.56=98.9 kmol/h
H1=Hm=0.0529kg 水/kg 绝干气 T1 可由 I1 求出 I1=(1.01+1.88H1)+2490H1 224.125=（1.01+1.88*0.0529）t1+2490*0.0529 解得 tm=83.26℃ （3） 预热器的加热量 由于为等焓干燥，干燥器补充热量为零，忽略热损失，因此总消耗热量等于预热器 的加热量。包括循环气在内的整个干燥系统的物料衡算，则： Qp=L（I2-I0）=2760（224.125-50.62）=478929kJ/h=133.03kW