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化学工程与工艺教学改革系列参考书

分离过程例题与习题集

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 膜分离 ................................................................................. 35 第十章 分离过程与设备的选择与放大............................................ 36

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：π=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 π=RTC/M＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。

所以反渗透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Nc 物料衡算式 C个

Fzi TF PF

V-2

V , yi ,Tv , Pv

习题5附图

L , xi , TL , PL

1

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Ni

=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3

固定设计变量Nx＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na＝0 解：

（1） Nv = 3 ( c+2 ) （2） Nc 物

能 相

内在(P，T)

c 1 c 2

Nc = 2c+3

（3） Ni = N v – Nc = c+3 （4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5） Nau = 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Nc：物料衡算式 C个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个 设计变量数 Ni=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 0

6. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，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

量需要规定？

解： Nxu

进料，227K，2068kPa 组分 Kmol/h 1.0 N2 54.4 C1 67.6 C2 141.1 C3 54.7 C4 33.3 C6 进料

压力 串级单元 传热 合计

c+2 9 1 1 2

Nau

9 2 塔底产物

习题6附图

2