化工原理-第9章-0

目　录第0章　绪　论0.1　复习笔记0.2　课后习题详解0.3　名校考研真题详解第1章　流体流动1.1　复习笔记1.2　课后习题详解1.3　名校考研真题详解第2章　流体输送机械2.1　复习笔记2.2　课后习题详解2.3　名校考研真题详解第3章　非均相物系的分离和固体流态化3.1　复习笔记3.2　课后习题详解3.3　名校考研真题详解第4章　传　热4.1　复习笔记4.2　课后习题详解4.3　名校考研真题详解第5章　蒸　发5.1　复习笔记5.2　课后习题详解5.3　名校考研真题详解第6章　蒸　馏6.1　复习笔记6.2　课后习题详解6.3　名校考研真题详解第7章　吸　收7.1　复习笔记7.2　课后习题详解7.3　名校考研真题详解第8章　蒸馏和吸收塔设备8.1　复习笔记8.2　课后习题详解8.3　名校考研真题详解第9章　液-液萃取9.1　复习笔记9.2　课后习题详解9.3　名校考研真题详解第10章　干　燥10.1　复习笔记10.2　课后习题详解10.3　名校考研真题详解第11章　结晶和膜分离11.1　复习笔记11.2　名校考研真题详解第0章　绪　论0.1　复习笔记一、化工原理课程的性质和基本内容1．课程的基本内容（1）单元操作根据各单元操作所遵循的基本规律，将其划分为如下几种类型：①遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）等。

②遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。

③遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。

④同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。

从本质上讲，所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这3种传递过程或它们的结合。

（2）化工原理的基本内容化工原理的基本内容就是阐述各单元操作的基本原理、过程计算及典型设备。

2．课程的研究方法（1）实验研究方法（经验法）；（2）数学模型法（半经验半理论方法）。

第9章 精馏 典型例题例1：逐板法求理论板的基本思想有一常压连续操作的精馏塔用来分离苯-甲苯混合液，塔顶设有一平衡分凝器，自塔顶逸出的蒸汽经分凝器后，液相摩尔数为汽相摩尔数的二倍，所得液相全部在泡点下回流于塔，所得汽相经全凝器冷凝后作为产品。

已知产品中含苯0.95（摩尔分率），苯对甲苯的相对挥发度可取为2.5 。

试计算从塔顶向下数第二块理论板的上升蒸汽组成。

解: 884.095.05.15.295.05.115.20000=⨯-=→=+=x x x x y DR=L/D=2905.03/95.0884.0323/95.032:11=+⨯=+=+y x y n n 精馏段方程845.03/95.0793.032793.0905.05.15.2905.05.15.22111=+⨯==⨯-=-=y y y x例2：板数较少塔的操作型计算拟用一 3 块理论板的（含塔釜）的精馏塔分离含苯50%（摩尔分率，下同）的苯-氯苯混合物。

处理量F=100 Kmol/h ，要求 D=45 Kmol/h 且 x D >84%。

若精馏条件为：回流比R=1 ，泡点进料，加料位置在第二块理论板，α=4.10 ，问能否完成上述分离任务？ 解：W=55kmol/h精馏段操作线方程：y n+1=0.5x n +0.42提馏段的操作线方程：Fq D R Wx x F q D R qFRD y w )1()1()1()1(--+---++=将相关数据代入得提馏段操作线方程：134.061.1-=x y 逐板计算：y 1=x D =0.84y 2=0.5×0.56+0.42=0.7057.0134.036.061.13=-⨯=y.22.05584.04550=⨯-=-=WDx Fx x Df w ()56.084.01.31.484.01111=⨯-=--=y y x αα36.07.01.31.470.02=⨯-=x22.024.057.01.31.457.03≥=⨯-=x所以不能完成任务。

研究生入学考试《化工原理》参考书及考试大纲参考书：1. 杨同舟,于殿宇主编，食品工程原理中国农业出版社，2011年2月第2版；2. 王志祥主编，制药化工原理，化学工业出版社，2014年9月第2版考试大纲：第0章引论0-1 化工原理的研究内容（了解）0-2 物料衡算和能量衡算（掌握）第一章流体流动第一节流体静力学原理（熟悉）1-1 流体密度和压力1-2 流体静力学基本方程式（掌握）第二节管内流体流动的基本规律（掌握）1-3 管内流动的连续性方程1-4 柏努利方程第三节流体流动现象（熟悉）1-5 流体的黏度1-6 流体流动型态1-7 流体在圆管内速度分布第四节流体流动的阻力（熟悉）1-8 管内流体流动的直管阻力1-9 管内流体流动的局部阻力第五节管路计算（掌握）1-10简单管路1-11 复杂管路第六节流量测定（了解）1-12 测速管和流量计第二章流体输送第一节离心泵（掌握）2-1离心泵的结构原理2-2 离心泵的性能2-3 离心泵的安装高度和工作点2-4 离心泵的类型和选用第二节其它类型泵（了解）2-5 往复泵2-6 旋转泵第三节风机（了解）2-7 通风机和鼓风机第三章粉碎与混合第一节粉碎（了解）3-1 粉碎的基本概念3-2 粉碎设备第二节筛分（熟悉）3-3 筛分和筛析3-4 筛分设备第三节混合（掌握）3-5 混合的基本理论3-6 液体的搅拌混合3-7乳化3-8 浆体的混合及塑性固体的捏合3-9 固体的混合第四章沉降与过滤第一节重力沉降（熟悉）4-1 颗粒在流体中的运动4-2 悬浮液的重力沉降4-3 气溶胶的重力沉降第二节过滤（掌握）4-4 过滤的基本概念4-5 过滤的基本理论4-6 过滤设备第三节离心分离（掌握）4-7 离心分离原理4-8 过滤式离心机4-9 沉降式离心机4-10 分离式离心机4-11 旋风分离器第五章传热第一节概述（理解）第二节热传导（掌握）第三节对流传热（掌握）第四节传热计算（掌握）第五节换热器（理解）第六章蒸发第一节蒸发概述（了解）6-1 食品物料蒸发6-2 蒸发的操作方法第二节蒸发器（熟悉）6-3 蒸发器6-4 蒸发的辅助设备第三节单效蒸发（掌握）6-5 蒸发器的换热误差6-6 单效蒸发的计算第四节多效蒸发（了解）6-7 多效蒸发流程和温差分配6-8 多效蒸发的计算第七章干燥第一节干燥的基本原理（掌握）7-1 干燥的目的和方法7-2 湿物料中的水分7-3 干燥静力学7-4干燥动力学第二节干燥设备（熟悉）7-5 对流干燥设备7-6其它干燥设备第三节喷雾干燥（熟悉）7-7 喷雾干燥原理及应用7-8 喷雾干燥设备第八章萃取第一节液-液萃取（熟悉）10-1 液-液萃取的基本原理10-2 液-液萃取过程第二节浸取（了解）10-3 浸取的基本原理10-4 浸取流程和设备10-5 多级逆流浸取级数的计算第三节超临界流体萃取（熟悉）10-6 超临界流体萃取的基本原理10-7 超临界流体萃取在食品、药品工业中的应用第九章膜分离第一节膜及膜分离器（熟悉）11-1 分离膜11-2 膜分离器第二节反渗透和超滤（熟悉）11-3 反渗透的基本原理11-4 反渗透的实际过程11-5 超滤和微孔过滤11-6 超滤和反渗透在食品工业中的应用第三节电渗析（了解）11-7 电渗析的基本原理和概念11-8 电渗析装置系统计算题主要在第一、二和第五章。

第九章 习题相平衡1． 总压为101.3kPa 下，用苯、甲苯的安托因方程（见例9-1），求（1）温度为108℃及81℃时，苯对甲苯的相对挥发度；（2）用上述计算的相对挥发度的平均值αm ，计算苯－甲苯的汽液平衡数据，并与书末附表所列的实验值作比较（列表）。

2． 乙苯、苯乙烯混合物是理想物系，纯组分的蒸汽压为：t P A +−=206.213225.142408240.6log 0 乙苯tP B +−=43.20958.144508232.6log 0苯乙烯式中P 0的单位是kPa ，t 为℃。

试求：（1）塔顶总压为8kPa 时，组成为0.595（乙苯的摩尔分率）的蒸汽的温度。

（2）与上述汽相成平衡的液相组成。

3．乙苯、苯乙烯精馏塔中部某一块塔板上总压为13.6kPa ，液体组成为0.144（乙苯的摩尔分率）试求：（1） 板上液体的温度；（2） 与此液体成平衡的汽相组成。

4．总压为303.9kPa （绝对）下，含丁烷0.80、戊烷0.20（摩尔分率）的混合蒸汽冷凝至40℃，所得的液、汽两相成平衡。

求液相和汽相数量（摩尔）之比。

已知丁烷（A ）和戊烷（B ）的混合物是理想物系，40℃下纯组分的饱和蒸汽压为：P A 0=373.3kPa ；P B 0=117.1kPa 。

5．某二元混合液100kmol ，其中含易挥发组分0.40。

在总压101.3kPa 下作简单精馏。

最终所得的液相产物中，易挥发物为0.30（均为摩尔分率）。

试求：（1） 所得汽相产物的数量和平均组成；（2） 如改为平衡蒸馏，所得汽相产物的数量和组成。

已知物系的相对挥发度为α=3.0。

物料衡算、热量衡算及操作线方程6．某混合液含易挥发组分0.24，在泡点状态下连续送入精馏塔。

塔顶馏出液组成为0.95，釜液组成为0.03（均为易挥发组分的摩尔分率）。

试求：（1） 塔顶产品的采出率D/F ；（2） 采用回流比R=2时，精馏段的液汽比L/V 及提馏段的汽液比L /V；（3） 采用R=4时，求L/V 及V L /。

第一章 流体流动4．某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5 m ，油面上方与大气相通。

在罐侧壁的下部有一直径为760 mm 的孔，其中心距罐底1000 mm ，孔盖用14 mm 的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作压力为39.5×106 Pa ，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103 Pa ）？ 解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm 处的流体压力为[]（绝压）Pa 10813.1Pa )0.15.9(81.9960103.10133⨯=-⨯⨯+⨯=+=gh p p ρ 作用在孔盖上的总力为N 10627.3N 76.04π103.10110813.1)(4233a ⨯⨯⨯⨯⨯-=＝）－＝（A p p F每个螺钉所受力为N 10093.6N 014.04π105.39321⨯=÷⨯⨯=F因此()（个）695.5N 10093.610627.3341≈=⨯⨯==F F n5．如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U 管压差计。

读数分别为R 1=500 mm ，R 2=80 mm ，指示液为水银。

为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U 管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R 3=100 mm 。

试求A 、B 两点的表压力。

解：（1）A 点的压力()（表）Pa 101.165Pa 08.081.9136001.081.9100042汞3水A ⨯=⨯⨯+⨯⨯=+=gR gR p ρρ（2）B 点的压力()（表）Pa 107.836Pa 5.081.91360010165.1441汞A B ⨯=⨯⨯+⨯=+=gR p p ρ 7．某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3 kPa （表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。

液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。

试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h 。

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，两组分的饱和蒸气压分别为*A p = kPa 及*B p ＝ kPa ，取样测得液面上方气相中组分A 的摩尔分数为。

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。

()()()()95.085.416.10785.416.107总总*B*A 总*B 总*A A 总*AA =-=--==p p p p p p p p x p p y － 解得 76.99＝总p kPa8808.085.416.10785.4176.99*B*A *B =--=--=p p p p x 总本题也可通过相对挥发度求解571.285.416.107*B *A ===p p α由气液平衡方程得()()8808.095.01571.295.095.01=-+=-+=y y y x α()()[]kPa 76.99kPa 8808.0185.418808.06.1071A *BA *A =-+⨯=-+x p x p p ＝总 2．试分别计算含苯（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24.22035.1206032.6lg *A +-=t p58.21994.1343078.6lg *B +-=t p 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94.6℃，则191.224.2206.9435.1206032.6lg *A =+-=p 得 37.155*A =p kPa同理 80.158.2196.9494.1343078.6lg *B =+-=p 15.63*B =p kPa4.03996.015.6337.15515.63100A ≈=--=x或 ()kPa04.100kPa 15.636.037.1554.0=⨯+⨯＝总p则 46.215.6337.155*B *A ===p p α 6212.04.046.114.046.2)1(1=⨯+⨯=-+=x x y αα（2）总压为p 总＝10 kPa通过试差，泡点为31.5℃，*A p =，*B p ＝203.3313.502.17==α 681.04.0203.214.0203.3=⨯+⨯=y随压力降低，α增大，气相组成提高。

第一章 流体流动与输送机械1. 流体静力学基本方程：gh p p ρ+=022. 双液位U 型压差计的指示: )21(21ρρ-=-Rg p p )3. 伯努力方程：ρρ222212112121p u g z p u g z ++=++4. 实际流体机械能衡算方程：f W p u g z p u g z ∑+++=++ρρ222212112121+ 5. 雷诺数：μρdu =Re6. 范宁公式：ρρμλfp dlu u d l Wf ∆==⋅⋅=22322 7. 哈根-泊谡叶方程：232d lup f μ=∆ 8. 局部阻力计算：流道突然扩大：2211⎪⎭⎫ ⎝⎛-=A A ξ流产突然缩小：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2115.0A A ξ第二章 非均相物系分离1. 恒压过滤方程：t KA V V V e 222=+令A V q /=，A Ve q e /=则此方程为：kt q q q e =+22第三章 传热1. 傅立叶定律：n t dAdQ ϑϑλ-=，dxdtA Q λ-= 2. 热导率与温度的线性关系：)1(0t αλλ+= 3. 单层壁的定态热导率：bt t AQ 21-=λ，或mA b tQ λ∆=4. 单层圆筒壁的定态热传导方程： )ln1(21221r r t t l Q λπ-=或m A b t t Q λ21-=5. 单层圆筒壁内的温度分布方程：C r l Qt +-=ln 2λπ（由公式4推导） 6. 三层圆筒壁定态热传导方程：34123212141ln 1ln 1ln 1(2r r r r r r t t l Q λλλπ++-=7. 牛顿冷却定律：)(t t A Q w -=α，)(T T A Q w -=α8. 努塞尔数λαl Nu =普朗克数λμCp =Pr 格拉晓夫数223μρβtl g Gr ∆= 9. 流体在圆形管内做强制对流：10000Re >，1600Pr 6.0<<，50/>d lk Nu Pr Re 023.08.0=，或kCp du d ⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμρλα8.0023.0，其中当加热时，k=0.4，冷却时k=0.3 10. 热平衡方程：)()]([1222211t t c q T T c r q Q p m s p m -=-+=无相变时：)()(12222111t t c q T T c q Q p m p m -=-=，若为饱和蒸气冷凝：)(12221t t c q r q Q p m m -== 11. 总传热系数：21211111d d d d b K m ⋅+⋅+=αλα 12. 考虑热阻的总传热系数方程：212121211111d d R R d d d d b K s s m ⋅++⋅+⋅+=αλα 13. 总传热速率方程：t KA Q ∆=14. 两流体在换热器中逆流不发生相变的计算方程：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--22111112211lnp m p m p m c q c q c q KA t T t T 15. 两流体在换热器中并流不发生相变的计算方程：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--22111122111ln p m p m p m c q c q c q KA t T t T 16. 两流体在换热器中以饱和蒸气加热冷流体的计算方程：2221ln p m c q KAt T t T =--第四章 蒸发1.蒸发水量的计算：110)(Lx x W F Fx =-= 2.水的蒸发量：)1(1x x F W -=3. 完成时的溶液浓度：WF F x -=04.单位蒸气消耗量：rr D W '=，此时原料液由预热器加热至沸点后进料，且不计热损失，r 为加热时的蒸气汽化潜热r ’为二次蒸气的汽化潜热 5.传热面积：mt K QA ∆=，对加热室作热量衡算，求得Dr h H D Q c =-=)(，1t T t -=∆，T 为加热蒸气的温度，t 1为操作条件下的溶液沸点。

化工原理第九章吸附分离
吸附分离，也称为吸收或吸收分离，是指利用一定的相互作用“粘合剂”或“吸附剂”使混合物中一些组成部分粘合或吸附到该粘合剂或吸附剂上，从而使混合物中一些组分有机地被分离出来的过程。

它是一种新型的分离方法，有可能替代传统的分离工艺，是现代化工的一项重要技术。

吸附分离的原理：吸附分离可以分为物理吸附和化学吸附两种形式。

物理吸附是指物质相互作用的结果，包括空气、气体、液体、溶剂等。

物理吸附是指在一些固体表面上建立的物理性相互作用，其实质是由于表面粗糙形成的能量障碍，而在能量障碍的阻碍下，物质相互作用，物质就被吸附在这种固体表面上。

如果这种固体表面在特定的温度和压力条件下，具有良好的表面化学稳定性，即可建立有效的物理吸附。

化学吸附又叫做专配吸附，是指物质间由于共价作用形成的固体表面和溶剂之间的作用过程。

它是一种特殊的吸附作用，是由于固体表面上化学基团构成的膜层，以及溶剂中的其中一种物质，在化学反应中形成化学键而发生的吸附作用。

吸附分离的应用：吸附分离已被广泛应用于催化剂分离、石油的湿气处理、空气净化、废气处理、提纯溶剂等行业。

化工原理课后习题答案（夏清、陈常贵主编.化工原理.天津大学出版社,2005.）第一章流体流动2．在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 ㎏/㎥的油品，油面高于罐底 6.9 m，油面上方为常压。

在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作应力取为39.23×106 Pa ，问至少需要几个螺钉？分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力即P油≤σ螺解：P螺 = ρgh×A = 960×9.81×(9.6-0.8) ×3.14×0.762150.307×103 Nσ螺 = 39.03×103×3.14×0.0142×nP油≤σ螺得 n ≥ 6.23取 n min= 7至少需要7个螺钉3．某流化床反应器上装有两个U 型管压差计，如本题附4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。

已知两吹气管出口的距离H = 1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820Kg／㎥。

试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离ｈ。

分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中1－1´和4－4´为等压面，2－2´和3－3´为等压面，且1－1´和2－2´的压强相等。

根据静力学基本方程列出一个方程组求解解：设插入油层气管的管口距油面高Δh在1－1´与2－2´截面之间P1 = P2 + ρ水银gR∵P1 = P4，P2 = P3且P3 = ρ煤油gΔh ， P4 = ρ水g（H-h）+ ρ煤油g（Δh + h）联立这几个方程得到ρ水银gR = ρ水g（H-h）+ ρ煤油g（Δh + h）-ρ煤油gΔh 即ρ水银gR =ρ水gH + ρ煤油gh -ρ水gh 带入数据1.0³×10³×1 - 13.6×10³×0.068 = h(1.0×10³-0.82×10³)ｈ= 0.418ｍ5．用本题附图中串联Ｕ管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，Ｕ管压差计的指示液为水银，两Ｕ管间的连接管内充满水。

绪论补充题1：一罐内盛有20t 重油，温度为293.15K 。

用外循环进行加热，如图，重油循环量W 为8t/h 。

循环的重油在换热器中用水蒸汽加热，其在换热器出口温度T3恒为373.15K ，罐内的油均匀混合，问罐内的油从T1=293.15K 加热到T2=353.15K 需要多少时间。

假设罐与外界绝热。

解：罐内油的温度随时间变化，所以是一非稳态的加热过程，由于罐内油均匀混合，从罐内排出的油温与罐内油的温度相同，其在某一时间为T 。

以罐为系统（虚线框）进行热量衡算，以dt 为时间内进行系统及系统内积累的热量分别为： t 时刻，温度为T ；（t+dt ）时刻，温度升高为（T+dT ） 输入系统的重油的焓为'P WC T dt （'373.15T K =） 输出系统的重油的焓为：P WC Tdt 系统内积累的焓为：P GC dT 其中，P C 为重油的平均等压比热容列热量衡算式：'P P P WC T dt WC Tdt GC dT =+。

即'G dTdt W T T=⋅- 积分条件，120,293.15;(),353.15t T T K t T T K θ======待求353.150293.15208373.15dT dt T θ=-⎰⎰ 20373.15293.15ln 3.478373.15353.15h θ-=⋅=-第一章，流体力学基础1、如图所示，用一U 形压力计测量某密闭气罐中压力，指示液为水，密度30/1000m kg =ρ。

因气体易溶于水，故在水与气体之间用惰性溶剂（密度3/890'm kg =ρ）将二者隔开。

现已知h=10cm ，R=24cm ，求气罐内绝对压力、表压（分别用Pa 和m 水柱表示）。

解：'0a P gh gR P ρρ+=+表压：'02()9.81(10000.0248900.01)1481.30.015P R h g Pa mH O ρρ=-⋅=⨯⨯-⨯== 绝压：521481.3 1.0281010.48P Pa Pa Pa mH O =+=⨯=2、如图，用一复式U 形压差计和倒U 形压差计同时测量水管中A 、B 两点间的压差，复式压差计的指示液为汞，两段汞柱之间为空气，倒U 形压差计指示液为空气。