化工原理(下)教学日历 任课教师:余立新yulixin@tsinghua.edu.cn6278-9238(H,62788770 次授课内容 1|序论分离过程与传递现象 Ch1蒸馏§1蒸馏概述 §2汽液平衡关系 3平衡蒸馏与简单蒸馏 §4精馏原理 §5板式塔 课堂讨论1(连续精馏的特例) §6特种精馏 4机动(国庆节) §7多组分精馏简介 课堂讨论2(9-17的扩展) 精馏小结及小测验 6ch2吸收§1吸收概述 §2气液平衡关系 §3吸收过程设计计算 §4填料塔 §5吸收过程的强化 6高浓度气体吸收 8|课堂讨论 吸收小结 Ch3萃取§1概述 §2液液平衡关系 9/期中经3萃取过程计算 §3萃取过程计算 10期中测验评述 §4萃取设备 §5萃取过程进展 果堂讨论 12萃取小结 "传质强化”专题 Ch4干燥§1干燥概述 §2湿空气性质 13 §3干燥平衡关系 4干燥动力学 §5千燥器 14干燥讨论1(干燥动力学) §6干燥过程设计计算 15千燥讨论2(过程设计
化工原理(下) 教学日历 任课教师： 余立新 yulixin@tsinghua.edu.cn 6278-9238(H), 62788777(O) 周次 授课内容 1 序论 分离过程与传递现象 Ch 1 蒸馏 §1 蒸馏概述 §2 汽液平衡关系 §3 平衡蒸馏与简单蒸馏 2 §4 精馏原理 3 §5 板式塔 课堂讨论 1 (连续精馏的特例) §6 特种精馏 4 机动 (国庆节) 5 §7 多组分精馏简介 课堂讨论 2(9-17 的扩展) 精馏小结及小测验 6 Ch 2 吸收 §1 吸收概述 §2 气液平衡关系 §3 吸收过程设计计算 7 §4 填料塔 §5 吸收过程的强化 §6 高浓度气体吸收 8 课堂讨论 吸收小结 Ch 3 萃取 §1 概述 §2 液液平衡关系 §3 萃取过程计算 9 期中测验 §3 萃取过程计算 10 期中测验评述 §4 萃取设备 §5 萃取过程进展 11 课堂讨论 12 萃取小结 "传质强化"专题 Ch 4 干燥 §1 干燥概述 §2 湿空气性质 13 §3 干燥平衡关系 §4 干燥动力学 §5 干燥器 14 干燥讨论 1 (干燥动力学) §6 干燥过程设计计算 15 干燥讨论 2(过程设计)
干燥小结 Ch5其它分离过程 16Ch5其它分离过程 课程总结 第1周 1.气液平衡数据的获取:请给出任意一个二元体系的汽液平衡数据,给出出处及获取该数 据的途径,并分析用精馏方法分离该体系时可能具有的特点 2.分析简单蒸馏过程:分析是否可以用简单蒸馏的方法从7%(质量分数)的乙醇发酵液制得 75%(质量分数)的医用酒精?如果可以,最多可以得到多少 3.某两组分混合液100kmol,其中易挥发组分的摩尔分数为04,在101.3kPa下进行平衡蒸 馏,最终所得液相产物中易挥发组分的摩尔分数为0.3,试求所得汽相产物的量和组成。 假设该体系为理想体系,相对挥发度为3.0。定性分析如果将操作压力降低(即改为真空 操作),那么两相产物的量和组成会如何变化? 第2周 1.用逐板计算法,图解法和简捷法计算如下精馏仼务所需的理论板数和进料位置。 请设计一分离苯-甲苯溶液的连续精馏塔,料液含苯0.5,要求馏出液中含苯097,残液中 含苯低于004(均为摩尔分数,泡点加料时温度为多少,回流比取为最小回流比的1.5倍, 最小回流比与塔釜浓度要求有关吗?苯与甲苯的相对挥发度平均可以取2.5,可以用恒 摩尔流假设 思考:计算过程中如果板数出现小数,该怎样理解和处理 第3周 1.某常压连续精馏塔,共有15块塔板(不包括再沸器),用于精馏甲醇水溶液。进料中含有甲 醇40%(质量百分数,下同),要求馏出液中含甲醇98%,釜残液中含甲醇2%。假定实际 操作为泡点进料,回流液为饱和液体,回流比为最小回流比的1.5倍 试确定(1)画出精馏系统的流程图:(2)进料温度;(3)试求该塔的全塔板效率;(4)若进 料甲醇的组成下降为30%,为达到相同的分离任务,应该采用何种措施(要求尽量定量说 ) 2. An equimolar mixture of benzene and tolune is to be separated in a sieve plate tower at the rate of 100kmol/h at I atm atmosphere. The overhead product must contain at least 98 mole percentage benzene. The feed is saturated liquid. A tower is available containing 24 plates Feed may be introduced either on the llth or the 17th plate from the top. The maximum vaporization capacity of the reboiler is 120 kmol/h. The plates are about 50%o efficient. How many moles per hour of overhead product can be obtained from this tower? 第4周 预习讨论题:一精馏塔直径已经确定,有40块实际板,正常操作时全塔效率在50%左右 用来分离苯和四氯化碳的混和液,常压下连续操作,进料量恒定,料液中含四氯化碳 0.60(摩尔分数,下同,要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于020。试问塔顶产品中四 氯化碳的含量最高可以达到多少?
干燥小结 Ch5 其它分离过程 16 Ch5 其它分离过程 课程总结 第 1 周 1. 气液平衡数据的获取：请给出任意一个二元体系的汽液平衡数据，给出出处及获取该数 据的途径, 并分析用精馏方法分离该体系时可能具有的特点。 2. 分析简单蒸馏过程：分析是否可以用简单蒸馏的方法从7%(质量分数)的乙醇发酵液制得 75%(质量分数)的医用酒精？ 如果可以, 最多可以得到多少？ 3. 某两组分混合液100kmol，其中易挥发组分的摩尔分数为0.4, 在101.33kPa下进行平衡蒸 馏， 最终所得液相产物中易挥发组分的摩尔分数为0.3，试求所得汽相产物的量和组成。 假设该体系为理想体系，相对挥发度为3.0。定性分析如果将操作压力降低（即改为真空 操作），那么两相产物的量和组成会如何变化？ 第 2 周 1. 用逐板计算法，图解法和简捷法计算如下精馏任务所需的理论板数和进料位置。 请设计一分离苯-甲苯溶液的连续精馏塔，料液含苯0.5，要求馏出液中含苯0.97，残液中 含苯低于0.04 (均为摩尔分数)，泡点加料时温度为多少，回流比取为最小回流比的1.5倍， 最小回流比与塔釜浓度要求有关吗？苯与甲苯的相对挥发度平均可以取2.5， 可以用恒 摩尔流假设。 * 思考: 计算过程中如果板数出现小数, 该怎样理解和处理？ 第 3 周 1. 某常压连续精馏塔, 共有15块塔板(不包括再沸器), 用于精馏甲醇水溶液。进料中含有甲 醇40%(质量百分数，下同)，要求馏出液中含甲醇98%，釜残液中含甲醇2%。假定实际 操作为泡点进料，回流液为饱和液体，回流比为最小回流比的1.5倍。 试确定 (1) 画出精馏系统的流程图；(2) 进料温度；(3) 试求该塔的全塔板效率；(4) 若进 料甲醇的组成下降为30%，为达到相同的分离任务，应该采用何种措施(要求尽量定量说 明)。 2. An equimolar mixture of benzene and tolune is to be separated in a sieve plate tower at the rate of 100kmol/h at 1 atm atmosphere. The overhead product must contain at least 98 mole percentage benzene. The feed is saturated liquid. A tower is available containing 24 plates. Feed may be introduced either on the 11th or the 17th plate from the top. The maximum vaporization capacity of the reboiler is 120 kmol/h. The plates are about 50% efficient. How many moles per hour of overhead product can be obtained from this tower? 第 4 周 预习讨论题：一精馏塔直径已经确定，有 40 块实际板，正常操作时全塔效率在 50%左右。 用来分离苯和四氯化碳的混和液，常压下连续操作，进料量恒定，料液中含四氯化碳 0.60(摩尔分数, 下同), 要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于 0.20。试问塔顶产品中四 氯化碳的含量最高可以达到多少?
温度/C 80279.378878.578 77.677.1766 蒸汽压苯 101.33988097897.339706968 /kPa四氯化碳 11731410810760105310320013 第5周 1.一精馏塔直径已经确定,有40块实际板,正常操作时全塔效率在50%左右。用来分离苯 和四氯化碳的混和液,常压下连续操作,进料量恒定,料液中含四氯化碳0.60(摩尔分数 下同),要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于020。试问塔顶产品中四氯化碳的含量最 高可以达到多少? 温度/C 80.279.378878.57877677.1|76.6 蒸汽压苯 10133|98.80978973397069689666 /kP 四氯化碳 11773113.46110.80107.6010533|10320101.33 2.试针对以下问题推出自己的看法 某精馏塔一直稳定操作.忽一日,加热蒸汽系统突然岀现了故障(压力降低),使得上升蒸 汽量下降为原来的80%。在进料量,加料热状态以及回流比不变的条件下,问塔顶和塔 底的产量和组成有什么变化? 说法1:由于精馏段理论级数不变,R不变(精馏段操作线斜率不变),所以塔顶组成不变. 由于进料状态没有变化,所以精馏段和提馏段操作线的交点不变; 由于提馏段的理论板数不变,所以塔底的组成亦不变 由于进料量和塔顶塔底组成没有变化,所以根据物料衡算塔顶和塔底的出料亦不变. 这就奇怪了.难道原来的蒸汽用量一直用多了不成?! 说法2:根据V=(R+1)D,由于R不变,Ⅴ的下降使得D变小,此时W要变大 矛盾:说法1和说法2的矛盾出在哪里呢?应该怎样变化呢? 第6周 1.在填料塔中用水吸收混合气中的氨,气体与水并流接触气体的流量为1000moh(标准 含氨0.01(摩尔分数)塔内的平均温度为25C,总压为常压,此条件下氨在相间的平衡关 系为Y=0.93X (1)试给出该吸收过程的流程示意图; (2)如用水量为5m/h,水中不含氨,求氨的最高吸收率; (3)如用水量为10m3/h,水中不含氨,求氨的最高吸收率; (4)如用水量为5m3/h,水中含氨5kg/1000kg水,求氨的最高吸收率; (5)定性判断填料层内的温度分布 (6)如果改为逆流,则最高吸收率会有何变化? 2.200m/h(28°C,101.3kPa)的空气-氨气混合气,用水吸收其中的氨,使氨含量由0.05降到 0.004(均为摩尔分数)现有一填料塔,塔径为03米,填料层高度为3.5米填料为25× 25×3mm的瓷环,问该塔是否适用?如果可用,则用水量需要多大? 在28C,1013kPa时,相平衡关系符合亨利定律,Y=144X
温度/C 80.2 79.3 78.8 78.5 78 77.6 77.1 76.6 蒸汽压 /kPa 苯 101.33 98.80 97.8 97.33 97.06 96.8 96.66 四氯化碳 117.73 113.46 110.80 107.60 105.33 103.20 101.33 第 5 周 1. 一精馏塔直径已经确定, 有 40 块实际板, 正常操作时全塔效率在 50%左右。用来分离苯 和四氯化碳的混和液，常压下连续操作，进料量恒定，料液中含四氯化碳 0.60(摩尔分数, 下同), 要求塔底釜残液中四氯化碳含量不高于 0.20。试问塔顶产品中四氯化碳的含量最 高可以达到多少? 温度/C 80.2 79.3 78.8 78.5 78 77.6 77.1 76.6 蒸汽压 /kPa 苯 101.33 98.80 97.8 97.33 97.06 96.8 96.66 四氯化碳 117.73 113.46 110.80 107.60 105.33 103.20 101.33 2. 试针对以下问题推出自己的看法: 某精馏塔一直稳定操作. 忽一日, 加热蒸汽系统突然出现了故障(压力降低), 使得上升蒸 汽量下降为原来的 80%。在进料量, 加料热状态以及回流比不变的条件下, 问塔顶和塔 底的产量和组成有什么变化？ 说法 1: 由于精馏段理论级数不变, R 不变(精馏段操作线斜率不变), 所以塔顶组 成不变. 由于进料状态没有变化, 所以精馏段和提馏段操作线的交点不变; 由于提馏段的理论板数不变, 所以塔底的组成亦不变. 由于进料量和塔顶塔底组成没有变化, 所以根据物料衡算塔顶和塔底的出料亦不变. ? 这就奇怪了. 难道原来的蒸汽用量一直用多了不成?! 说法 2: 根据 V=(R+1)D, 由于 R 不变, V 的下降使得 D 变小, 此时 W 要变大. 矛盾: 说法 1 和说法 2 的矛盾出在哪里呢? 应该怎样变化呢? 第 6 周 1. 在填料塔中用水吸收混合气中的氨, 气体与水并流接触. 气体的流量为 1000 m3 /h (标准), 含氨 0.01(摩尔分数),塔内的平均温度为 25C, 总压为常压, 此条件下氨在相间的平衡关 系为 Y=0.93X. (1) 试给出该吸收过程的流程示意图; (2) 如用水量为 5 m3 /h, 水中不含氨, 求氨的最高吸收率; (3) 如用水量为 10 m3 /h, 水中不含氨, 求氨的最高吸收率; (4) 如用水量为 5 m3 /h, 水中含氨 5kg/1000kg 水, 求氨的最高吸收率; (5) 定性判断填料层内的温度分布; (6) 如果改为逆流, 则最高吸收率会有何变化? 2. 200 m3 /h(28C,101.3kPa)的空气-氨气混合气, 用水吸收其中的氨, 使氨含量由 0.05 降到 0.004(均为摩尔分数). 现有一填料塔, 塔径为 0.3 米, 填料层高度为 3.5 米, 填料为 25× 25×3mm 的瓷环, 问该塔是否适用? 如果可用, 则用水量需要多大? 在 28C,101.3kPa 时, 相平衡关系符合亨利定律, Y=1.44X;
动力学参数的经验式为KGa=0.272×105G035w038kmol(m3hPa) 式中,G为气体的质量流速,kg/(m2h);W为液体的质量流速kg(m2h 第7周 1.试设计一个用清水吸收烟道气中二氧化碳的填料塔.烟道气中二氧化碳含量为0.13(摩 尔分数).要求二氧化碳的吸收率为90‰,气体流量为1000m3/h(常压,20°C)塔底流出的 水中二氧化碳含量为0.2g/1000g水.计算用水量,塔径和填料层高度 设计数据如下 (1)空塔气速0.2m/s(常压,20°C) (2)填料50×50mm2瓷环,不规则堆放 (3)平衡关系:Y=1420X (4)传质系数:Kx=115kmol/(m2h△X)Y与X均为摩尔比 如在上述设计出的塔中,分别只变更以下条件,试计算吸收率的变化 (1)气体流量减少10%(水量,塔高,塔径不变 (2)二氧化碳进口组成降低为0.10(气体总流量,水量,塔高,塔径不变) 第8周 1.用如图所示的管壳式中空纤维膜吸收装置对含有氨的废水进行净化所用净化剂为硫酸溶 液.膜吸收装置的纤维根数为n,纤维的外径为d,内径为d,壁厚为δ,空隙率为ε.设废 水侧氨的传质系数为kx(以内表面为基准).氨在空气中的扩散系数为D,操作压力为常 压,操作温度为常温.空气中氨和水中氨的平衡关系为Y=mX.其中Y和X为摩尔比浓度 已知废水的摩尔流量为v(以水计)其中氨的含量为X1(摩尔比下同).要求处理后氨 的含量为X12.硫酸水溶液的初始浓度为 假设:可以忽略水的传递;假设废水和硫酸为完全逆流;假设硫酸水溶液一侧硫酸 向膜面的补充足够快;中空纤维丝内外直径的算术平均值等于对数平均值;由于浓度很低, 可以认为Y=y 试求:(1)为保证最大传质推动力而需的硫酸溶液的最小摩尔流量(以水计)Lmim (2)推导氨的总传质系数KY(以纤维丝的外表面为基准), (3)如果实际硫酸溶液流量为L(大于Lmi,问纤维丝的长度应该为多少? L,Ⅹo2 V. Xil V.Xi2 2. An aqueous waste stream containing 1.0 weight percent NH; is to be stripped with air in packed
动力学参数的经验式为: KGa=0.272×10-5G0.35W0.38 kmol/(m3 •h•Pa). 式中, G 为气体的质量流速, kg/( m2 •h); W 为液体的质量流速,kg/( m2 •h). 第 7 周 1. 试设计一个用清水吸收烟道气中二氧化碳的填料塔. 烟道气中二氧化碳含量为 0.13(摩 尔分数). 要求二氧化碳的吸收率为 90%,气体流量为 1000 m3 /h(常压, 20C). 塔底流出的 水中二氧化碳含量为 0.2g/1000g 水. 计算用水量, 塔径和填料层高度. 设计数据如下: (1) 空塔气速 0.2 m/s (常压, 20C) (2) 填料 50×50mm2 瓷环，不规则堆放； (3) 平衡关系： Y＝1420X； (4) 传质系数：KX＝115 kmol/(m2 hX) Y 与 X 均为摩尔比 如在上述设计出的塔中，分别只变更以下条件，试计算吸收率的变化。 (1) 气体流量减少 10% (水量, 塔高, 塔径不变); (2) 二氧化碳进口组成降低为 0.10 (气体总流量, 水量, 塔高, 塔径不变). 第 8 周 1. 用如图所示的管壳式中空纤维膜吸收装置对含有氨的废水进行净化.所用净化剂为硫酸溶 液. 膜吸收装置的纤维根数为n, 纤维的外径为do, 内径为di, 壁厚为; 空隙率为. 设废 水侧氨的传质系数为kiX(以内表面为基准). 氨在空气中的扩散系数为D, 操作压力为常 压, 操作温度为常温. 空气中氨和水中氨的平衡关系为Y=mX. 其中Y和X为摩尔比浓度. 已知废水的摩尔流量为V(以水计), 其中氨的含量为Xi1(摩尔比,下同). 要求处理后氨 的含量为Xi2. 硫酸水溶液的初始浓度为Xo1. 假设: 可以忽略水的传递; 假设废水和硫酸为完全逆流; 假设硫酸水溶液一侧硫酸 向膜面的补充足够快;中空纤维丝内外直径的算术平均值等于对数平均值;由于浓度很低, 可以认为Y=y. 试求: (1) 为保证最大传质推动力而需的硫酸溶液的最小摩尔流量(以水计)Lmin; (2) 推导氨的总传质系数KoY(以纤维丝的外表面为基准); (3) 如果实际硫酸溶液流量为L(大于Lmin), 问纤维丝的长度应该为多少? 2. An aqueous waste stream containing 1.0 weight percent NH3 is to be stripped with air in packed
column to remove 99% of the NH3. What is the minimum air rate, in kilograms of air per kilogram of water, if the column operates at 20C? How many transfer units are required at twice the minimum air rate 第9周 1.现有溶剂10克和溶质1克组成的溶液,用萃取剂进行萃取因溶液较稀,分配系数为常数, 等于4(组成用质量比表示)假定溶剂和萃取剂不互溶.现拟用10克萃取剂进行萃取.试 设计出你认为最佳的萃取方法 第10周 1.100kg/h混和液,含溶质A0.40质量分数,下同)稀释剂B060.用100kgh萃取剂S进行 萃取.求在下述不同操作条件下的萃余相浓度及萃取率,并进行比较 (1)采用两级错流操作,每级所用的萃取剂为50kgh (2)采用两级逆流操作,萃取剂流量为100kgh 相平衡关系如下 萃余相 萃取相 (质量分数) (质量分数) 0.98 0.02 0.05 0.92 0.03 0.14 0.05 0.1 0.86 0.04 0.22 0.045 0.735 0.15 0.80 0.295 045 0.66 0.738 0.355 0.585 0.25 0.675 0.075 0.515 0.30 0.61 0.09 0.445 0.103 0.452 0.35 0.535 0.115 0.48 0.39 0.175 0.45 0.185 0.30 0.495 0.255 第11周 1. In a continuous countercurrent train of mixer-settler, 100 kg/h of a 40: 60 acetone-water solution is to be reduced to 10 percent acetone by extraction with pure 1, 1, 2-trichloroethane at 25C.(a) Find the minimum solvent rate; (b) At 1. 8 times the minimum(solvent rate)(feed rate), find the number of stages required. (c For conditions of part( b) find the mass flow rates of all streams. Data are given belo Limiting solubility curve C2H3C13. wt% Water. wt% Acetone wt%o 94.73 0.26 501 67.52 31.04
column to remove 99% of the NH3. What is the minimum air rate, in kilograms of air per kilogram of water, if the column operates at 20ºC? How many transfer units are required at twice the minimum air rate? 第 9 周 1. 现有溶剂 10 克和溶质 1 克组成的溶液, 用萃取剂进行萃取.因溶液较稀, 分配系数为常数, 等于4(组成用质量比表示). 假定溶剂和萃取剂不互溶. 现拟用10克萃取剂进行萃取. 试 设计出你认为最佳的萃取方法. 第 10 周 1. 100kg/h 混和液, 含溶质 A0.40(质量分数, 下同),稀释剂 B0.60. 用 100kg/h 萃取剂 S 进行 萃取. 求在下述不同操作条件下的萃余相浓度及萃取率, 并进行比较. (1) 采用两级错流操作,每级所用的萃取剂为 50kg/h. (2) 采用两级逆流操作,萃取剂流量为 100kg/h. 相平衡关系如下: 萃余相 (质量分数) 萃取相 (质量分数) A B S A B S 0 0.98 0.02 0 0.1 0.9 0.05 0.92 0.03 0.14 0.05 0.81 0.1 0.86 0.04 0.22 0.045 0.735 0.15 0.80 0.05 0.295 0.045 0.66 0.20 0.738 0.062 0.355 0.06 0.585 0.25 0.675 0.075 0.405 0.08 0.515 0.30 0.61 0.09 0.445 0.103 0.452 0.35 0.535 0.115 0.48 0.13 0.39 0.40 0.45 0.15 0.495 0.175 0.33 0.45 0.365 0.185 0.50 0.22 0.28 0.48 0.30 0.22 0.495 0.25 0.255 第 11 周 1. In a continuous countercurrent train of mixer-settler, 100 kg/h of a 40:60 acetone-water solution is to be reduced to 10 percent acetone by extraction with pure 1,1,2-trichloroethane at 25C. (a) Find the minimum solvent rate; (b) At 1.8 times the minimum (solvent rate)/(feed rate), find the number of stages required. （c ）For conditions of part (b) find the mass flow rates of all streams. Data are given below. Limiting solubility curve C2H3Cl3, wt% Water , wt% Acetone , wt% 94.73 0.26 5.01 79.58 0.76 19.66 67.52 1.44 31.04