新型分离技术习题解答——第4章_新型分离技术习题解答

2020-02-27 其他范文下载本文

新型分离技术习题解答——第4章由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“新型分离技术习题解答”。

第四章气体渗透、渗透汽化和膜基吸收（习题解答）

4-1采用气体渗透膜分离空气（氧21％，氮79％），渗透物中氧浓度达78％。试计算膜对氮气的截留率R和过程的分离因子α，并说明这种情况下哪一个参数更能表达该过程的分离状态。

解：截留率：

R=1分离因子：

o7822217913.34

cN2,pcN2,F122790.7215

2N2对于气体膜分离，以分离因子表示膜的选择性为宜。

4-3 用渗透汽化膜过程进行异丙醇脱水。在80℃下，所用亲水复合膜厚为8μm，该膜对异丙醇的渗透通量可忽略不计。测得不同含水量的异丙醇进料液透过膜的水通量数据如下：料液中含水量/％（质量）水通量/{kg/(m2·h)}

0.03 0.12

0.45 0.82

1.46 2.12

已知水在无限稀释溶液中的活度系数为3.9，且在以上浓度范围内不变。试画出水通量随溶液浓度及活度的变化曲线；计算各组成下水的渗透系数{cm3·cm/(cm2·s·kPa)}。解：查表得异丙醇的Antoine方程常数，并计算其饱和蒸气压：

3640.200P异丙醇exp9.7702-0.092MPa

35353.54查饱和水性质表得80℃下水的饱和蒸气压及密度：P水0.04739MPa 971.8kg/m3 水的渗透系数可用下式计算：

JAQApAxAA02f2ApyA0p0JQA0ApAxA

A计算结果见下表：

名称含水量/% 水通量/kg/(m2·h)水的摩尔分数水的活度水渗透系数 cm3·cm/(cm2·s·kPa)10.01 0.03 0.0326 0.1270 1.14E-12

0.02 0.12 0.0637 0.2484 2.33E-12

0.03 0.45 0.0935 0.3645 5.96E-12

0.04 0.82 0.1220 0.4756 8.32E-12

0.05 1.46 0.1493 0.5821 1.21E-11

0.06 2.12 0.1754 0.6842 1.50E-11

水通量随溶液浓度及活度的变化曲线如下：（左Y轴为摩尔分数，右Y轴为活度，X轴为渗透系数）0.180.160.70.60.140.120.100.080.060.20.040.020.004.00E-0128.00E-0121.20E-0111.60E-0110.10.00.50.40.3A

4-4 蒸汽渗透或气体分离过程中，原料和渗透物压强比一定，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等时，渗透物浓度最高。今已知某一复合膜对空气中甲苯蒸汽浓度为0.5℅（体积）时的渗透选择性为200，分别计算压强比为10、100和1000时的渗透物组成。解：已知pFpPq为定值，PAPB200，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等

∵对于二元混合气体，忽略边界层作用，其渗透量可用下式计算：

JAHADAlmxApFyApP

JBHBDBlmxBpFyBpP

当无吹扫气体时，两通量之比即为渗透气体的摩尔分率之比：

JAJByAyBHADAxApFyApPHBDBxBpFyBpPPAxApFyApPPBxBpFyBpPPAxAqyAPBxBqyB

（1）：pFpPq10

带入方程：yA1yA2000.00510yAyA0.995101，解方程得：yAq105%（2）：pFpPq100

带入方程：yA1yA2000.005100yA0.9951001yA，解方程得：yAq10029%

（3）：pFpPq1000

带入方程：yA1yA2000.0051000yAyA0.99510001，解方程得：yAq100048%

4-5 用间歇渗透汽化过程脱除发酵液中的丁醇。当发酵液中丁醇浓度从6℅降至0.6℅时，其体积减少了13℅，试计算渗透物中丁醇的浓度。

解：设发酵液初始体积为V，当发酵液中丁醇浓度从6℅降至0.6℅时，n丁醇=6%V0.6%113%V

n丁醇V6%V0.6%113%V13%V∴渗透物中丁醇的浓度cP,丁醇=42.1%

4-6 某一气体富氧过程，其跨膜压强比ph/pl=5，且设进料浓度近似与截留物浓度相等xf≈xr，原料空气含氧21℅。分别计算选择性为p氧气/p氮气=2.0、2.2、3.0、5.0和10时的渗透物中氧的浓度。

解：已知phplq5为定值，且设进料浓度近似与截留物浓度相等xfxr

根据本章习题4-4所推导的公式：

JAJByAyBPAxApFyApPPBxBpFyBpPO2PAPBxAqxBqyAyB

对于PO2PN22.0，方程为PO2PN2yO21yO22.00.215y0.7951yO2，解方程得：yO31%

2同理可得2.23.05.010时的yO2值分别为33%38%46%57%

4-7 用改性聚二甲基硅氧烷为皮层（1μm）的复合膜分离二氧化碳和氮气混合物。假定进料混合物的物质的量（mol）之比，二氧化碳/氮气=1/4，原料侧压力为ph=0.25MPa，渗透物侧压力为pp=0.05MPa。原料流量为qf=10000m3(STP)/h。两种气体的渗透系数分别为P co2=81barrer、PN2=5.3barrer。假设原料和渗透物侧的气体完全混合。试计算渗透物组成、二氧化碳通量及回收率。解：CO/N2PCO2/PN281/5.3, 压强比ph/p15 渗透物组成可由下式计算：

5B0.51xr,i0.5150.21.175

114.3xp,CO22BBxr,i10.5521.1751.17515.30.214.30.50.60

根据质量衡算可求出二氧化碳回收率

qrqfqp10000qp

xf,COqfxp,COqpxr,COqr

2220.5100.6qp0.2(10000qp)

qp7500m/h

0.67.54343所以二氧化碳回收率为：

CO2进而二氧化碳的通量：

JCO20.51010 0.9PCO2[lphxr,CO2p1xp,CO2]338110[104101900.2380.6]

1.2310cmSTP/cm2s

4-8 用不对称聚亚苯基氧复合膜进行空气富氮。分离层膜厚为1μm，该膜对氧的渗透率PO2为50barrer，膜的分离因子为4.2，进料流中的操作压力为1MPa，渗透物流侧的压力为0.1MPa，假定空气中氮浓度为

330.79，渗余物中氮浓度增大到0.95，渗余物流量为qf=10m/h。现要求生产含氮95℅的富氮气10m/h，试计算单级过程所需膜面积和能量消耗。

解：第一段的截留物作为第二段的原料xr,1xf,2,qr,1qf,2。已知第二段qr,210m/h，原料侧氧的对

3数平均浓度为：

x2xf,2xr,2lnxf,2xr,20.100.050.072

0.10ln0.05（1）：先计算第二段，氧浓度从10%降到5%。

ON224.PrPtPh110 0.1xr,i110.072B0.512.4225 0.513.20.10.11PrPr渗透物中氧的浓度

xp,CO22BBxr,i1Pr0.524.22.42252.42250.0723.20.10.50.2

由物料衡算可以求出原料和渗透物流量，进而求出所需膜面积。

qf,2qp,210

0.q1f,20.q2p0,210 0.05得：

qf,215m/h 和 qp,2=5m/h

PO232phx2plxp,20.137(100.0721.00.2)0.071m(STP)/mhbar

l333JO2qO2qp0.201m/h

第二段膜面积：

A2qO/JO221.00.0713214.08m

（2）：计算第一段： qr,1qf,215m/h

x10.210.100.148

0.21ln0.1第一段中氧的对数平均浓度： xr,i110.148B0.512.8025 0.513.20.10.11PrPr渗透物中氧浓度

xp,CO22BBxr,i1Pr0.524.22.80252.80250.1483.20.10.q36p,130.50.36

10.2q1f,1则

qf,1qp,130.115得：

qf,125m/h 和 qp,1=10m/h

PO32JO22phx1plxp,10.137(100.1481.00.36)0.153m(STP)/mhbar

lqO2qp0.363.6m/h 3第一段膜面积：

A1qO2JO23.60.15324.52

2故总膜面积：

A总A1A2386m

表明有可能得到两股产物流，即第一段的富氧物流和第二段的富氮物流，如下图所示：

4-9 四种具有不同分离因子的膜，分别用于渗透蒸发脱除恒沸酒精中的水制备无水乙醇，假定分离因子及总透过量Q与组成无关，四种膜的分离因子分别为10、50、100、1000。若进料混合物中的乙醇质量分数为95℅，试计算制成乙醇质量分数为99.5℅的产品1kg/h所需要的膜面积、进料量、透过量、透过物组成及乙醇的回收率。

解：（1）：分离因子110，wf95%，设透过物乙醇含量为wp，总透过量为Qp，进料量为Qf

(100wp)/wp(100wf)/wf(100wp)/wp(10095)/95 ∵10wp65.5%

∴对物料中乙醇做物料守恒：

Qp195%Qpwp199.5%Qp66.5%199.5%

解上述方程得：Qp0.152kg/hQfQp11.152kg/h ∴乙醇的回收率：QRQf11.152100%86.8%

（2）：分离因子150，wf95% ∵(100wp)/wp(100wf)/wf(100wp)/wp(10095)/9550wp27.5% ∴对物料中乙醇做物料守恒：

Qp195%Qpwp199.5%Qp27.5%199.5%

解上述方程得：Qp0.0666kg/hQfQp11.0666kg/h ∴乙醇的回收率：QRQf11.0666100%93.7%

（3）：分离因子1100，wf95% ∵(100wp)/wp(100wf)/wf(100wp)/wp(10095)/95100wp16.0%

∴对物料中乙醇做物料守恒：

Qp195%Qpwp199.5%Qp16.0%199.5%

解上述方程得：Qp0.0570kg/hQfQp11.0570kg/h ∴乙醇的回收率：QRQf11.0570100%94.6%