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例0-1 每小时有10吨5%的乙醇水溶液进入精馏塔,塔顶馏出的产品中含乙醇95%,塔底排出的废水中含乙醇0.1%。求每小时可得产品多少吨?若废水全部排放,每年(按操作7200小时计)损失的乙醇多少吨?

例0-1 每小时有10吨5%的乙醇水溶液进入精馏塔,塔顶馏出的产品中含乙醇95%,塔底排出的废水中含乙醇0.1%。求每小时可得产品多少吨?若废水全部排放,每年(按操作7200小时计)损失的乙醇多少吨?

题目解答

答案

设每小时进入精馏塔的乙醇量为 $ 10 \times 0.05 = 0.5 $ 吨。 设每小时从塔顶得到的产品量为 $ P $ 吨,其中乙醇含量为 $ 0.95P $ 吨。 每小时从塔底排出的废水量为 $ 10 - P $ 吨,其中乙醇含量为 $ (10 - P) \times 0.001 $ 吨。 根据乙醇守恒,有: \[ 0.5 = 0.95P + (10 - P) \times 0.001 \] 解得: \[ P = \frac{0.5 - 0.01}{0.95 - 0.001} = \frac{0.49}{0.949} \approx 0.5163 \text{ 吨} \] 每小时从废水中损失的乙醇量为: \[ (10 - 0.5163) \times 0.001 \approx 0.0094837 \text{ 吨} \] 每年(7200小时)损失的乙醇量为: \[ 0.0094837 \times 7200 \approx 68.28 \text{ 吨} \] **答案:** 每小时可得产品约 $ 0.5163 $ 吨,每年损失乙醇约 $ 68.28 $ 吨。

解析

考查要点:本题主要考查质量守恒原理在乙醇精馏过程中的应用,以及单位换算和比例计算的能力。

解题核心思路:

  1. 乙醇总量守恒:进入精馏塔的乙醇总量等于塔顶产品和塔底废水中乙醇的总和。
  2. 设定变量:通过设每小时产品量为未知数,建立方程求解。
  3. 年损失计算:将小时损失量按年操作时间累加。

破题关键点:

  • 正确表示塔顶和塔底的乙醇含量,建立守恒方程。
  • 注意百分比与小数的转换(如0.1%对应0.001)。

步骤1:计算进入精馏塔的乙醇总量
每小时进入的乙醇量为:
$10 \, \text{吨} \times 5\% = 0.5 \, \text{吨}$

步骤2:设定变量并表示乙醇分布

  • 设每小时产品量为 $P$ 吨,其中乙醇含量为 $0.95P$ 吨。
  • 废水量为 $10 - P$ 吨,其中乙醇含量为 $(10 - P) \times 0.1\% = (10 - P) \times 0.001$ 吨。

步骤3:建立乙醇守恒方程
根据总乙醇量守恒:
$0.5 = 0.95P + (10 - P) \times 0.001$

步骤4:解方程求产品量
展开并整理方程:
$\begin{align*}0.5 &= 0.95P + 0.01 - 0.001P \\0.5 - 0.01 &= 0.949P \\P &= \frac{0.49}{0.949} \approx 0.5163 \, \text{吨}\end{align*}$

步骤5:计算小时损失量
废水中乙醇量为:
$(10 - 0.5163) \times 0.001 \approx 0.0094837 \, \text{吨/小时}$

步骤6:计算年损失量
年损失量为:
$0.0094837 \, \text{吨/小时} \times 7200 \, \text{小时} \approx 68.28 \, \text{吨}$

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