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化工
题目

在 100 , (kPa) 压力下将组成为 0.55(易挥发组分的摩尔分数)的两组分理想溶液进行平衡蒸馏。原料液处理量为 100 , (kmol),汽化率为 0.44。操作范围内的平衡关系可表示为 y = 0.46x + 0.549。则进行平衡蒸馏时易挥发组分的气相组成为__________。

在 $100 \, \text{kPa}$ 压力下将组成为 0.55(易挥发组分的摩尔分数)的两组分理想溶液进行平衡蒸馏。原料液处理量为 $100 \, \text{kmol}$,汽化率为 0.44。操作范围内的平衡关系可表示为 $y = 0.46x + 0.549$。则进行平衡蒸馏时易挥发组分的气相组成为__________。

题目解答

答案

根据物料平衡方程 $ F x_F = V y + L x $,可得: \[ 55 = 44 y + 56 x \] 结合平衡关系 $ y = 0.46x + 0.549 $,将 $ y $ 代入得: \[ 55 = 76.24x + 24.156 \] 解得 $ x \approx 0.4045 $。 将 $ x $ 代入 $ y = 0.46x + 0.549 $,得: \[ y \approx 0.46 \times 0.4045 + 0.549 \approx 0.735 \] 最终结果为:气相中易挥发组分的组成为 $ y \approx 0.735 $。 答案:$ y \approx 0.735 $。

解析

考查要点:本题主要考查平衡蒸馏中的物料平衡方程与相平衡关系的联立求解,需要结合汽化率计算气液相组成。

解题核心思路:

  1. 确定汽化率对应的气液相总量:根据汽化率计算蒸气体积(V)和剩余液体体积(L)。
  2. 建立物料平衡方程:利用易挥发组分的总物料守恒,即原料中的易挥发组分等于气相和液相中的总和。
  3. 联立相平衡关系:将相平衡关系代入物料平衡方程,解出液相组成(x),再求气相组成(y)。

破题关键点:

  • 正确应用物料平衡方程:$F x_F = V y + L x$。
  • 准确代入相平衡关系:$y = 0.46x + 0.549$,避免代数错误。

步骤1:确定气液相总量

  • 原料液总量 $F = 100 \, \text{kmol}$,汽化率 $\alpha = 0.44$,则:
    • 蒸气体积 $V = F \cdot \alpha = 100 \cdot 0.44 = 44 \, \text{kmol}$,
    • 剩余液体积 $L = F - V = 100 - 44 = 56 \, \text{kmol}$。

步骤2:建立物料平衡方程

根据易挥发组分的物料守恒:
$F x_F = V y + L x$
代入已知数据 $F x_F = 100 \cdot 0.55 = 55$,得:
$55 = 44 y + 56 x \quad \text{(1)}$

步骤3:联立相平衡关系

相平衡关系为 $y = 0.46x + 0.549$,将其代入方程(1):
$55 = 44 (0.46x + 0.549) + 56x$
展开并整理:
$55 = 20.24x + 24.156 + 56x \\ 55 = 76.24x + 24.156 \\ 76.24x = 30.844 \\ x \approx 0.4045$

步骤4:求气相组成

将 $x \approx 0.4045$ 代入相平衡关系:
$y = 0.46 \cdot 0.4045 + 0.549 \approx 0.735$

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