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 $。
解析
考查要点:本题主要考查平衡蒸馏中的物料平衡方程与相平衡关系的联立求解,需要结合汽化率计算气液相组成。
解题核心思路:
- 确定汽化率对应的气液相总量:根据汽化率计算蒸气体积(V)和剩余液体体积(L)。
- 建立物料平衡方程:利用易挥发组分的总物料守恒,即原料中的易挥发组分等于气相和液相中的总和。
- 联立相平衡关系:将相平衡关系代入物料平衡方程,解出液相组成(x),再求气相组成(y)。
破题关键点:
- 正确应用物料平衡方程:$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:
$y = 0.46 \cdot 0.4045 + 0.549 \approx 0.735$