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化工
题目

题:欲求脱丁烷塔塔釜温度,工厂技术人员通过釜液取样分析该混合物的组成为0.05乙烷,0.30丙烷,0.65正丁烷(摩尔分数),操作压力下各组分的平衡常熟可按下式进行计算,试求其塔釜温度(泡点温度)。乙烷丙烷正丁烷K=0.13333t+4.6667K=0.6667t+1.13333K=0.02857t+0.08571(t的单位为^circC)初值为T=5^circC

题:欲求脱丁烷塔塔釜温度,工厂技术人员通过釜液取样分析该混合物的组成为0.05乙烷,0.30丙烷,0.65正丁烷(摩尔分数),操作压力下各组分的平衡常熟可按下式进行计算,试求其塔釜温度(泡点温度)。 乙烷 丙烷 正丁烷 K=0.13333t+4.6667 K=0.6667t+1.13333 K=0.02857t+0.08571(t的单位为$^\circ$C) 初值为$T=5^\circ$C

题目解答

答案

根据泡点条件 $ \sum K_i x_i = 1 $,将 $ K_i $ 表达式代入: \[ 0.05(0.1333t + 4.6667) + 0.30(0.6667t + 1.1333) + 0.65(0.02857t + 0.08571) = 1. \] 化简得: \[ 0.2252455t + 0.6290365 = 1. \] 解得: \[ t = \frac{0.3709635}{0.2252455} \approx 1.65^\circ C. \] 或通过试算法: - $ t = 0^\circ C $ 时,$ \sum K_i x_i = 0.6290365 < 1 $。 - $ t = 5^\circ C $ 时,$ \sum K_i x_i = 1.755264 > 1 $。 - 线性插值得 $ t \approx 1.65^\circ C $。 最终结果:塔釜泡点温度约为 $ 1.65^\circ C $。

解析

考查要点:本题主要考查泡点温度的计算,需要利用各组分的平衡常数与温度的关系,结合泡点条件建立方程求解。

解题核心思路:

  1. 泡点条件:混合物的泡点温度满足 $\sum K_i x_i = 1$,其中 $K_i$ 是各组分的平衡常数,$x_i$ 是液相摩尔分数。
  2. 代入平衡常数表达式:将题目中给出的 $K_i$ 与温度 $t$ 的线性关系代入方程,展开并化简,解关于 $t$ 的一元一次方程。
  3. 试算法验证:若方程复杂,可通过试算不同温度下的 $\sum K_i x_i$ 值,利用线性插值逼近结果。

步骤1:建立方程

根据泡点条件 $\sum K_i x_i = 1$,将各组分的 $K_i$ 表达式代入:
$0.05(0.13333t + 4.6667) + 0.30(0.6667t + 1.13333) + 0.65(0.02857t + 0.08571) = 1.$

步骤2:展开并合并同类项

展开各项并整理:

  • 乙烷项:$0.05 \times 0.13333t = 0.0066665t$,$0.05 \times 4.6667 = 0.233335$
  • 丙烷项:$0.30 \times 0.6667t = 0.20001t$,$0.30 \times 1.13333 = 0.339999$
  • 正丁烷项:$0.65 \times 0.02857t = 0.0185705t$,$0.65 \times 0.08571 = 0.0555115$

合并后方程为:
$(0.0066665 + 0.20001 + 0.0185705)t + (0.233335 + 0.339999 + 0.0555115) = 1,$
即:
$0.225247t + 0.6288455 = 1.$

步骤3:解方程

移项得:
$t = \frac{1 - 0.6288455}{0.225247} \approx \frac{0.3711545}{0.225247} \approx 1.65^\circ \text{C}.$

步骤4:试算法验证

  • $t = 0^\circ \text{C}$:$\sum K_i x_i = 0.6288455 < 1$
  • $t = 5^\circ \text{C}$:$\sum K_i x_i = 1.75527 > 1$
    通过线性插值,计算得 $t \approx 1.65^\circ \text{C}$,与代数解一致。

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