精馏习题及答案

1精馏习题课例题1.一分离苯、甲苯的常压精馏塔，按以下三种方式冷凝(图1，图2，图3)，塔顶第一板上升蒸汽浓度为含苯0.8(摩尔分率)，回流比均为2。(1)采用全凝器冷凝，在塔顶及回流处插二支温度计，测得温度分别为0t、1t，问0t、1t是否相等?为什么?并求0t、1t的值。(2)在图1，图2，图3三种冷凝情况下，第一板浓度为1y含苯0.8(摩尔分率)。①比较温度1t、2t、3t的大小；②比较回流液浓度1Lx、2Lx、3Lx的大小；③比较塔顶产品浓度1Dx、2Dx、3Dx的大小。将以上参数分别按顺序排列，并说明理由。(3)三种情况下精馏段操作线是否相同?在同一xy图上表示出来，并将三种情况下Dx、Lx、Vx的值在xy图上表示出来。已知阿托因常数如下(阿托因方程为)/(lg0TCBAp，其中P单位为mmHg，T单位为℃)：ABC苯6.897401206.35220.237甲苯6.9581343.91219.58例题2.用一连续精馏塔分离苯—甲苯混合液。进料为含苯0.4(质量分率，下同)的饱和液体，质量流率为1000kg/h。要求苯在塔顶产品中的回收率为98%，塔底产品中含苯不超过0.014。若塔顶采用全凝器，饱和液体回流，回流比取为最小回流比的1.25倍，塔底采用再沸器。全塔操作条件下，苯对甲苯的平均相对挥发度为2.46，塔板的液相莫弗里(Murphree)板效率为70%,并假设塔内恒摩尔溢流和恒摩尔汽化成立。试求：2①塔顶、塔底产品的流率D、W及塔顶产品的组成xD；②从塔顶数起第二块板上汽、液相的摩尔流率各为多少；③精馏段及提馏段的操作线方程；④从塔顶数起第二块实际板上升气相的组成为多少？例题3.如图所示，对某双组分混合液，分别采用简单蒸馏和平衡蒸馏方法进行分离，操作压力、原料液的量F、组成xF均相同。①若气相馏出物浓度（或平均浓度）相同，即平D简D＝xx,,，试比较残液（或液相产品）浓度xW，简、xW，平，气相馏出物量V简、V平；②若气相馏出物量相同，即V简=V平，试比较残液（或液相产品）浓度xW，简、xW，平，气相馏出物浓度（或平均浓度）平D简D、xx,,及残液（或液相产品）量。例题4.现成塔的操作因素分析：①操作中的精馏塔，将进料位置由原来的最佳位置进料向下移动几块塔板，其余操作条件均不变（包括F、xF、q、D、R），此时xD、xW将如何变化？②操作中的精馏塔，保持F、xF、q、D不变，而使V'减小，此时xD、xW将如何变化？③操作中的精馏塔，若保持F、R、q、D不变，而使xF减小，此时xD、xW将如何变化？④操作中的精馏塔，若进料量增大，而xF、q、R、V'不变，此时xD、xW将如何变化？例题5.如图所示，组成为0.4的料液（摩尔分率，下同），以饱和蒸汽状态自精馏塔底部加入，塔底不设再沸器。要求塔顶馏出物浓度xD=0.93，xW=0.21，相对挥发度α=2.7。若恒摩尔流假定成立，试求操作线方程。若理论板数可增至无穷，且F、xF、q、D/F不变，则此时塔顶、塔底产品浓度的比为多大？3精馏习题课答案例题1.解：(1)0t1t,因为0t是露点温度，1t是泡点温度。有两种求法：①图解法：在yxt图上从x=0.8处作垂线与xt线和yt线分别交于a、b点(如图1.28所示)a点对应温度为84.3℃，b点对应温度为89℃，即塔顶0t＝89℃，回流液1t＝84.3℃。②解析法：求塔顶温度，用露点方程试差：设0t＝89℃，组分A为苯，组分B为甲苯。代入阿托因方程得：237.2208935.120689740.6lg0ApmmHgpA6.991058.2198994.1343953.6lg0BpmmHgpB06.3960)06.3966.991(760)06.396760(6.991)()(0000BABAppPpppy0.8塔顶露点温度0t＝89℃求回流液温度，用泡点方程试差：设1t＝84.3℃同理由阿托因方程得：mmHgpA26.8630mmHgpB16.3390mmHgxpxppBBAA76044.7582.016.3398.026.86300回流液温度1t＝84.3℃(2)比较三种冷凝情况下的t、Lt、Dx①132ttt②231LLLxxx③132DDDxxx分析：从yxt图可得：132ttt；231LLLxxx4第一种情况：全凝器，LDxx1第二种情况：先部分冷凝(R=2)后全凝，由杠杆法则作图得12DDxx。第三种情况：从塔顶出来得轻组分的量相等，回流比皆为2，且231LLLxxx，由物料衡算，132DDDxxx。(3)求三种情况下的操作线及Lx、Dx、Vy的位置。三条操作线的斜率相同。均为321RR，所以三条线平行，但顶点不同，I线顶点为1a(8.0y，1Lxx)，Ⅱ线顶点2a(8.0y，2Lxx)；Ⅲ线顶点为3a(8.0y，3Lxx)。2a、3a、1a点的横坐标分别为三个回流液浓度231LLLxxx。2a、3a点作垂线交平衡线于2b、3b。1a、2b、3b的纵坐标分别为冷凝器上方气相浓度，123VVVyyy，塔顶产品浓度11VDyx；22VDyx而333LDVxxy。由物料领算定出3Dx以确定p点的位置(图1.30所示)5讨论：1.混合物冷凝过程中，温度由露点降到泡点，露点＞泡点。2．浓度y、x与流量V、L之间遵循杠杆法则。混合物中气液两相达平衡时，温度相同，而组成不同，yx。3.图解法对定性问题的分析直观，简洁。4.在生产中是采用全凝器还是分凝器视具体情况而定，分凝器的作用相当于一层理论板。采用分凝器的另一作用是合理利用热能。以酒精厂酒精精馏为例：第一分凝器温度高，用于预热原料。第二分凝器冷却水可作洗澡水。第三分凝器冷却水可作发酵用水。例题2.解：(1)44.092/)4.01(78/4.078/4.0/)1(//BFAFAFFMaMaMax01647.092/)014.01(78/014.078/014.0/)1(//BWAWAWWMaMaMax)/(65.11926.01000784.01000hkmolF根据物料衡算方程98.0FDWDFFxDxWxDxFxWDF6代入数据98.044.065.1101647.044.065.1165.11DDDxWDxWD解得925.0/22.6/43.5DxhkmolWhkmolD(2)求最小回流比：q=1,xe=xF=0.44659.044.0)146.2(144.046.2)1(1eeexxy215.144.0659.0659.0925.0mineeeDxyyxRR=1.25Rmin=1.519L=RD=1.159×5.43=8.25(kmol/h)V=(R+1)D=2.519×5.43=13.68(kmol/h)(3)精馏段操作线方程为3672.0603.01111nDnnxxRxRRy提馏段的操作线方程①)/(9.1965.1143.5519.1'hkmolqFRDqFLL0.00749-1.455x=01647.022.69.1922.622.69.199.19'''xxWLWxWLLyW②解q线方程与精馏段操作线方程组成的方程组3672.0603.044.0xyx得63252.044.0yx提馏段的操作线方程为744.001647.063252.001647.044.063252.0xy即0.00749-1.455xy(4)因为塔顶采用全凝器925.01Dxy由925.047.1147.2*1*11xxy解得834.0*1x7.0834.0925.0925.01*11xxxxxEDDmL8613.01x代入精馏段操作线方程886.03672.08613.0603.02y例题3.解：①如图，简单蒸馏过程可用11¹2¹2表示，气相组成由1¹逐渐降到2¹，故气相馏出物平均浓度在1¹2¹之间，图中用D点表示。平衡蒸馏过程：简,,D平Dxx，过程进行时，气液两相成平衡，在途中可用LD表示，L对应组成为xW，平。由图中可以看出：xW，简xW，平分析气相馏出物量V简、V平的大小：作物料衡算简简简简简简简单蒸馏,,WDFxWxVFxWVF211¹2¹DLtx(y)平简,,DDxxxFxW,平xW,简8FxxxxVWDWF简简简简,,,(1)平平平平平平平衡蒸馏,,WDxWxVFxFWVFFxxxxVWDWF平平平平,,,(2)(1)-(2)，得0))(())(())(())(())((,,,,,,,,,,,,,,,,,FxxxxxxxxFxxxxxxxxxxxxVVWDWDWWFDWDWDWDWFWDWF平平简简简平平平平简简简简平平平简平简平简VV②若气相馏出物量相同，即V简=V平,由物料衡算可知：W简=W平，由前述两过程的轻组分物平式相减)()(,,,,平简平简平平WWDDxxWxxV反证法：若xW,简≥xW,平，则简平,,DDxx若xW,简≥xW,平，由t-x-y图可知，平简,,DDxx，与上式矛盾，故只有xW,简≤xW,平，代入上式有简平,,DDxx讨论：(1)在相同的馏出物浓度下，简单蒸馏的气相馏出物产量达与平衡蒸馏的气相馏出物产量。(2)在相同的馏出物产量下，简单蒸馏的气相馏出物的平均浓度大于平衡蒸馏的气相馏出物211¹2¹DLtx(y)平简,,DDxxxFxW,简xW,平9xFx'F浓度；简单蒸馏的液相残余物的浓度小于平衡蒸馏的液相浓度。既简单蒸馏的分离效果较好，原因在于简单蒸馏过程是微分蒸馏过程，要经历无数次相平衡，而平衡蒸馏过程只经历一次相平衡。(3)t-x-y相图可知关分析两过程。例题4.解：①加料板下移几块塔板后，由原来的最佳位置变成了非最佳位置，由F、xF、q、D、R不变，可知两段操作线斜率R/(R+1),L¹/(L¹-W)均不变；设xD不变或变大，由物料衡算可知xW不变或变小，作图可知，此时所需的NT增大，而实际上NT不变，因此xD只能变小，由物料衡算xW变大。注：黑线为原来的，红线为xD变大，兰线为xD变小。②V¹=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F,V¹减小，而F、q、D不变，可知R减小→R/(R+1)减小→精馏段操作线靠近相平衡线→梯级跨度减小→达到同样分离要求所需N1增加，在N1不增加的情况下，只有xD下降。由物平WDFWxDxFx，由F、xF、D不变，xD下降，所以xW上升。OR:'1''''VWVWVVL,V¹减小，而F、D不变，''VL上升,提馏段操作线靠近相平衡线→梯级跨度减小→达到同样分离要求所需N2增加，在N2不增加的情况下，只有xW上升。③若保持F、R、q、D不变，则W不变，L、L¹不变→两段操作线斜率R/(R+1),L¹/(L¹-W)均不变。排除法：设xD不变或变大，由物料衡算可知xW变小，作图可知，此时所需的NT增大，而实际上NT不变，因此xD只能变小，由作图知xW变小。注：黑线为原来的，红线为xD变大，兰线为xD变小。④若进料量增大，而xF、q、R、V'不变，由V¹=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F不变可知D增大→L=RD↑→L¹=L+qF↑→''VL↑排除法：设xD不变或变小，作图可知，此时所需的NT减小，而实际上NT不变，因此xD只能增大，由作图知xW增大。10讨论：(1)首先将两段操作线的斜率变化趋势判断出来，这样可知其与平衡线间梯级跨度的变化情况，从而分析NT或产品组成的变化情况。(2)判断出xD、xW中之一的变化后，可由物料衡算关系判断另一组成的变化。(3)排