新版化工原理习题答案(09)第九章-蒸馏

1第九章蒸馏1．在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82℃，在该温度下，两组分的饱和蒸气压分别为*Ap=107.6kPa及*Bp＝41.85kPa，取样测得液面上方气相中组分A的摩尔分数为0.95。试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。解：本题可用露点及泡点方程求解。95.085.416.10785.416.107总总*B*A总*B总*AA总*AAppppppppxppy－解得76.99＝总pkPa8808.085.416.10785.4176.99*B*A*Bppppx总本题也可通过相对挥发度求解571.285.416.107*B*App由气液平衡方程得8808.095.01571.295.095.01yyyxkPa76.99kPa8808.0185.418808.06.1071A*BA*Axpxpp＝总2．试分别计算含苯0.4（摩尔分数）的苯—甲苯混合液在总压100kPa和10kPa的相对挥发度和平衡的气相组成。苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸气压和温度的关系为24.22035.1206032.6lg*Atp58.21994.1343078.6lg*Btp式中p﹡的单位为kPa，t的单位为℃。苯—甲苯混合液可视为理想溶液。（作为试差起点，100kPa和10kPa对应的泡点分别取94.6℃和31.5℃）解：本题需试差计算（1）总压p总＝100kPa初设泡点为94.6℃，则191.224.2206.9435.1206032.6lg*Ap得37.155*ApkPa同理80.158.2196.9494.1343078.6lg*Bp15.63*BpkPa4.03996.015.6337.15515.63100Ax或kPa04.100kPa15.636.037.1554.0＝总p则46.215.6337.155*B*App26212.04.046.114.046.2)1(1xxy（2）总压为p总＝10kPa通过试差，泡点为31.5℃，*Ap=17.02kPa，*Bp＝5.313kPa203.3313.502.17681.04.0203.214.0203.3y随压力降低，α增大，气相组成提高。3．在100kPa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和简单蒸馏。原料液处理量为100kmol，汽化率为0.44。操作范围内的平衡关系可表示为549.046.0xy。试求两种情况下易挥发组分的回收率和残液的组成。解：（1）平衡蒸馏（闪蒸）依题给条件56.044.01q则xxqxxqqy273.125.1156.055.0156.056.011F由平衡方程0.460.549yx联立两方程，得y=0.735，x=0.4045DF0.440.44100nnkmol=44kmol%8.58%10055.0100735.044%100FFDxnyn（2）简单蒸馏44Dnkmol56WnkmolW0.55FW100dlnln56xnxnyx即0.5490.5410.5798ln0.540.5490.540.55Wx解得xW=0.37857683.03785.055.0445655.0WFDWFxxnnxy%46.61%10055.01007683.044A简单蒸馏收率高（61.46%），釜残液组成低（0.3785）4．在一连续精馏塔中分离苯含量为0.5（苯的摩尔分数，下同）苯—甲苯混合液，其流量为100kmol/h。已知馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05，试求（1）馏出液的流量和苯的收率；（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能的流量。解：（1）馏出液的流量和苯的收率hkmol50hkmol05.095.005.05.0100WDWFFn,Dn,xxxxqq%95%1005.010095.050%100FFn,DDn,Axqxq（2）馏出液的最大可能流量当ηA=100%时，获得最大可能流量，即3kmol/h52.63kmol/h95.05.0100DFFn,Dmaxn,xxqq5．在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。原料液的处理量为100kmol/h，其组成为0.45（易挥发组分A的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为96％，釜液的组成为0.033。试求（1）馏出液的流量和组成；（2）若操作回流比为2.65，写出精馏段的操作线方程；（3）提馏段的液相负荷。解：（1）馏出液的流量和组成由全塔物料衡算，可得kmol/h43.2kmol/h45.010096.096.0FFn,DDn,xqxqkmol/h1.8kmol/h45.010096.01WWn,xqn,W1.80.033qkmol/h=54.55kmol/hn,Dn,Fn,W10054.55qqqkmol/h=45.45kmol/h9505.045.452.43Dx（2）精馏段操作线方程2604.0726.065.39505.065.365.211DxxRxxRRy（3）提馏段的液相负荷kmol/h4.202kmol/h10045.4565.2Fn,Dn,Fn,Ln,Ln,qRqqqqq6．在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。进料量为60kmol/h，其组成为0.46（易挥发组分的摩尔分数，下同），原料液的泡点为92℃。要求馏出液的组成为0.96，釜液组成为0.04，操作回流比为2.8。试求如下三种进料热状态的q值和提馏段的气相负荷。（1）40℃冷液进料；（2）饱和液体进料；（3）饱和蒸气进料。已知：原料液的汽化热为371kJ/kg，比热容为1.82kJ/(kg·℃)。解：由题给数据，可得kmol/h.3972kmol/h04.096.004.046.060WDWFFn,Dn,xxxxqqkmol/h32.61kmol/h39.2760Wn,q（1）40℃冷液进料q值可由定义式计算，即255.1371409282.111FbPrttcqh119.4kmol/kmol/h60255.1139.2718.211Dn,FqqRV（2）饱和液体进料此时q=1.1kmol/h041kmol/h39.278.31Dn,qRVV（3）饱和蒸气进料q=0.1kmol/h44kmol/h601.104Fn,qVV三种进料热状态下，由于q的不同，提馏段的气相负荷（即再沸器的热负荷）有明显差异。饱和蒸气进料V′4最小。7．在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。原料液流量为50kmol/h，要求馏出液中易挥发组分的收率为94％。已知精馏段操作线方程为y=0.75x+0.238；q线方程为y=2-3x。试求（1）操作回流比及馏出液组成；（2）进料热状况参数及原料的总组成；（3）两操作线交点的坐标值xq及yq；（4）提馏段操作线方程。解：（1）操作回流比及馏出液组成由题给条件，得75.01RR及238.01DRx解得R=3，xD=0.9522）进料热状况参数及原料液组成由于31qq及21Fqx解得q=0.75（气液混合进料），xF=0.5（3）两操作线交点的坐标值xq及yq联立操作线及q线两方程，即238.075.0xy23yx解得xq=0.4699及yq=0.5903（4）提馏段操作线方程其一般表达式为WVn,Wn,Vn,Ln,xqqxqqy式中有关参数计算如下：kmol/h68.24kmol/h952.05.05094.0DFFn,ADn,xxqqn,Wn,Fn,D5024.68qqqkmol/h=25.32kmol/h0592.032.255.05094.011Wn,FFn,AWqxqxn,Ln,Dn,F324.680.7550qRqqqkmol/h=111.54kmol/hn,Vn,Ln,W111.5425.32qqqkmol/h=86.22kmol/h则111.5425.320.05921.2940.0173986.2286.22yxx8．在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液，其组成为0.48（苯的摩尔分数，下同），泡点进料。要求馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.05。操作回流比为2.5，平均相对挥发度为2.46，试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。解：由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。习题8附表x00.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0xxy46.1146.200.1150.2140.3810.5130.6210.7110.7870.8520.9080.9571.050.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0115dbxWxDcaexFyX习题8附图在x–y图上作出平衡线，如本题附图所示。由已知的xD，xF，xW在附图上定出点a、e、c。精馏段操作线的截距为271.015.295.01RxD，在y轴上定出点b，连接点a及点b，即为精馏段操作线。过点e作q线（垂直线）交精馏段操作线于点d。连接cd即得提馏段操作线。从点a开始，在平衡线与操作线之间绘阶梯，达到指定分离程度需11层理论板，第5层理论板进料。9．在板式精馏塔中分离相对挥发度为2的两组分溶液，泡点进料。馏出液组成为0.95（易挥发组分的摩尔分数，下同），釜残液组成为0.05，原料液组成为0.6。已测得从塔釜上升的蒸气量为93kmol/h，从塔顶回流的液体量为58.5kmol/h，泡点回流。试求（1）原料液的处理量；（2）操作回流比为最小回流比的倍数。解：（1）原料液的处理量由全塔的物料衡算求解。对于泡点进料，q=1kmol/h931Dn,Vn,Vn,qRqqn,Dn,Vn,L9358.5qqqkmol/h=34.5kmol/hDn,Fn,Wn,qqq则05.05.345.3495.06.0Fn,Fn,qq解得n,F56.45qkmol/h（2）R为Rmin的倍数5.34193RR=1.70对于泡点进料，Rmin的计算式为333.16.01)95.01(26.095.01)1(11FDFDminxxxxR于是275.1333.17.1minRR10．在常压连续精馏塔内分离苯—氯苯混合物。已知进料量为85kmol/h，组成为0.45（易挥发组分的摩尔分数，下同），泡点进料。塔顶馏出液的组成为0.99，塔底釜残液组成为0.02。操作回流比为3.5。塔顶采用全凝器，泡点回流。苯、氯苯的汽化热分别为30.65kJ/mol和36.52kJ/mol。水的比热容为4.187kJ/(kg·℃)。若冷却水通过全凝器温度升高15℃，加热蒸汽绝对压力为500kPa（饱和温度为151.7℃，汽化热为2113kJ/kg）。试求冷却水和加热蒸汽的流量。忽略组分汽化热随温度的变化。解：由题给条件，可求得塔内的气相负荷，即h37.94kmol/kmol/h02.099.002.045.085WDWFFn,Dn,xxxxqq对于泡点进料，精馏段和提馏段气相负荷相同，则kmol/h170.7kmol/h94.375.41Dn,Vn,V