分离工程 叶庆国 - 副本.doc

一. 例题详解1. 填空题(1) 分离作用是由于加入（分离剂）而引起的，因为分离过程是（熵减过程）。(2) 分离过程是（混合过程）的逆过程，因此需加入（分离剂）来达到分离目的。(3) 衡量分离的程度用（分离因子）表示，处于相平衡状态的分离程度是（固有分离因子）.(4) 工业上常用（分离因子）表示特定物系的分离程度，汽液相物系的最大分离程度又称为（固有分离因子）。(5) 分离因子表示任一分离过程所达到的（分离程度），其定义为（）。(6) 分离因子（等于1），则表示组分i及j之间不能被分离。(7) 分离剂可以是（能量ESA）或（物质MSA），有时也可两种同时应用。(8) 平衡分离的分离基础是利用两相平衡（组成不等）的原理，常采用（平衡级）作为处理手段，并把其它影响归纳于（效率中）。(9) 速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（推动力）作用下经过某种介质时的（传质速率）差异而实现分离。(10) 分离过程是将一混合物转变为组成（互不相同）的两种或几种产品的哪些操作。(11) 固有分离因子是根据（汽液相平衡）来计算的。它与实际分离因子的差别用（板效率）来表示。(12) 分离工程研究分离过程中分离设备的（共性规律）。1. 填空题(1) 分离剂可以是（）或（），有时也可两种同时应用。(2) 平衡分离的分离基础是利用两相平衡（）的原理，常采用（）作为处理手段，并把其它影响归纳于（）中。(3) 速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（）作用下经过某种介质时的（）差异而实现分离。(4) 分离过程是将一混合物转变为组成（）的两种或几种产品的哪些操作。单级平衡分离例题详解1. 填空题(1) 汽液相平衡是处理（汽液传质分离）过程的基础。相平衡的条件是（所有相中温度压力相等，每一组分的化学位相等）。(2) 当混合物在一定的温度、压力下，满足（）条件即处于两相区，可通过（物料平衡和相平衡）计算求出其平衡汽液相组成。2. 简答题(1) 什么叫露点，精馏塔顶温度如何处理？露点温度（压力）是在恒压（温）下冷却气体混合物，当气体混合物开始冷凝出现第一个液滴时的温度（压力），简称露点。精馏塔塔顶温度即为对应塔顶汽相组成的露点。(2) 怎样判断混合物在T，P下的相态，若为两相区其组成怎样计算？对进料作如下检验。 = 1 进料处于泡点， 1 可能为汽液两相区，0 1 1 可能为汽液两相区，1 进料为过热蒸汽计算时，所指定的温度应在泡露点温度之间，这样才会出现汽液两相，否则只会是单相不必进行等温闪蒸的计算。只有 1和 1时，混合物始处于汽液两相区（01.001，表明所设温度偏高。 由题意知液相中含量最大的是苯，由式(2-62)得： 可得 重复上述步骤： ； ； ； ； ； 在温度为367.78K时，存在与之平衡的汽相，组成为：苯0.7765、甲苯0.1511、对二甲苯0.066675。(2)用相对挥发度法： 设温度为368K，取对二甲苯为相对组分。计算相对挥发度的： ； ；组分i苯(1)甲苯(2)对二甲苯(3)0.500.250.251.0005.8072.3531.0002.90350.58830.25003.74180.77600.15720.06681.0000解2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95苯： ； 甲苯： ；对二甲苯：；选苯为参考组分：；解得T2=94.61；=0.6281=0.2665故泡点温度为94.61，且；(2)相对挥发度法设t=95，同上求得=1.569，=0.6358，=0.2702，故泡点温度为95，且；(2) 一烃类混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及异丁烷55%，试求混合物在25时的泡点压力和露点压力。解1：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可以看成理想溶液，值只取决于温度和压力。可使用烃类的P-T-K图。 泡点压力的计算：75348 假设P=2.0MPa，因T=25，查图求组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919=0.9191，说明所设压力偏高，重设P=1.8MPa组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.009.41.950.620.280.470.1950.1860.1541.005=1.0051，故泡点压力为1.8MPa。 露点压力的计算：假设P=0.6MPa，因T=25,查图求组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.0026.05.01.60.640.00190.020.18750.85941.0688=1.06881.00，说明压力偏高，重设P=0.56MPa。组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006=1.0061，故露点压力为0.56MPa。解2：(1)求泡点压力：设P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列线图得=16.5=3.2=1.0=0.43所以选异丁烷为参考组分，查得P=1771KPa在此条件下求得=1.021，继续调整，查得P=1800KPa求得：，故混合物在25的泡点压力为1800KPa序号组分1000KPa2000KPa1770KPa1800KPa1甲烷0.0516.50.8258.40.429.60.489.40.472乙烷0.103.20.321.750.1751.950.1951.920.1923丙烷0.301.00.300.570.1710.630.1890.620.1864异丁烷0.550.430.240.2560.1410.2850.1570.2790.1531.001.680.9071.001(2)求露点压力设P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列线图得=16.5=3.2=1.0=0.43所以选异丁烷为参考组分由25，=0.694查得P=560KPa，查得各组分的值求得故混合物在25时的露点压力为560KPa序号组成组成1000KPa560KPa1甲烷0.0516.50.00327.50.0022乙烷0.103.20.0315.200.0193丙烷0.301.00.301.700.1764异丁烷0.550.431.280.6940.7931.6140.990(3) 含有80%(mol)醋酸乙酯(A)和20%乙醇(E)的二元物系，液相活度系数用Van Laar方程计算，=0.144，=0.170。试计算在101.3kPa压力下的泡点温度和露点温度。安托尼方程为： 醋酸乙酯： 乙醇： (PS：Pa ；T：K)解1：泡点温度 此时， 设T=350K 所以泡点温度为350K。露点温度此时，设T=350K， 设， 所以露点温度为350K。解2：(1)计算活度系数：=1.0075=1.107(2)计算泡点温度设T=353.15K(80)调整解得T2=349.65，即T2=76.50=11.504=11.453=0.9857=1.0288故泡点温度为76.5(3)计算露点温度设T=353.15K(80)解得T2=349.67K(76.52)=11.505=11.454故露点温度为76.52(4) 组成为60%(mol)苯，25%甲苯和15%对二甲苯的100kmol液体混合物，在101.3kPa和100下闪蒸。试计算液体和气体产物的量和组成。假设该物系为理想溶液。用安托尼方程计算蒸气压。解：在373K下 苯： 甲苯： 对二甲苯： 计算混合组分的泡点TB TB=364.076K 计算混合组分的露点TD TD=377.83K此时：x1=0.38，x2=0.3135，x3=0.3074，L=74.77kmol； y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968，V=25.23kmol。(5) 用图中所示系统冷却反应器出来的物料，并从较重烃中分离轻质气体。计算离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。从反应器出来的物料温度811K，组成如下表。闪蒸罐操作条件下各组分的K值：氢-80；甲烷-10；苯-0.01；甲苯-0.004组分流率，mol/h氢200甲烷200苯50甲苯10解：以氢为1，甲烷为2，苯为3，甲苯为4。总进料量为F=460kmol/h，又K1=80，K2=10，K3=0.01，K4=0.004由式(2-72)试差可得：=0.87，由式(2-68)计算得：y1=0.4988，y2=0.4924，y3=0.008，y4=0.0008；V=400.2mol/h。(6) 下图所示是一个精馏塔的塔顶部分。图中以表示出总精馏物的组成，其中10%(mol)作为汽相采出。若温度是311K，求回流罐所用压力。给出该温度和1379kPa压力下的K值为：C2-2.7；C3-0.95；C4-0.34，并假设K与压力成正比。解：由图中可知zC2=0.10，zC3=0.20，zC4=0.70；由题意知：，=0.1，由式(2-72)试差得：P=2179kPa。(7) 在101.3kPa下，对组成为45%(摩尔)正己烷，25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。 求泡点和露点温度 将此混合物在101.3kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度，两相的组成。解：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可看成理想溶液，KI只取决于温度和压力，可使用烃类的P-T-K图。 泡点温度计算得：TB=86。 露点温度计算得：TD=100。由式(2-76)求T的初值为93，查图求KI组分正己烷正庚烷正辛烷zi0.450.250.30Ki1.920.880.410.2836-0.0319-0.2511所以闪蒸温度为93。由式(2-77)、(2-68)计算得：xC6=0.308，xC7=0.266，xC8=0.426yC6=0.591，yC7=0.234，yC8=0.175所以液相中含正己烷30.8%，正庚烷26.6%，正辛烷42.6%； 汽相中含正己烷59.1%，正庚烷23.4%，正辛烷17.5%。一. 练习题1. 填空题(1) 单级分离是指两相经（）后随即引离的过程。(2) 常用的气液相平衡关系为（）。(3) 相对挥发度的定义为两组分的()之比，它又称为（）。(4) 根据炮、露点的概念，精馏塔塔顶温度即为对应塔顶气相组成的（），塔釜温度即为对应塔釜液相组成的（）。(5) 用于泡点计算的调整公式为（）。(6) 平衡常数与组成有关的露点计算，需迭代露点温度或压力外，还需对（）进行试差。(7) 在分离流程中常遇到的部分汽化和冷凝过程属（）。(8) 在进行闪蒸计算时，需判断混合物在指定温度和压力下是否处于（）。(9) 当混合物在一定的温度和压力下，满足（）条件，混合物处于（）。(10) 等温闪蒸计算目标函数对收敛速度和稳定性有很大影响，采用Newton-Raphson法时，较好的目标函数为（）。(11) 绝热闪蒸与等温闪蒸计算不同点是需要考虑（）。2. 选择题(1) 计算溶液泡点时，若，则说明a.温度偏低 b.正好泡点 c.温度偏高(2) 在一定温度和压力下，由物料组成计算出的，且，该进料状态为a.过冷液体 b.过热气体 c.汽液混合物(3) 计算溶液露点时，若，则说明22a.温度偏低b.正好泡点 c.温度偏高(4) 进行等温闪蒸时，对满足什么条件时系统处于两相区22 a. b. c. d.(5) 5.气液两相均可视为理想溶液时，其气液相平衡关系为：A.iVPyi=PiSfiO Lxi B. iVPyi=iSPiS xi C. iVPyi=iSPiSxi3. 简答题(1) 什么叫露点，精馏塔顶温度如何处理？(2) 相平衡关系可用几种方法来表达。(3) 就活度系数法计算气液平衡常数的通式，分以下几种情况进行讨论：(4) 气相为理想气体，液相为理想溶液；(5) 气相为理想气体，液相为非理想溶液；(6) 气相为理想溶液，液相为理想溶液；(7) 气相为理想溶液，液相为非理想溶液。(8) 怎样判断混合物在T，P下的相态，若为两相区其组成怎样计算？(9) 用逐次逼近法进行等焓闪蒸计算时，什么情况下汽化率作为内循环，温度T作为外循环，为什么？(10) 简述绝热闪蒸计算的计算方法和特点。第二章 多组分多级分离过程分析与简捷计算例题详解1. 填空题(1) 萃取精馏塔在萃取剂加入口以上需设（萃取剂回收段）。(2) 最低恒沸物，压力降低是恒沸组成中汽化潜热（小）的组分增加。(3) 吸收因子为（），其值可反应吸收过程的（难易程度）。(4) 对一个具有四块板的吸收塔，总吸收量的80%是在（塔顶釜两块板）合成的。(5) 吸收剂的再生常采用的是（用蒸汽或惰性气体的蒸出塔），（用再沸器的蒸出塔），（用蒸馏塔）。(6) 精馏塔计算中每块板由于（组成）改变而引起的温度变化，可用（泡露点方程）确定。(7) 用于吸收过程的相平衡关系可表示为（L = AV）。(8) 多组分精馏根据指定设计变量不同可分为（设计）型计算和（操作）型计算。(9) 在塔顶和塔釜同时出现的组分为（分配组分）(10) 吸收过程在塔釜的限度为（），它决定了吸收液的（该组分的最大浓度）。(11) 吸收过程在塔顶的限度为（），它决定了吸收剂中（自身挟带）。(12) 吸收的相平衡表达式为（L = AV），在（温度降低，压力升高）操作下有利于吸收，吸收操作的限度是（，）。(13) 若为最高沸点恒沸物，则组分的无限稀释活度系数与饱和蒸汽压的关系式为（）。(14) 解吸收因子定义为（S= VK / L），由于吸收过程的相平衡关系为（V = SL）。(15) 吸收过程主要在（塔顶釜两块板）完成的。(16) 吸收有（1个）关键组分，这是因为（单向传质）的缘故。(17) 图解梯级法计算多组分吸收过程的理论板数，假定条件为（三组分物系中，xA与xS的比值与共沸物中组分A与组分B的相对量一样），因此可得出（AB,SB）的结论。(18) 在塔顶和塔釜同时出现的组分为（分配组分）。(19) 恒沸剂的沸点应显著比原溶液沸点（大10K）以上。(20) 吸收过程只有在（贫气吸收）的条件下，才能视为恒摩尔流。(21) 吸收过程计算各板的温度采用（热量衡算）来计算，而其流率分布则用（简捷计算）来计算。(22) 在一定温度和组成下，A,B混合液形成最低沸点恒沸物的条件为（）。(23) 对多组分吸收，当吸收气体中关键组分为重组分时，可采用（吸收蒸出塔）的流程。(24) 非清晰分割法假设各组分在塔内的分布与在（全回流）时分布一致。(25) 精馏有（2）个关键组分，这是由于（双向传质）的缘故(26) 采用液相进料的萃取精馏时，要使萃取剂的浓度在全塔内为一恒定值，所以在（进料时补加一定的萃取剂）。(27) 当原溶液为非理想型较强的物系，则加入萃取剂起（稀释）作用。(28) 要提高萃取剂的选择性，可（增大）萃取剂的浓度。(29) 29.对多组分吸收，当吸收气体中关键组分为重组分时，可采用（吸收蒸出塔）的流程。(30) 吸收过程发生的条件为(溶质由气相溶于液相，PiPi*,yiyi*)，其限度为（）。2. 计算题(1) 在一精馏塔中分离苯(B)，甲苯(T)，二甲苯(X)和异丙苯(C)四元混合物。进料量200mol/h，进料组成zB=0.2,zT=0.1,zX=0.4(mol)。塔顶采用全凝器，饱和液体回流。相对挥发度数据为：=2.25，=1.0，=0.33，=0.21。规定异丙苯在釜液中的回收率为99.8%，甲苯在馏出液中的回收率为99.5%。求最少理论板数和全回流操作下的组分分配。解：根据题意顶甲苯(T)为轻关键组分，异丙苯(C)为重关键组分，则苯(B)为轻组分，二甲苯(X)为中间组分。以重关键组分计算相对挥发度。由分离要求计算关键组分在塔顶釜的分配。所以由与求出非关键组分的分布苯： =0，=2000.2=40Kmol/h二甲苯：，+=2000.1=20求得=1.06，=18.94，物料平衡结果见下表：组分苯(B)0.2400.39600甲苯(T)0.359.90.5920.30.003异丙苯(C)0.40.160.00279.840.806100.921.0099.081.00(2) 某1、2两组分构成二元系，活度系数方程为，端值常数与温度的关系：A=1.7884-4.2510-3T (T，K)蒸汽压方程为 (P：kPa：T：K)假设汽相是理想气体，试问99.75Kpa时系统是否形成共沸物？共沸温度是多少？解：设T为350K则A=1.7884-4.2510-3350=1.7884-1.4875=0.3009 ；=91.0284 kPa ；=119.2439 kPa 因为在恒沸点 由得 解得：=0.9487=0.0513；=1.0008；=1.3110P=1.00080.948791.0284+1.31100.0513119.2439=95.0692 kPa设T为340K则A=1.7884-4.2510-3340=0.3434；=64.7695 kPa；=84.8458 kPa由；解得：=0.8931=1-0.8931=0.1069；=1.0039；=1.3151P=1.00390.893164.7695+1.31510.106984.8458=69.9992 kPa设T为352K则A=1.7884-4.2510-3352=0.2924；=97.2143 kPa；=127.3473 kPa由；=0.9617=1-0.9617=0.0383；=1.0004；=1.3105P=1.00040.961797.2143+1.31050.0383127.3473=99.9202 kPa说明系统形成共沸物，其共沸温度为352K。判断，而=1.313，=1.002 ，且， 故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为344.5K。一. 练习题1. 选择题(1) 萃取精馏时若泡和液体进料，则溶剂加入位置点：a.精馏段上部 b.进料板 c.提馏段上部(2) 在一定温度和组成下，A，B混合液的总蒸汽压力为P，若，且，则该溶液a.形成最低恒沸物 b.形成最高恒沸物 c.不形成恒沸物(3) 吸收操作中，若要提高关键组分的相对吸收率应采用措施是a.提高压力 b.升高温度 c.增加液汽比d.增加塔板数(4) 最高恒沸物，压力增加使恒沸组成中汽花潜热小的组分a增加 b.不变 c.减小(5) 选择的萃取剂最好应与沸低低的组分形成a.正偏差溶液 b.理想溶液 c.负偏差溶液(6) 多组分吸收过程采用图解梯级法的依据是a.恒温操作 b.恒摩尔流 c.贫气吸收(7) 当萃取塔塔顶产品不合格时，可采用下列方法来调节a.加大回流比 b.加大萃取剂用量 c.增加进料量(8) 液相进料的萃取精馏过程，应该从何处加萃取剂a.精馏段 b.提馏段 c.精馏段和进料处 d.提馏段和进料板2. 简答题(1) 什么叫清晰分割法，什么叫不清晰分割法？(2) 什么是关键组分？非关键组分？分配组分与非分配组分？非关键组分是否就一定是非分配组分？(3) 非清晰分割的基本思想是什么？怎样做物料的预分布？(4) 怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数。(5) 萃取精馏的实质是什么？如何提高其选择性。(6) 萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。(7) 当时，画出其萃取工艺流程。(8) 甲醇（1），沸点337.7k，丙酮（2）沸点329.4k，溶液具有最低恒沸点，的非理想溶液，如用萃取精馏分离时，萃取剂应从酮类选还是从醇类选？请说明原因。(9) 什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸精馏流程。(10) 怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。(11) 恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对挥发度相近是否为同一概念。(12) 当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同，为什么？(13) 请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。(14) 简述精馏和吸收过程的主要不同点。(15) 怎样用简捷法计算吸收过程的理论板板数。(16) 当吸收效果不好时，能否用增加塔板数来提高吸收效率，为什么？(17) 精馏有两个关键组分，而吸收只有一个关键组分，为什么？(18) 组分的吸收因子是怎样定义的，推导i组分的吸收相平衡方程。(19) 叙述用简捷法作吸收过程物料预分布及理论板数的步骤。(20) 吸收因子如何定义？其值大小对设计塔高有何影响？(21) 请解释对于一般多组分吸收塔，为什么不易挥发的组分主要在塔釜几块板上吸收，而易挥发的组分主要在塔顶的几块板上吸收？(22) 试确定分配器、全凝器、分凝器的设计变量(23) 何为精馏？(24) 什么叫清晰分割法，什么叫不清晰分割法？(25) 什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸精馏流程。(26) 何为设计变量、何未定设计变量？(27) 何为关键组分，何为轻关键组分、何为重关键组分？(28) 何为轻非关键组分、何为重非关键组分？(29) 何为分配组分、何为非分配组分？(30) 何为特殊精馏？(31) 简述精馏和吸收过程的主要不同点。(32) 什么是萃取精馏，其实质是什么？如何提高其选择性。(33) 怎样用简捷法计算吸收过程的理论板板数。(34) 怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数。(35) 恒沸精流的基本原理，说明沸点相近和相对挥发度相近是否为同一概念。(36) 萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。(37) 当吸收效果不好时，能否用增加塔板数来提高吸收效率，为什么？(38) 什么是关键组分？非关键组分？分配组发与非分配组分？非关键组分是否就一定是非分配组分？(39) 非清晰分割的基本思想是什么？怎样做物料的预分布？(40) 精馏有两个关键组分，而吸收只有一个关键组分，为什么？(41) 当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同，为什么？(42) 怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。(43) 组分的吸收因子是怎样定义的，推导i组分的吸收相平衡方程。(44) 叙述用简捷法作吸收过程物料预分布及理论板数的步骤。(45) 当时，写出其工艺流程(46) 甲醇（1），沸点337.7k，丙酮（2）沸点329.4k，溶液具有最低恒沸点，的非理想溶液，如用萃取精馏分离时，萃取剂应从酮类选还是从醇类选？请说明原因。(47) 吸收因子如何定义？其值大小对设计塔高有何影响？(48) 请解释对于一般多组分吸收塔，为什么不易挥发的组分主要在塔釜几块板上吸收，而易挥发的组分主要在塔顶的几块板上吸收？(49) 什么是物理吸收和化学吸收？(50) 什么是平均有效吸收因子？ 第三分离设备的处理能力和效率一. 例题详解1. 填空题(1) 精馏过程的不可逆性表现在三个方面，即（通过一定压力梯度的动量传递），（通过一定温度梯度的热量传递或不同温度物流的直接混合）和（通过一定浓度梯度的质量传递或者不同化学位物流的直接混合）。(2) 通过精馏多级平衡过程的计算，可以决定完成一定分离任务所需的（理论板数），为表示塔实际传质效率的大小，则用（级效率）加以考虑。(3) 为表示塔传质效率的大小，可用（级效率）表示。2. 名次解释(1) 理论板：离开板的气液两相处于平衡的板叫做理论板。(2) 全塔效率：理论板数与实际板数的比值。二. 练习题1. 填空题(1) 可用（）准数表示板上液体的混合情况，当板上完全不混合时，则该准数（）。(2) 雾沫夹带是气液两相在传质后分离（）引起的。(3) 但板上液体达到完全混合时，点效率（）板效率。(4) 实际板上液相为（），古板商业相各点浓度（）。(5) 一般精馏过程的效率高于吸收过程，主要是因为精馏过程的（）。2. 选择题(1) 下面有关塔板效率的说法中哪些是正确的？a全塔效率可大于1 b.总效率必小于1 c.Murphere板效率可大于1 d.板效率必小于点效率(2) 当板上液体达到完全混合时，则：A. Pe=0 B. Pe= C. 0 Pe (3) 当板上液体呈活塞流，即不完全混合时，则:A. Pe=0 B. Pe= C. 0 Pe EOG B. EMV=EOG C. EMVEOG B. EMV=EOG C. EMV xC,W和xT,5 xT,W所以第5级(包括再沸器)为最后一级。估计值的校核W值应调整为：解得：W =40.174；D =59.826。xB,D =0.4175；0.01满足准确度，不再重复逐级计算。二. 练习题1. 填空题(5) 等温最小分离功与被分离组成的相对挥发度（）。(6) 若分离过程的产品温度与原料温度不同时，分离过程所需的最小攻克用气该过程的（）变化来表示。(7) 分离过程消耗的净功与环境温度有关，一般夏天的同一分离过程消耗的最小功（）。(8) 要提高分离过程的