精馏习题课.doc

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)，回流比均为2。试比较：温度、的大小；回流液浓度、的大小；塔顶产品浓度、的大小。将以上参数分别按顺序排列，并说明理由。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：塔顶、塔底产品的流率D、W及塔顶产品的组成xD；从塔顶数起第二块板上汽、液相的摩尔流率各为多少；精馏段及提馏段的操作线方程；从塔顶数起第二块实际板上升气相的组成。例题3.现成塔的操作因素分析：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？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4.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=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？精馏习题课答案例题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、，问、 是否相等?为什么?并求、的值。(2)在图1，图2，图3三种冷凝情况下，第一板浓度为含苯0.8(摩尔分率)。比较温度、的大小；比较回流液浓度、的大小；比较塔顶产品浓度、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?在同一图上表示出来，并将三种情况下、的值在图上表示出来。已知阿托因常数如下(阿托因方程为，其中P单位为，单位为)：ABC苯6.897401206.35220.237甲苯6.9581343.91219.58解：(1),因为是露点温度，是泡点温度。有两种求法： 图解法：在图上从=0.8处作垂线与线和线分别交于、点(如图1.28所示)点对应温度为84.3，点对应温度为89，即塔顶89，回流液84.3。解析法：求塔顶温度，用露点方程试差：设89，组分A为苯，组分B为甲苯。代入阿托因方程得：0.8 塔顶露点温度89求回流液温度，用泡点方程试差：设84.3同理由阿托因方程得： 回流液温度84.3(2)比较三种冷凝情况下的、 分析：从图可得：；第一种情况：全凝器，第二种情况：先部分冷凝(R=2)后全凝，由杠杆法则作图得。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，由物料衡算，。 (3)求三种情况下的操作线及、的位置。三条操作线的斜率相同。均为，所以三条线平行，但顶点不同，I线顶点为(，)，线顶点(，)；线顶点为(，)。、点的横坐标分别为三个回流液浓度。、点作垂线交平衡线于、。、的纵坐标分别为冷凝器上方气相浓度，塔顶产品浓度；而。由物料领算定出以确定点的位置(图1.30所示) 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、与流量、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，。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.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。若气相馏出物浓度（或平均浓度）相同，即，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；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）及残液（或液相产品）量。解：如图，简单蒸馏过程可用1122表示，气相组成由1逐渐降到2，故气相馏出物平均浓度在12之间，图中用D点表示。平衡蒸馏过程：，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2112DLtx(y)xFxW,平xW,简分析气相馏出物量V简、V平的大小：作物料衡算 (1) (2)(1)- (2)，得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2112DLtx(y)xFxW,简xW,平反证法：若xW,简xW,平，则若xW,简xW,平，由t-x-y图可知，与上式矛盾，故只有xW,简xW,平，代入上式有讨论：(1) 在相同的馏出物浓度下，简单蒸馏的气相馏出物产量大于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相图可直观分析两过程。例题3.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：塔顶、塔底产品的流率D、W及塔顶产品的组成xD；从塔顶数起第二块板上汽、液相的摩尔流率各为多少；精馏段及提馏段的操作线方程；从塔顶数起第二块实际板上升气相的组成为多少？解： (1)先将组成及流量换为用mole表示： 根据物料衡算方程 代入数据解得 (2)第二块板上的汽、液相摩尔流率即为精馏段的V及L，须先求回流比R。求最小回流比：q=1，xe=xF=0.44R=1.25Rmin=1.519L=RD=1.1595.43=8.25(kmol/h)V=(R+1)D=2.5195.43=13.68(kmol/h)(3)精馏段操作线方程为：提馏段的操作线方程： 解线方程与精馏段操作线方程组成的方程组得 提馏段的操作线方程为：即 (4) 因为塔顶采用全凝器： 由 解得代入精馏段操作线方程：例题4.现成塔的操作因素分析：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？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？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？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？解：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),L/(L-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。V=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F, V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，由F、xF、D不变，xD下降，所以xW上升。OR:, V减小，而F、D不变，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。若保持F、R、q、D不变，则W不变，L、L不变两段操作线斜率R/(R+1),L/(L-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。xFx F若进料量增大，而xF、q、R、V不变，由V=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F不变可知D增大L=RDL=L+qF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。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)排除法的应用：若判断不出另一组成的变化或出现两段操作线斜率及xF均不变的情况，可结合y-x相图，采用排除法进行判断。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=2.7。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？解：(1)此题精馏塔仅有精馏段，因恒摩尔流假定成立，按下图划定范围作精馏段物料衡算： 即： 由物平： 代入数据：解得： D=0.264F，W=0.736F因为q=0，所以V=F，L=W，带入精馏段操作线方程，得：(2) 因F、xF、q、D/F不变W不变D不变R不变R/(R+1)不变若NT，则操作线比平行上移，与相平衡线相交，交点（恒浓点）可能在塔顶处，也可能在q线与平衡线交点处。假设恒浓点在塔顶，则，由物料衡算：而与进料组成成平衡的液相组成为xe,由相平衡方程：解得：xe=0.198 ，xe为塔釜残液可能达到的最低