化工原理试卷

1、第十章蒸馏一、本章学习目的掌握固体物料的去湿方法，湿物料的干燥方法；会读湿空气的性质及湿度图；会计算干燥过程的物料衡算和热量衡算。二、本章思考题何谓泡点、露点？对于一定的压力与组成，二者大小关系如何？2双组分理想溶液的汽液两相达到平衡时，若已知平衡温度t与液相组成x，如何计算汽相组成y与总压P?反之，若已知总压P与汽相组成y，如何计算平衡温度t与液相组成x?3双组分理想溶液的相对挥发度a如何计算？a与什么因素有关？a的大小对两组分的分离有何影响?4如何应用平均相对挥发度a表示平衡条件下的液相组成X与汽相组成y之间的关系?5上、下相邻两层塔板的温度、液相组成及汽相组成有何不同？6何谓恒摩尔流假设

2、？其成立的条件是什么？在精馏塔计算中有何意义？7精馏塔的进料状态有哪几种？他们对精馏段及提馏段的下降液体流量及上升蒸气流量有什么影响？8操作线是表示哪一层塔板的汽相组成与哪一层塔板的液相组成之间的关系？操作线为直线的条件是什么？9何谓塔顶液相回流比？何谓塔釜汽相回流比？他们的大小有什么联系？用什么关系式相互换算？10.如何用图解法计算理论板数，如何确定进料板位置？三、本章例题例10-1苯与甲苯的饱和蒸气压与温度的关系可用如下的安托尼方程表达。试求含苯为0.25（摩尔分率）的苯与甲苯二元理想混合液在总压为125kPa及4kPa下的相对挥发度各为多少？安托尼方程苯logp6.036-1215at+

3、221.2甲苯=6.079-1345t+2195式中p*纯组分在系统温度下的饱和蒸气压，kPa；t系统温度，C。解：二元理想溶液在相对挥发度为a二p*/p*，而纯组分的饱和蒸气压为温度的AB函数，平衡温度与饱和蒸气压呈非线性关系，由于温度t未知，故需采用试差法。对于理想溶液，其上方各组分的平衡蒸气分压为：p二p*xAAAp=p*x二p*(1-x)TOC o 1-5 h zBBBBA溶液上方的总压强为p二p+p二p*x+p*(1-x)tABAABA试差时，假设平衡温度t，代入安托尼方程算出p*及p*，再代入总压p的ABt方程，若算出的总压与给定的总压p相近，则假设的t正确。t1.求p=125kP

4、a时的a值假设平衡温度即泡点t=107.8C，将其代入安托尼方程，即：logp*=6.036-1215=2.343解出A107.8+221.2pA二220.3kPalogp*=6.079-45=1.97b107.8+219.5解出p*=93.33kPaB贝Up=p*x+p*(1一x)tAABA=220.3x0.25+93.33x0.75=125.07kPa与总压p=125kPa相当接近，故假设t=107.8C正确。t则相对挥发度a=讣-fl!-2.36B求p二5kPa时的a值假设平衡温度t=17C，将其代入安托尼方程,即：logp*=6.036-旦口=0.9352解出A17+221.2p*=8

5、.614KPaAlogp*=6.079=0.392解出b17+219.5p*=82.466KPaB贝Up=p*x+p*(1x)tAABA=8.614x0.25+2.466x0.75=4.003KPa与总压4kPa相当接近，故假设t=17C正确。则相对挥发度a=以=8614=3.493p*2.466B从计算结果可以看出，对于同一物系，总压降低，贝泡点和各组分的饱和蒸气压降低，而相对挥发度增高。因此，在精馏操作中，减压对组分的分离有利。对于某些相对挥发度小的物系，往往采用真空蒸馏。例10-2在常压精馏塔中分离苯与甲苯二元理想混合溶液。已知塔顶第一层顶上液体中苯的浓度为0.9(摩尔分率，以下同)，塔

6、釜液中苯的浓度为0.05。求全塔平均相对挥发度。苯和甲苯的饱和蒸气压与温度关系的安托尼方程见例10-1。解：因理想溶液的相对挥发度与二组分的饱和蒸气压有关，塔顶和塔底的易挥发组分浓度不同，泡点温度不同，应分别用试差法求出塔顶及塔底的相对挥发度，再求其平均值。精馏塔内常压操作，压强基本恒定，p=101.33kPa，试差时应满足tp=p*x+p*x=101.33KPatAABB塔顶：x=0.9,x=0.1AB设塔顶液体混合物的泡点t=82.3C,代入苯与甲苯的安托尼方程计算相应的饱和蒸气压1215logp*=6.036=2.033a82.3+221.2p*=107.9KPaAlogp*=6.079

7、=1.622b82.3+219.5p*=41.88KPaBp=p*x+p*x=107.9x0.9+41.88x0.1=101.3KPatAABB故假定泡点t二82.3C正确。两组分在塔顶的相对挥发度为：P*107.92a=a=2.576p*41.88B塔釜：x=0.05,x=0.95AB设塔釜内液体混合物的泡点t二108.4C,由安托尼方程计算各组分的饱和蒸气压logp*=6.036-1215=2.35a108.4+221.2p*=223.9KPaAlogp*B=64+219.5=1.977p*=94.84KPaBp=p*x+p*x=223.9x0.05+94.84x

8、0.95=101.3KPatAABB故假设泡点t=108.4C正确。两组分在塔釜的相对挥发度为：a=pA=；438：=2361B全塔平均相对挥发度为：a=沁+2.361=2.469从计算结果可看出,理想溶液的相对挥发度随溶液泡点的增高而减小。但泡点温度的改变引起相对挥发度的变化不大，即a沿塔高的变化不大，故计算时可采用塔顶与塔底相对挥发度的算术平均值作为全塔的平均相对挥发度。例103用一常压连续精馏塔分离苯-甲苯混合液，原料液于泡点下进入塔内，其流量为150kmol/h，其中含苯为0.5，塔顶馏出液含苯为0.9,塔底釜残液含苯为0.1（以上均为摩尔分率）。回流比为2，塔顶采用全凝器。总板效率为

9、50%。间接蒸汽加热。试求：1所需实际塔板数及加料板位置；2再沸器热负荷及加热蒸汽加热量；3冷凝器热负荷及冷却水用量；即150=D+W4.当q=1.4的冷液进料时的理论板数、加热蒸汽及冷却水用量。已知：（1）常压下苯-甲苯的平衡数据列于本例附表1中；例103附表14）回流液为泡点液体。精馏塔系统的热损失均可忽略。解：本题主要练习用图解法计算理论塔板数的方法，并讨论不同进料热状况对理论板数及全塔热量衡算的影响。1实际塔板数及加料板位置下面按M-T图解法求理论板层数。依题给的平衡数据在本题附图1中标绘苯-甲苯的xy平衡曲线及对角线。精馏段操作线的截矩=4=竺=0.3R+12+1泡点进料，q线为X=

10、X的垂直直线。根据X、FDX、X及精馏段操作线截矩，画出精馏段操作FW线和提馏段操作线。在操作线和平衡线间画阶梯，例1U-3附图1得理论板数N为8（包括再沸器）。T再沸器相当一层理论板，求实际塔板数时应除去。N一18一1实际塔板层数N=件1=14PE0.5加料板位置为第4层理论板。因精馏段的实际板数为3/0.5=6，则实际加料板位置为第7层。2.再沸器热负荷及加热蒸汽消耗量首先由精馏塔的物料衡算求D和W。Fx=Dx+WxFDw150 x0.5=0.9D+0.1W解出D=75kmo1/h,W=75kmo1/h精馏段上升蒸气量为：V=(R+1)D=(2+1)75=225kmo1/h因是泡点进料,故

11、提馏段上升蒸气量为：V=V=225kmo1/h再沸器的热负荷：(热损失忽略)Q=v(i-1)=VBVWLWrw由物性常数表查出：苯的气化热r=394kJ/kg，分子量M=78AA甲苯的气化热r=363kJ/kgB贝Ur=rMx+r+MxwAAwABBwB=394x78x0。1+363x92x0。9=33130KJ/kmo1Q=V=225x33130=7.454x106KJ/hBrw由水蒸气表查得p=200kPa时，水的气化热为r=220KJ/婕。加热蒸汽消耗量为:W=B=7.454X106=3380kg/hhr22053。冷凝器热负荷及冷却水用量冷凝器的热负荷为:Q=V(I-I)CVDLD因回

12、流液在泡点下进入塔内，故I-1=rVDLDD贝:Q=VrCDr=rMx+rMxDAADABBDB=394x78x0.9+363x92x0.1=31000KJ/kmo1Q=225x31000=6.975x106KJ/hC冷却水消耗量为:=1.67x105k/hQ6.975x106c=c(t-1)4.187(35-25)p214。当q=1.4的冷液进料时的理论板数，加热蒸汽及冷却水用量理论板数在本例附图2中画出q=1.4情况下的操作线。同样，在操作线和平衡线之间画阶梯，得理论板层数N=7(包括再沸器)。T加料板为第2层理论塔板。加热蒸汽用量提馏段上升蒸汽量为:因冷液进料，q=1.4，再沸器的热负荷

13、为:加热蒸汽消耗量为:故:V=V+(q-1)F=225+(1.4-1)X150=285kmo1/hQ二Vr二285x33130BW=9.42X106KJ/hQ.9.442x106W=B=hr2205=4282婕/h例山-吕附图2冷却水用量冷凝器的热负荷Q及冷却水用量W不变。CC将以上计算结果列于本例附表2中。例103附表2进料状况q理论板数NT再沸器蒸汽耗量W/(婕/h)h冷凝器冷却水用量W/(婕/h)c冷液进料，q=1.4泡点进料，q=1.78428233801.67x1051.67x105由以上计算结果可以看出：(1)进料热状况q对理论板数的影响对一定的分离任务，进料热状况不同，所需的理论

14、板数和加料板的位置均不相同。冷液进料较泡点进料所需N少。即T随着q值增大，N减少。这是因为精馏塔提馏段内循环量加大，使分离程度增T高。从操作线看，提馏段操作线斜率减小，使操作线远离平衡线，推动力加大，则N减少。T（2）进料热状况q对全塔热量衡算的影响由全塔热量衡算可知，进料带入热量，塔底再沸器供热及塔顶全凝器带走热量，三者具有一定的关系。当回流比R一定时，全凝器带走的热量（冷却水用量）一定，但随着进料带入的热量增大（即热状况参数值减小），塔底再沸器所需要的供热量必然减少，即加热蒸汽消耗量降低。但全塔的总耗能量一定，若从使用能量品位及废热利用来考虑，预热原料使其变为热进料时，一般可利用废热。因此

15、，工业生产中，实际上多采用热进料。例10-4在精馏塔中分离苯-甲苯混合液，进料组成为0.3，要求塔顶产品浓度为0.9，塔釜残液浓度为0.1（以上均为易挥发组分的摩尔分率）。原料液于泡点温度进入塔内，塔顶设有全凝器，液体在泡点下进行回流，回流比取为最小回流比的1.5倍。已知操作条件下物系的相对挥发度为2.47。试求：（1）所需要的理论板数；（2）若原料液流量为100kmol/h时，在精馏塔内循环的物料量为多少？（3）如将泡点回流改为20C的冷回流，理论板层数有何变化？解：求理论板数可采用逐板计算法和图解法。理论板数与组成x、x、x、进DWF料热状况q、相对挥发度a及回流比R有关，与进料量F无关。

16、本题将讨论塔内循环量及冷回流对精馏操作的影响。所需要的理论板数采用逐板计算法。利用操作线方程式和平衡关系式逐板计算所需的理论板数。1）精馏段操作线方程式RxX+DR+1R+1因泡点进料，q=1，x=x=0.3qF2.47x0.31+1.47x0.3二0.514axy二qq1+（a一1）xq最小回流比Rminx-y=Dq-y一xqq0.9一0.5141.80.514一0.3操作回流比R=1.5R=1.5x1.8=2.7min2.70.9则精馏段操作线方程式为：y=一x+0-=0.73x+0.2432.7+12.7+12）提馏段操作线方程式LWy=x-xV，V，wL=L+qF=RD+QfV，=V-

17、(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F为求取L及V，需知道F、D等物料量。基准：lOOkmol进料/h总物料衡算100=D+W易挥发组分衡算100 x0.3=0.9D+0.1W解出D=25kmol/h，w=75kmol/hL=2.7x25+lxl00=167.5kmol/hV，=(2.7+1)x25=92.5kmol/h则提馏段操作线方程式为：x-X0.1=1.81x-0.081192.592.53）相平衡方程式2.47x1+1.47xy2.47-1.47y（4）逐板计算求NT利用操作线方程式及相平衡方程式自上而下逐板计算NT。因塔顶为全凝器，y1=xD=0.90.9由式（3）,x=0.78

18、512.47-1.47X0.9由式（1）求得y2=0.73x0.785+0.243=0.816交替使用式（3）及式（1）可得y=0.7123y=0.6084y=0.525y=0.469x=0.6422x=0.53x=0.3864x=0.3095x=0.2636因x已低于两操作线交点的横坐标，则第6层理论板为加料板。以下计算6应以提馏段操作线方程式（2）代替精馏段操作线方程式（1），即：y=1.81x0.263-0.0811=0.395x=0.2177y=0.299x=0.14788y=0.185x=0.0840.199因x90 xwS0.02，回流比R=2求：精馏、提馏两段蒸汽及液体的流量(本

19、物系可认为是恒摩尔流)；塔釜用间接水汽加热时，塔所需的理论板数和适宜的加料位置；当用直接水汽加热时，塔所需的理论板数。105常压下蒸馏含苯为69.4%(摩尔%，下同)的苯-甲苯饱和液体，装置流程105附图如图所示，每lOOkmol料液可得到25kmol含苯90%的馏出液.蒸汽中苯、甲苯的摩尔分率比为液体中苯、甲苯摩尔分率比的2.5倍，试求塔釜产生蒸汽的kmol数。106将含苯0.7(摩尔分率)的苯与甲苯二元理想溶液分别用平衡蒸馏与简单蒸馏进行分离。物系的相对挥发度为2.47。试求：当气相产物的浓度为0.816(摩尔分率)时，平衡蒸馏的气化率；2)当简单蒸馏时，气化率与平衡蒸馏相同，求气相产物的

20、平均组成。(答:(1)气化率为1；(2)y=0.834。3107在常压操作的连续精馏塔中分离甲醇水溶液。若原料液流量为180kmol/h，组成为0.4,馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05(以上均为甲醇的摩尔分率)。回流比为2。假设塔内气、液均为恒摩尔流动。试求以下三种进料状况下，提馏段的回流液体量及上升蒸气流量。(1)进料温度为40C；(2)泡点进料；(3)饱和蒸气进料。(答:(1)L=333.1kmol/h,V=223.1kmol/h;L=320kmol/h,V=210kmol/h;L=140kmol/h,V=30kmol/h;108在连续精馏塔中分离某二元混合物。原料液组成为0.45

21、(易挥发组分的摩尔分率，下同)，进料为气、液混合物，气液相摩尔比为1：2，塔顶馏出液浓度为0.95，易挥发组分回收率为95%。回流比为最小回流比的1.8倍。平均相对挥发度为2.5。试求：（1）原料液中气相和液相的组成；（2）精馏段与提馏段的操作线方程。（答：（1）y=0.6x=0.375；qq（2）精馏段y=0.737x+0.25提馏段y=1.4x-0.0164。）109用连续精馏塔分离苯-甲苯混合液。原料液中苯的浓度为40%，要求塔顶馏出物中含苯97%，塔底产品中含苯4%（以上均为质量百分率）。原料液的流量为15000婕/h，泡点进料。操作回流比为3.5,塔顶采用全凝器，回流液为泡点液体。塔设备的热损失均可忽略。试求：（1）塔顶及塔底产品的摩尔流率；（2）所需的理论板数及加料板位置；（3）加热蒸汽消耗量及冷却水用量。已知：（1）苯-甲苯的平衡数据见例（6-9）；（2）加热蒸汽的绝对压强为300kpa，冷凝为同温度的水排出；（3）冷凝器冷却水的进、出口温度分别为20。C及30.C（答：（1）D=74.2kmol/h,W=100.8kmol/h;（2）N=11（包括再沸器），加料板为