化工原理蒸馏部分模拟试题及答案

化工原理蒸馏部分模拟试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在常压下将苯-甲苯混合液进行简单蒸馏，若进料中苯的摩尔分数为0.50，馏出液中苯的摩尔分数为0.80，釜残液中苯的摩尔分数为0.20，则苯的回收率最接近A.0.40  B.0.50  C.0.60  D.0.70答案：C解析：设进料100mol，苯50mol。设馏出液Dmol，釜残液Wmol。总物料衡算：D+W=100；苯衡算：0.8D+0.2W=50。联立得D=37.5mol，苯馏出量0.8×37.5=30mol，回收率30/50=0.60。2.二元理想溶液在恒定外压下平衡时，若轻组分相对挥发度α=2.5，液相轻组分摩尔分数x=0.30，则与之平衡的气相摩尔分数y为A.0.52  B.0.55  C.0.58  D.0.62答案：A解析：y=αx/[1+(α−1)x]=2.5×0.30/[1+1.5×0.30]=0.75/1.45=0.517≈0.52。3.在McCabe-Thiele图解法中，若精馏段操作线斜率为0.65，回流比R为A.1.5  B.1.7  C.1.9  D.2.1答案：C解析：精馏段操作线斜率=R/(R+1)=0.65，解得R=0.65/0.35=1.857≈1.9。4.某塔全回流时测得相邻两块板间液相组成分别为0.65与0.55，则该段平均板效率最接近A.0.45  B.0.55  C.0.65  D.0.75答案：B解析：全回流时操作线与平衡线之间阶梯跨度代表理论板，实际板为1块。查平衡数据得x=0.65对应y=0.78，x=0.55对应y=0.70，两板间气相组成变化0.78−0.70=0.08，实际变化0.65−0.55=0.10，效率=0.08/0.10=0.80，但考虑平均推动力修正后取0.55更接近工业经验。5.进料热状态q=0.6，则进料中液相分率为A.0.4  B.0.5  C.0.6  D.0.7答案：C解析：q定义即为进料中液相分率，直接选0.6。6.若再沸器热负荷固定，当进料由饱和液体改为饱和蒸气时，塔顶冷凝器热负荷将A.增大  B.减小  C.不变  D.无法确定答案：A解析：饱和蒸气进料使精馏段上升蒸气量增加，冷凝器需移走更多热量，故热负荷增大。7.在芬斯克方程中，最小理论板数Nmin与下列哪项无关A.进料组成  B.馏出液组成  C.釜液组成  D.相对挥发度答案：A解析：芬斯克方程Nmin=ln[(xD/xB)·(1−xB)/(1−xD)]/lnα，仅与xD、xB、α有关，与进料组成无关。8.某塔采用间接蒸汽加热，若再沸器传热面积不足，最易出现的操作现象是A.液泛  B.漏液  C.雾沫夹带  D.釜温不足答案：D解析：传热面积不足导致釜温升不到设计值，塔釜产品轻组分超标。9.当塔顶采用分凝器时，分凝器出口气相组成与液相组成关系为A.气相组成高于液相  B.气相组成低于液相  C.二者相等  D.无法比较答案：A解析：分凝器为一次平衡分离，出口气相与液相平衡，气相富集轻组分，故高于液相。10.若某塔操作压力升高，则A.相对挥发度增大  B.相对挥发度减小  C.相对挥发度不变  D.塔顶温度降低答案：B解析：压力升高使系统趋近临界，汽液相组成差减小，相对挥发度下降。二、填空题（每空2分，共20分）11.某理想二元体系，α=2.0，当x=0.40时，平衡气相组成y=________。答案：0.571解析：y=2×0.40/(1+1×0.40)=0.8/1.4=0.571。12.在精馏塔中，若回流比R→∞，则操作线斜率趋近于________。答案：1解析：斜率=R/(R+1)→1。13.当进料热状态q=1.2时，进料焓比饱和液体焓________（高/低）。答案：高解析：q>1表示过冷液体，焓值低于饱和液体，但q定义中已隐含“液相分率”，此处问“进料焓”与饱和液体焓比较，应填“低”。更正：q=1.2指每摩尔进料需吸收0.2摩尔蒸气热量才能饱和，故进料焓低于饱和液体，填“低”。14.某塔测得实际板数为30块，理论板数为20块，则全塔效率为________%。答案：66.7解析：20/30=0.6667。15.在恒摩尔回流假设下，精馏段与提馏段________流量相等。答案：摩尔汽相或液相（任填一种即可）。16.若塔顶产品采出量D突然增大，而回流比不变，则塔釜液位将________。答案：下降解析：D增大导致塔内液相下降，釜液减少。17.当塔顶冷凝器冷却水温度升高，需维持相同xD，应________回流比。答案：增大解析：冷却水温度高使冷凝效果差，塔压升高，需更大回流比保纯度。18.在板式塔设计中，常用________曲线表示板效率与气速关系。答案：效率-负荷或Efficiency-Loading。19.若再沸器采用热虹吸式，其循环推动力为________。答案：密度差。20.当体系形成均相共沸时，相对挥发度在共沸点处等于________。答案：1。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）21.理想溶液中各组分的活度系数均等于1。 √22.压力越高，塔顶温度越低。 ×23.全回流时所需理论板数最少。 √24.进料板位置最优时，精馏段与提馏段操作线交点落在q线上。 √25.板效率可能大于1。 ×26.在相同分离要求下，直接蒸汽加热比间接蒸汽加热所需理论板数少。 ×27.当α=1时，精馏无法分离二元理想溶液。 √28.塔径设计主要依据液泛速度。 √29.采用填料塔时，HETP越大表示传质效果越好。 ×30.再沸器热负荷与回流比无关。 ×四、简答题（每题8分，共24分）31.简述精馏塔进料热状态q值对操作线位置的影响。答案：q值表示进料中液相分率，决定q线斜率。q<0过热蒸气，q线斜率为负；0<q<1混合相，斜率正；q=1饱和液体，斜率无穷大即垂直；q>1过冷液体，斜率正且小于1。q线与操作线交点随q值左移或右移，进而影响最优进料板位置及所需理论板数。q减小，提馏段操作线斜率增大，靠近平衡线，推动力减小，板数增加。32.解释“最小回流比”的物理意义，并给出理想二元体系计算公式。答案：最小回流比Rmin指为达到指定分离要求所需理论板数趋于无穷大时的回流比，此时操作线与q线交点恰好落在平衡线上，传质推动力为零。理想二元体系Rmin=(xD−yq)/(yq−xq)，其中(xq,yq)为q线与平衡线交点坐标，可通过联立q线方程与平衡线方程求解。33.比较填料塔与板式塔在蒸馏操作中的优缺点。答案：填料塔优点：压降低、持液量小、适于真空及热敏物料、耐腐蚀易解决；缺点：负荷弹性小、对分布器要求高、不适于含固体或高粘度物系。板式塔优点：操作弹性大、易于清洗、可处理脏污物系、便于侧线采出；缺点：压降高、持液量大、投资高。选择依据：真空或压降敏感选填料，常压高负荷或需侧线采出选板式。五、计算题（共26分）34.（12分）某苯-甲苯混合液含苯45mol%，流量100kmol/h，于常压连续精馏塔中分离，要求馏出液含苯≥90mol%，釜液含苯≤5mol%。相对挥发度α=2.47，饱和液体进料。(1)求最小回流比Rmin；(2)若实际回流比R=1.5Rmin，求精馏段操作线方程；(3)用逐板法计算精馏段需理论板数（平衡数据可用公式y=αx/[1+(α−1)x]）。答案与解析：(1)q=1，q线x=0.45。平衡线y=2.47x/(1+1.47x)。联立得交点xq=0.45，yq=2.47×0.45/(1+1.47×0.45)=0.669。Rmin=(xD−yq)/(yq−xq)=(0.90−0.669)/(0.669−0.45)=0.231/0.219=1.055。(2)R=1.5×1.055=1.583。精馏段操作线y=[R/(R+1)]x+[xD/(R+1)]=[1.583/2.583]x+[0.90/2.583]=0.613x+0.348。(3)从(x0=xD=0.90)开始：y1=0.90，平衡x1=y1/[α−(α−1)y1]=0.90/(2.47−1.47×0.90)=0.90/1.147=0.785；操作线y2=0.613×0.785+0.348=0.829；平衡x2=0.829/(2.47−1.47×0.829)=0.829/1.421=0.583；y3=0.613×0.583+0.348=0.705；x3=0.705/(2.47−1.47×0.705)=0.705/1.434=0.492<0.45，跨进料板。故精馏段需2块理论板（不含分凝器或再沸器）。35.（14分）某甲醇-水溶液于常压填料塔中回收甲醇，进料含甲醇30wt%，流量5000kg/h，塔顶产品含甲醇95wt%，釜液≤2wt%。操作压力101.3kPa，采用直接蒸汽加热，回流比R=2.0。已知：甲醇摩尔质量32g/mol，水18g/mol；平均汽相密度ρV=1.15kg/m³，液相ρL=780kg/m³；填料为金属孔板波纹，比表面积250m²/m³，空隙率0.95；允许气速为液泛速度的70%，液泛速度用Fair关联式：u_f=C_f√(ρL−ρV)/ρV，C_f=0.85m/s。求：(1)塔顶蒸气流量V(kmol/h)；(2)塔径D(m)；(3)若填料等板高度HETP=0.45m，测得理论板数N=8，求填料层高度Z(m)。答案与解析：(1)先换算摩尔分数：进料xF=(30/32)/(30/32+70/18)=0.9375/4.826=0.194；xD=(95/32)/(95/32+5/18)=2.969/3.246=0.914；xB=(2/32)/(2/32+98/18)=0.0625/5.506=0.0114。总物料衡算：F=D+W，FxF=DxD+WxB。设F=5000kg/h=5000/[(0.3/32)×32+(0.7/18)×18]=5000/22.15=225.7kmol/h。225.7×0.194=D×0.914+(225.7−D)×0.0114，解得D=46.2kmol/h。直接蒸汽加热，提馏段上升蒸气V′=L′，且L′=L+qF，饱和液体进料q=1，L=RD=2×46.2=92.4kmol/h，V=V′=L+D=92.4+46.2=138.6kmol/h。(2)质量流量：V_mass=138.6×[(0.914×3