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类型精馏习题及答案.docx

  • 上传人(卖家):最好的沉淀
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  • 上传时间:2023-05-30
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    关 键  词:
    精馏 习题 答案
    资源描述:

    1、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),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t0、t ,问t 、10t 是否相等?为什么?并求t1、t 的值。01(2) 在图 1,图 2,图 3 三种冷凝情况下,第一板浓度为 y1含苯 0.8(摩尔分率)。比较温度t 、t 、t123的大小;比较回流液浓度 x、 x、 x的大小;L1L 2L 3比较塔顶产品浓度 x、 x、 x的大小。将以上参数分别按顺序排列,并D1D 2D 3说明理由。(3) 三种情况下精馏段操

    2、作线是否相同 ?在同一 y - x 图上表示出来,并将三种情况下x 、 x 、 xDLV的值在 y - x 图上表示出来。已知阿托因常数如下(阿托因方程为lg p0 = A - B /(C + T ) ,其中 P 单位为mmHg,T 单位为):A苯6.89740甲苯6.958B 1206.351343.91C 220.237219.58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

    3、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:1塔顶、塔底产品的流率 D、W 及塔顶产品的组成 x ;D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?例题 3.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 x 均相同。F若气相馏出物浓度(或平均浓度)相同,即 xxD,简D,平,试比较残液(或液相产品)浓度 x、x,气相馏出物量 V 、V ;W,简W,

    4、平简平若气相馏出物量相同,即 V =V ,试比较残液(或液相产品)浓度 x、x,气相馏出物浓度(或平均浓度) x简、xD,简平D,平及残液(或液相产品)量。W,简W,平例题 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、x 、q、D、R),此时 x 、x 将如何变化?FDW操作中的精馏塔,保持 F、x 、q、D 不变,而使 V减小,此时 x 、x 将如何变化?FDW操作中的精馏塔,若保持F、R、q、D 不变,而使x 减小,此时x 、x 将如何变化?FDW操作中的精馏塔,若进料量增大,而 x 、q、R、V不变,此时 x 、

    5、x 将如何变化?FDW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 x =0.93,x =0.21,相DW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、x 、q、D/F 不变,则此时塔顶、F塔底产品浓度的比为多大?2例题 1.解:(1) t0 t ,因为t10精馏习题课答案是露点温度, t 是泡点温度。有两种求法:1图解法:在t - x - y 图上从 x =0.8 处作垂线与t - x 线和t - y 线分别交于a 、b 点(如图 1.28 所示)a 点对应温度为 84.

    6、3,b 点对应温度为 89,即塔顶t0解析法:求塔顶温度,用露点方程试差:89,回流液t 84.3。1设t 89,组分 A 为苯,组分 B 为甲苯。代入阿托因方程得:0lg p0= 6.89740 -1206.35p0= 991.6mmHgAlg p0B= 6.953 -89 + 220.2371343.9489 + 219.58Ap0 = 396.06mmHgBp0 ( p - p0 )991.6 (760 - 396.06)y =AP( p0AB- p0 )B= 0.8760(991.6 - 396.06)塔顶露点温度t 890求回流液温度,用泡点方程试差:设t 84.31同理由阿托因方程

    7、得: p0A= 863.26mmHgp0B= 339.16mmHgp = p0 x + p0 x = 863.26 0.8 + 339.16 0.2 = 758.44 760mmHgA AB B回流液温度t 84.31(2) 比较三种冷凝情况下的t 、t 、 xLDt t tx x x231L1L 3L 2x x xD 2D 3D1分析:从t - x - y 图可得: t2 t t ; x x x31L1L 3L 23第一种情况:全凝器, x= xD1L第二种情况:先部分冷凝(R=2)后全凝,由杠杆法则作图得 xD 2 x。D1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x xL1

    8、L 3 x,由L 2物料衡算, xD 2 x x。D 3D1(3) 求三种情况下的操作线及 x 、 x 、 yLDV的位置。R三条操作线的斜率相同。均为2=,所以三条线平行,但顶点不同,I 线顶点为a ( y = 0.8 ,x = x1L1),线顶点a2R + 13( y = 0.8 ,x = xL 2);线顶点为a3( y = 0.8 ,x = x)。L 3a 、 a 、a231点的横坐标分别为三个回流液浓度 x xL1L 3 x。aL 22、 a 点作垂线交平衡3线于b2、b 。a 、b312、b 的纵坐标分别为冷凝器上方气相浓度, y y3V 3V 2 y,塔顶产V 1品浓度 xD1=

    9、y;xV 1D 2= y而 y xV 2V 3D 3 x。由物料领算定出 xL 3D 3以确定 p 点的位置(图1.30 所示)4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 y 、 x 与流量V 、 L 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, y x 。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。a=/ M例题 2.

    10、解: (1) xFA=0.4 / 78= 0.44Fa / M+ (1 - aFAF) / MB0.4 / 78 + (1 - 0.4) / 92a=/ MxWA=0.014 / 78= 0.01647Wa/ M+ (1 - aWAW) / MB0.014 / 78 + (1 - 0.014) / 92F = 1000 0.4 + 1000 0.6 = 11.65(kmol / h) 7892根据物料衡算方程F = D + WFxF= Dx + WxDW Dx FxDF= 0.98511.65 = D + W代入数据11.65 0.44 = DxDxD+ W 0.016479D= 0.9811

    11、.65 0.44D = 5.43kmol / h解得W = 6.22kmol / hx= 0.925Da(2) 求最小回流比: q=1,x =x =0.44eFy =xe=2.46 0.44= 0.659e1 + (a -1)xe1 + (2.46 -1) 0.44DeR= x - y = 0.925 - 0.659 = 1.215miny - x0.659 - 0.44eeR=1.25Rmin=1.519 L=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yn+1=Rx R + 1 n+1 x R

    12、 + 1D= 0.603xn+ 0.3672提馏段的操作线方程 L = L + qF = RD + qF = 1.519 5.43 + 11.65 = 19.9(kmol / h)y =Lx -WxL - WL -WW=19.9x -6.22 0.0164719.9 - 6.2219.9 - 6.22= 1.455x - 0.00749解q 线方程与精馏段操作线方程组成的方程组x = 0.44 y = 0.603x + 0.3672x = 0.44=得 y0.63252提馏段的操作线方程为y - 0.63252 = 0.01647 - 0.63252x - 0.440.01647 - 0.44

    13、即y = 1.455x - 0.00749(4) 因为塔顶采用全凝器y = x1D= 0.925由 y =12.47x* 1 + 1.47x*11= 0.925解得 x* = 0.8341DE= xmLx- x1- x*=0.925 - x 0.925 - 0.834= 0.71D1x = 0.86131代入精馏段操作线方程y = 0.603 0.8613 + 0.3672 = 0.8862例题 3.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:x= x,过程进行时,D,平D,简气液两相成平衡,在途中可

    14、用 LD 表示,L 对应组成为 x。由图中可以看出:x 0(xD,简- xW ,简)(xD,平- x)W ,平V V简平若气相馏出物量相同,即 V =V ,由物料衡算可知:W简平=W ,简平由前述两过程的轻组分物平式相减V (x平D ,平- xD ,简) = W平(xW ,简- x)W ,平反证法:若 xx,则 x xW,简W,平D,平D,简若 xx,由 t-x-y 图可知, x x,与上式矛盾,W,简故只有 xW,平x,代入上式有 xD ,简 xD ,平W,简W,平D ,平D,简t22LD11讨论:xxW,平W,简xFx ,= xD 简Dx(y),平(1)在相同的馏出物浓度下,简单蒸馏的气相

    15、馏出物产量达与平衡蒸馏的 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 相图可知关分析两过程。例题 4.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、x 、q、FD、R 不变,可知两段操作线斜率 R/(R+1),L/(L-W)均不变;设 x 不变或变大,由物料衡算可知x 不变或变小,作图可知,此时所需的N 增大,而DWT实际上 N 不变,

    16、因此 x 只能变小,由物料衡算 x 变大。TDW注:黑线为原来的,红线为 x 变大,兰线为 x 变小。DDV=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 N 增加,在N 不11增加的情况下,只有 x 下降。D由物平 Fx= Dx+ Wx,由 F、x 、D 不变,x 下降,FDWFD所以 x 上升。WOR: L = V +W= 1 + W , V减小,而 F、D 不变, L 上V V V V 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 N 增加,在N 不2

    17、2增加的情况下,只有 x 上升。W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 x 不变或变大,由物料衡算可知 x 变小,作图DW可知,此时所需的N 增大,而实际上N 不变,因此 x 只能变小,TTD由作图知 x 变小。W注:黑线为原来的,红线为 x 变大,兰线为 x 变小。DD 若进料量增大, 而 x 、 q 、 R 、 V 不变, 由 V F=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F 不变可知 D 增大L=RDL=L+qFL V 排除法:设x 不变或变小,作图可知,此时所需的N 减小,DT而实际上 N 不变,因此

    18、 x 只能增大,由作图知 x 增大。TDWx F xF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 N 或产品组成的变化情况。T(2) 判断出 x 、x 中之一的变化后,可由物料衡DW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 x 均不变的情况,可结合Fy-x 相图,采用排除法进行判断。例题 5.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Vyn+1= Lxn+ DxD即yn+1= L xVn+ D xVDF = D + W由物平FxF= DxD

    19、+ WxW代入数据F = D + WF 0.4 = D 0.93 + W 0.21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yn+1= 0.736 xn+ 0.246(2) 因 F、x 、q、D/F 不变W 不变D 不变R 不变R/(R+1)不变F10若 N ,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T在 q 线与平衡线交点处。12假设恒浓点在塔顶,则 xD= 1,由物料衡算Fx = Fx- DxD= 0.4F - 0.264F = 0.185WW0.736F而与进料组成成平衡的液相组成为 xe,由相平衡方

    20、程axy = 1 + (a -e 1)xe解得 xe=0.198=2.7xe1 + (2.7 -1)xe= 0.4x xeW,xe 为塔釜残液可能达到的最低浓度,表明恒浓点在塔顶的假设不成立,因此恒 浓 点 在 塔 釜 , 塔 釜 的 液 相 的 浓 度 为 x = xWe=0.198 , 代 入 物 平Fx = Fx- WxW= 0.4F - 0.736F 0.198 = 0.963DD0.264Fq 线XeXFXD XD讨论:(1) 当 N 时,一定有恒浓点。恒浓点可能出现在塔顶,塔底或进料处,若确定该点,T需找到哪点最先达到相平衡状态,可利用相平衡关系和物平关系确定。(2) 本题所求的恒

    21、浓点是在特定条件下(F、x 、q、D/F 不变)的塔顶和塔底可能达到F的最高和最低浓度值,条件变化了,塔顶和塔底谁先达到恒浓点及可能达到的最高和最低浓度值都要发生变化。例题 6.解:(1)F=D+W, FxF= DxD+ WxW1000=D+W,10000.5=D0.9+W0.1D=500kmol/h,W=500kmol/h(2)工艺要求 XD0.9,就是说如果采出 560 kmol/h,xD 至少为 0.9,先设 xD=0.9 则 10000.5=5600.9+WxW得出 xW0显然,采出 560kmol/h 不可行。采出最大极限值是所有轻组分都在塔顶蒸出,即 xW=0, 也即 Dmax=1

    22、0000.5/0.9=555.6kmol/h(4)当 D=535kmol/h 时,仍需满足 xD0.9,xW0.1 10000.5=5350.9+WxW1000=535+W解得W=465kmol/h,xW=0.0398也就是说,塔底轻组分的含量 xW减小了,在相图上比较一下 xW和 xW 两种情况, 泡点进料,可作出精馏段和提馏段操作线,画出后用图解法作理论板数,当 xWxW 时, 如果其他条件不变,提馏段操作线会上移,所需理论板数要增加,但是对一个已知塔,理论板是固定的,N 不能改变,那就需要改变两条操作线方程。这时,提馏段所需的理论板数增加,要想使全塔的 N 理不变,只能提高进料板,并减少

    23、精馏段的板数。这时改变 R, 使 R 增大,精馏线下移,斜率增加,提馏线下移,斜率减小,进料位置上移,N 精减小。例二:操作中的精馏塔,(1) F,q,xD,xW,V不变,xF 减小,R,D 应如何变化?(2) F,xF,q,V不变,D 减小,回收率如何变化?(3) F,xF,xD,xW,V 不变,q 由 1 变大,所需理论板数 N 如何变化? 解:(1)由于 V不变,得 V 不变,由全塔物料衡算方程,得F(xF-xW)=D(xD-xW),所以 xF 减小,D 也减小。而 V=(R+1)D,由 V 不变,D 减小,R 增加。或者,可分析如下,进料状况 F,q 一定,xF 减小,假设 R 不变的话,所需理论板数增加, 而由于精馏段板数是一定的,必然导致xD 减小,要想是之不变的话,就要使精馏段理论板数不变,就要增大 R,使精馏段操作线增大。由 V=V-(1-q)F,V 不变,导致 D 减小。

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