精馏习题及答案.pdf

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1、精馏习题课精馏习题课例题例题 1 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、t1，问t0、t1是否相等？为什么？并求t0、t1的值。（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t1、t2、t3的大小；比较回流液浓度xL1、xL2、xL3的大小；比较塔顶产品浓度xD1、xD2、xD3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y

2、x图上表示出来,并将三种情况下xD、xL、xV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 p A B/(C T),其中 P 单位为mmHg,T单位为):苯甲苯A6。897406。958BC01206。35220。2371343。91219.58例题例题 2.2.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，

3、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；1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?例题例题 3.3.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 xF均相同。若气相馏出物浓度（或平均浓度）相同,即xD,简xD,平，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

4、xW，简、xW,平，气相馏出物浓度（或平均浓度）xD,简、xD,平及残液(或液相产品）量。例题例题 4 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？例题例题 5.5.如图所示，组成为 0.4 的料液（摩尔分率，下同

5、），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?2精馏习题课答案精馏习题课答案例题例题 1 1。解：(1)t0t1,因为t0是露点温度，t1是泡点温度。有两种求法：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）3，即塔顶t089，回流液t184.3。b点对应温度为 89，a点对应温度为 84。解析法：求塔顶温度，用露点方程试差:设t08

6、9，组分 A 为苯，组分 B 为甲苯。代入阿托因方程得：1206.35p0A991.6mmHg89 220.2371343.9400pB396.06mmHglg pB6.95389 219.580p0991.6(760396.06)A(p pB)y 0.800760(991.6 396.06)P(pA pB)塔顶露点温度t089求回流液温度，用泡点方程试差：设t184.3lg p0A6.89740同理由阿托因方程得:pA863.26mmHgpB339.16mmHg00p pAxA pBxB 863.260.8339.160.2 758.44 760mmHg00回流液温度t184。3（2)比较三

7、种冷凝情况下的t、tL、xDt2 t3 t1xL1 xL3 xL2xD2 xD3 xD1分析:从t x y图可得：t2 t3 t1；xL1 xL3 xL23第一种情况：全凝器,xD1 xL第二种情况:先部分冷凝(R=2）后全凝，由杠杆法则作图得xD2 xD1。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xL1 xL3 xL2，由物料衡算，xD2 xD3 xD1。(3）求三种情况下的操作线及xL、xD、yV的位置。R2，所以三条线平行，但顶点不同，I 线顶点为R 13a1x xL2)；x xL1)，（y 0.8，线顶点a2(y 0.8，线顶点为a3(y 0.8,x xL3）。a2、a

8、3、a1点的横坐标分别为三个回流液浓度xL1 xL3 xL2.a2、a3点作垂线交平衡线于b2、b3.a1、b2、b3的纵坐标分别为冷凝器上方气相浓度，yV 3 yV 2 yV1，塔顶产品浓度xD1 yV1；xD2 yV 2而yV 3 xD3 xL3。由物料领算定出xD3以确定p点的位置（图三条操作线的斜率相同。均为1.30 所示)4讨论讨论：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，yx。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

9、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.aF/MA0.4/78例题例题 2.2.解：（1）xF 0.44aF/MA(1aF)/MB0.4/78(10.4)/92xWaW/MA0.014/78 0.01647aW/MA(1aW)/MB0.014/78(10.014)/92F 10000.410000.611.65(kmol/h)7892F D WFxF DxDWxWDxD 0.98FxF根据物料衡算方程511.65 D W代入数据11.650.44 DxDW 0.01647Dx

10、D 0.9811.650.44D 5.43kmol/h解得W 6.22kmol/hx 0.925D（2)求最小回流比：q=1，xe=xF=0.44yexe2.460.44 0.6591(1)xe1(2.461)0.44xD ye0.9250.6591.215ye xe0.6590.44RminR=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yn1R1xn xD 0.603xn 0.3672R 1R 1提馏段的操作线方程L L qF RD qF 1.5195.4311.6

11、5 19.9(kmol/h)LWx xWLWLW19.96.22x 0.0164719.96.2219.96.22=1.455x-0.00749y 解q线方程与精馏段操作线方程组成的方程组x 0.44y 0.603x 0.3672x 0.44得y 0.63252提馏段的操作线方程为6y 0.632520.016470.63252x 0.440.016470.44即y 1.455x-0.00749（4)因为塔顶采用全凝器y1 xD 0.9252.47x1*由y1 0.925*11.47x1解得x1 0.834*EmLxD x10.925 x1 0.7*xD x10.9250.834x1 0.86

12、13代入精馏段操作线方程y2 0.6030.8613 0.3672 0.886例题例题 3.3.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：xD,平 xD,简，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t t2 2 2 2D DL L1 1 1 1x(y)x(y)xW,简xW,平xFxD,简 xD,平分析气相馏出物量 V简、V平的大小：作物料衡算F V简W简简单蒸馏FxFV简xD,简W简xW,简7V简xF xW,简xD,简 xW,

13、简F (1)F V平W平平衡蒸馏FxF V平xD,平W平xW,平V平xF xW,平xD,平 xW,平F (2)（1)(2),得V简V平(xF xW,简)(xD,平 xW,平)(xF xW,平)(xD,简 xW,简)(xD,简 xW,简)(xD,平 xW,平)F 0F(xD,平 xF)(xW,平 xW,简)(xD,简 xW,简)(xD,平 xW,平)V简V平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V平(xD,平 xD,简)W平(xW,简 xW,平)反证法：若 xW，简xW,平，则xD,平 xD,简若 xW，简xW,平,由 t-x-y 图可知,

14、xD,简 xD,平,与上式矛盾,故只有 xW,简xW,平,代入上式有xD,平 xD,简t t2 2 2 2D DL L1 1 1 1x(y)x(y)xW,平xW,简xFxD,简 xD,平讨论：(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8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-xy 相图可知关分析两过程.例题例题 4.4.解：加料板下移

15、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-（1q）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FxF DxDWxW,由 F、xF、D 不变

16、，xD下降，所以 xW上升。OR：LVWWL,V减小,而 F、D 不变，上1VVVV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/（LW）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。若进料量增大，而 xF、q、R、V不变，由 V=V-(1q）LF=(R+1)D(1q）F 不变可知 D

17、增大L=RDL=L+qFV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。讨论讨论:9x FxF(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。例题例题 5.5.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Vyn1

18、Lxn DxD即yn1LDxnxDVVF D W由物平FxF DxDWxWF D W代入数据F 0.4 D0.93W 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yn1 0.736xn 0.246(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xD1，由物料衡算10FxF DxD0.4F 0.264Fx 0.185W0.736FW而与进料组成成平衡的液相组成为 xe，由相平衡方

19、程y xe2.7xe 0.41(1)xe1(2.71)xe解得 xe=0。198xe xW，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xW xe=0.198，代 入 物 平FxFWxW0.4F 0.736F 0.198x 0.963D0.264FDq 线XeXFXDXD讨论：讨论：（1)当 NT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，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)本题所求的恒浓点是在特定条件下（F、xF、q、D/F 不变）的塔顶和塔底可能达到的最

20、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。例题例题 6 6。解：（1)F=D+W,FxF DxDWxW1000=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=10000。5/0.9=555.6kmol/h(4)当 D=535kmol/h

21、时，仍需满足 xD0.9,xW0。11110000。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

22、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(xDxW),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-(1q)F，V 不变,导致 D 减小。12