化工原理蒸馏作业.doc

第六章 蒸馏作业

1.已知含苯0.5（摩尔分率）的苯-甲苯混合液，若外压为99kPa，试求该溶液的饱和温度。苯和甲苯的饱和蒸汽压数据见例1-1附表。
解：（查例1-1附表可得到不同温度下纯组分苯和甲苯的饱和蒸汽压PA0，PB0，由于总压P = 99kPa，则由x = (P-PB0)/(PA0-PB0)可得出液相组成）
以t = 80.1℃为例
x = (P-PB0)/(PA0-PB0)=（99-40）/（101.33-40）= 0.962
同理得到其他温度下液相组成如下表
t（℃） 80.1 85 90 95 100 105
x 0.962 0.748 0.552 0.386 0.236 0.11
根据表中数据绘出饱和液体线即泡点线t-x图…….
由图可查得当x = 0.5时，相应的温度为92℃
4.在常压下将某原料液组成为0.6（易挥发组分的摩尔分数）的两组分溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为1/3，试求两种情况下的釜液和馏出液组成。假设在操作范围内气液平衡关系可表示为y = 0.46x + 0.549
解：①简单蒸馏
由ln(W/F)=∫xxF dx/(y-x)
以及气液平衡关系y = 0.46x + 0.549
得 ln(W/F)=∫xxF dx/(0.549-0.54x)
= 0.54ln[(0.549-0.54xF)/(0.549-0.54x)]
∵汽化率1-q = 1/3，则 q = 2/3 即 W/F = 2/3
∴ln(2/3) = 0.54ln[(0.549-0.54×0.6)/(0.549-0.54x)]
解得 x = 0.498
代入平衡关系式y = 0.46x + 0.549
得 y = 0.804
②平衡蒸馏
由物料衡算 D + W = F
FxF = Wx + Dy
将W/F = 2/3代入得到
xF = 2x/3 + y/3
代入平衡关系式得
x = 0.509
再次代入平衡关系式得 y = 0.783

5.在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四硫化碳所组成的混合液。已知原料液流量为4000kg/h，组成为0.3（二硫化碳的质量分数，下同）。若要求釜液组成不大于0.05，馏出液回收率为88％。试求馏出液的流量和组成，分别以摩尔流量和摩尔分数表示。
解：由馏出液回收率 = DxD/FxF = 88％
得馏出液的质量流量
DxD = FxF 88％ = 4000×0.3×0.88 = 1056kg/h
结合物料衡算 D + W = F
FxF = WxW + DxD
得xD = 0.943
馏出液的摩尔流量 D=1056/(76×0.943) = 14.7kmol/h
以摩尔分率表示馏出液组成
xD = (0.943/76)/[(0.943/76)+(0.057/154)]
= 0.97
8.某连续精馏操作中，已知操作线方程式为：精馏段 y = 0.723x + 0.263；提馏段y = 1.25x – 0.0187。若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液、馏出液和釜残液的组成及回流比。
解：露点进料 q = 0
精馏段 y = 0.723x + 0.263 ，过（xD ，xD）点，∴xD = 0.949
提馏段 y = 1.25x – 0.0187 ，过（xW ，xW）点，∴xW = 0.0748
精馏段与y轴交于[0 ，xD/（R+1）] 即 xD/（R+1）= 0.263
∴R = 2.61
联立精馏段与提馏段操作线
得到交点坐标为（0.5345，0.6490）
∴ xF = 0.649
或另解：
9.在常压连续精馏塔中，分离苯-甲苯混合液。若原料为饱和液体，其中含苯0.5（摩尔分数，下同）。塔顶馏出液组成为0.9，塔底釜残液组成为0.1，回流比为2.0，试求理论板层数和加料板位置。苯-甲苯平衡数据见例1-1。
解：常压下苯-甲苯相对挥发度α= 2.46
精馏段操作线方程 y = Rx/（R+1）+xD/(R+1)
= 2x/3 + 0.9/3
= 2x/3 + 0.3
y1 = xD = 0.9 ,
由平衡关系式 y = αx/[1 +(α-1)x] 得x1 = 0.7853
再由精馏段操作线方程 y = 2x/3 + 0.3 得y2 = 0.8236
依次得到 x2 = 0.6549 y3 = 0.7366
x3 = 0.5320 y4 = 0.6547
x4 = 0.4353
∵x4 ﹤ xF = 0.5 < x3
∴精馏段需要板层数为3块
提馏段操作线方程 y = L'x/（L'-W）- WxW/（L'-W）
饱和液体进料 q = 1
L'/（L'-W）= （L+F）/V = 1 + W/（3D）
由物料平衡 D + W = F
FxF = WxW + DxD
代入数据可得 D = W
L'/（L'-W）= 4/3
W/（L'-W）= W/（L+D）= W/3D = 1/3
即提馏段操作线方程 y' = 4x'/3 – 0.1/3
x1'= x4 = 0.4353 ,∴y'2= 0.5471
由平衡关系式 y = αx/[1 +(α-1)x] 得 x'2 = 0.3293
依次可以得到y'3= 0.4058 x'3 = 0.2173
y'4= 0.2564 x'4 = 0.1229
y'5= 0.1306 x'5 = 0.0576
∵ x'5 < xW = 0.1 < x4'
∴ 提馏段段需要板层数为4块
∴理论板层数为 n = 3 + 4 + 1 = 8 块（包括再沸器）
加料板应位于第三层板和第四层板之间

12.在连续精馏塔中分离某组成为0.5（易挥发组分的摩尔分率，下同）的两组分理想溶液。原料液于泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器，分凝器向塔内提供回流液，其组成为0.88，全凝器提供组成为0.95的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为96％。若测得塔顶第一层板的液相组成为0.79，试求：（1）操作回流比和最小回流比；（2）若馏出液量为100kmol/h，则原料液流量为多少？
解：（1）在塔顶满足气液平衡关系式 y = αx/[1 +(α-1)x]
代入已知数据
0.95 = 0.88α/[1 + 0.88(α-1)]
∴α= 2.591
第一块板的气相组成 y1 = 2.591x1/（1 + 1.591x1）
= 2.591×0.79/（1 + 1.591×0.79）
= 0.907
在塔顶做物料衡算 V = L + D
Vy1 = LxL + DxD
0.907（L + D）= 0.88L + 0.95D
或y1=Rx0/(R+1)+xD/(R+1)
∴ L/D = 1.593
即回流比为 R = 1.593
由式Rmin = (xD- xq)/(yq-xq)= [(xD/xq)-α(1-xD)/(1-xq)]/（α-1）
泡点进料 xq = xF
∴ Rmin = 1.031
（2）回收率DxD/FxF = 96％
得到F = 100×0.95/（0.5×0.96）= 197.92 kmol/h

15.在连续操作的板式精馏塔中分离苯-甲苯混合液。在全回流条件下测得相邻板上的液相组成分别为 0.28、0.41和0.57，试求三层板中较低的两层的单板效率EMV 。
操作条件下苯-甲苯混合液的平衡数据如下：
x 0.26 0.38 0.51
y 0.45 0.60 0.72
解：假设测得相邻三层板分别为第n-1层、第n层、第n+1层，即 xn-1 = 0.28 xn = 0.41 xn+ 1 = 0.57
根据回流条件 yn+1 = xn
∴ yn = 0.28 yn+1 = 0.41 yn+2 = 0.57
由表中所给数据 α = 2.4
与第n层板液相平衡的气相组成
yn* = 2.4×0.41/（1+0.41×1.4）= 0.625
与第n+1层板液相平衡的气相组成
yn+1* = 2.4×0.57/（1+0.57×1.4）= 0.483
由EMV = （yn-yn+1）/（yn*-yn+1）
可得第n层板气相单板效率
EMVn = （xn-1-xn）/（yn*-xn）
= （0.57-0.41）/（0.625-0.41）
= 74.4％
第n+1层板气相单板效率
EMVn+1 = （xn-xn+1）/（yn+1*-xn+1）
= （0.41-0.28）/（0.483-0.28）
= 64％