新版化工原理习题答案第九章蒸馏doc.docx
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新版化工原理习题答案第九章蒸馏doc
第九章蒸馏
1.在密闭容器中将A、B两组分的理想溶液升温至82℃,在该温度下,两组分的饱和蒸气压分别为pA*=kPa
及p*B=kPa,取样测得液面上方气相中组分A的摩尔分数为。
试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。
解:
本题可用露点及泡点方程求解。
*
*
p总
*
107.6p总-41.85
yA
pA
pA
pB
xA
*
*
0.95
p总
p总
pA
pB
p总107.641.85
解得p总=99.76kPa
p总
*
99.76
41.85
pB
x
pA*
pB*
107.6
41.850.8808
本题也可通过相对挥发度求解
*
107.6
pA
2.571
pB*
41.85
由气液平衡方程得
x
y
0.95
0.8808
y
1
y
0.95
2.5711
0.95
p总=pA*xA
pB*
1xA
107.6
0.880841.851
0.8808kPa99.76kPa
2.试分别计算含苯(摩尔分数)的苯—甲苯混合液在总压
100kPa和10kPa的相对挥发度和平衡的气相组
成。
苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压和温度的关系为
lgpA*
6.032
1206.35
t220.24
lgpB*
6.078
t
1343.94
219.58
式中p﹡的单位为kPa,t的单位为℃。
苯—甲苯混合液可视为理想溶液。
(作为试差起点,
100kPa和10kPa
对应的泡点分别取
94.6
℃和31.5℃)
解:
本题需试差计算
(1)总压p总=100kPa
初设泡点为94.6℃,则
lgpA*
6.032
1206.35
2.191
得pA*
155.37
kPa
94.6
220.24
同理
lgpB*
6.078
1343.94
1.80
pB*
63.15
kPa
94.6
219.58
xA
100
63.15
0.3996
0.4
155.37
63.15
或
p总=0.4
155.370.6
63.15kPa100.04kPa
则
pA*
155.37
2.46
pB*
63.15
y
x
2.460.4
1(
1)x
1
1.46
0.6212
0.4
(2)总压为p总=10kPa
通过试差,泡点为31.5℃,p*A=,p*B=
17.02
3.203
5.313
y
3.203
0.4
2.203
0.681
1
0.4
随压力降低,α增大,气相组成提高。
3.在100kPa压力下将组成为(易挥发组分的摩尔分数)的两组分理想溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏。
原
料液处理量为
100kmol,汽化率为。
操作范围内的平衡关系可表示为y0.46x0.549。
试求两种情况下易挥发
组分的回收率和残液的组成。
解:
(1)平衡蒸馏(闪蒸)
依题给条件
q
10.440.56
则
y
q
xF
0.56
0.55
x
q1
x
1.251.273x
q1
0.561
0.561
由平衡方程y0.46x0.549
联立两方程,得y=,x=
D
F
0.44
100
kmol=44kmol
n
0.44n
nDy
100%
44
0.735
58.8%
nFxF
100%
100
0.55
(2)简单蒸馏
nD
44
kmol
nW
56
kmol
ln
nF
ln
100
0.55dx
56
y
x
nW
xW
即
0.5798
1
0.5490.54xW
ln
0.54
0.55
0.54
0.549
解得
xW=
y
xF
nW
xF
xW
0.55
56
nD
0.550.37850.7683
44
A
44
0.7683
100%
61.46%
100
0.55
简单蒸馏收率高(%),釜残液组成低()
4.在一连续精馏塔中分离苯含量为(苯的摩尔分数,下同)苯—甲苯混合液,其流量为100kmol/h。
已知
馏出液组成为,釜液组成为,试求
(1)馏出液的流量和苯的收率;
(2)保持馏出液组成不变,馏出液最大可能的流量。
解:
(1)馏出液的流量和苯的收率
qn,D
qn,F
xW
100
0.5
0.05kmolh50kmolhA
100%
50
0.95
100%95%
xF
qn,DxD
xD
xW
0.95
0.05
qn,FxF
100
0.5
(2)馏出液的最大可能流量
当ηA=100%时,获得最大可能流量,即
qn,Dmax
qn,FxF
1000.5
xD
kmol/h52.63kmol/h
0.95
5.在连续精馏塔中分离
A、B两组分溶液。
原料液的处理量为
100kmol/h,其组成为(易挥发组分
A的摩
尔分数,下同),饱和液体进料,要求馏出液中易挥发组分的回收率为
96%,釜液的组成为。
试求(
1)馏出液
的流量和组成;
(2)若操作回流比为,写出精馏段的操作线方程;
(3)提馏段的液相负荷。
解:
(1)馏出液的流量和组成
由全塔物料衡算,可得
qn,DxD
0.96qn,FxF
0.96
100
0.45kmol/h43.2kmol/h
qn,WxW
1
0.96
1000.45kmol/h
1.8kmol/h
qn,W
1.8
kmol/h=kmol/h
0.033
qn,D
qn,F
qn,W
10054.55
kmol/h=kmol/h
xD
43.2
0.9505
45.45
(2)精馏段操作线方程
y
R
x
xD
2.65x
0.9505
0.726x0.2604
R1
R
1
3.65
3.65
(3)提馏段的液相负荷
qn,L
qn,L
qqn,F
Rqn,D
qn,F
2.6545.45100kmol/h220.4kmol/h
6.在常压连续精馏塔中分离A、B两组分理想溶液。
进料量为
60kmol/h,其组成为(易挥发组分的摩尔分
数,下同),原料液的泡点为
92℃。
要求馏出液的组成为,釜液组成为,操作回流比为。
试求如下三种进料热
状态的q值和提馏段的气相负荷。
(1)40℃冷液进料;
(2)饱和液体进料;
(3)饱和蒸气进料。
已知:
原料液的汽化热为
371kJ/kg
,比热容为kJ/(kg?
℃)。
解:
由题给数据,可得
qn,D
qn,F
xF
xW
600.46
0.04kmol/h
27.39kmol/h
xD
xW
0.96
0.04
qn,W
60
27.39kmol/h
32.61kmol/h
(1)40℃冷液进料
q值可由定义式计算,即
q1
cP
tb
tF
1
1.8292
40
r
371
1.255
V
R
1qn,D1
qF
2.8
127.39
11.255
60kmol/h119.4kmol/h
(2)饱和液体进料
此时
q=1
V
V
R
1qn,D
3.8
27.39kmol/h
104.1kmol/h
(3)饱和蒸气进料
q=0
V
V
qn,F
104.160kmol/h
44.1kmol/h
三种进料热状态下,由于q的不同,提馏段的气相负荷(即再沸器的热负荷)有明显差异。
饱和蒸气进料V′
最小。
7.在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。
原料液流量为
50kmol/h,要求馏出液中易挥发组分的收
率为94%。
已知精馏段操作线方程为
y=+;q线方程为y=2-3
x。
试求
(1)操作回流比及馏出液组成;(
2)
进料热状况参数及原料的总组成;
(3)两操作线交点的坐标值
xq及yq;(4)提馏段操作线方程。
解:
(1)操作回流比及馏出液组成
由题给条件,得
R
0.75及
xD
0.238
R
1
R
1
解得
R=3,xD=
2)进料热状况参数及原料液组成
由于
q
3及xF
2
q
1
1q
解得
q
=
(气液混合进料),xF=
(3)两操作线交点的坐标值
xq及yq
联立操作线及
q线两方程,即
y
0.75x0.238
y
2
3x
解得xq=及yq=
(4)提馏段操作线方程其一般表达式为
y
qn,L
qn,W
xW
x
qn,V
qn,V
式中有关参数计算如下:
qn,D
Aqn,FxF
0.94
500.5kmol/h
24.68kmol/hqn,Wqn,Fqn,D5024.68kmol/h=kmol/h
xD
0.952
xW
1A
qn,FxF
1
0.94
50
0.5
0.0592
qn,W
25.32
qn,L
Rqn,D
qqn,F
3
24.680.75
50kmol/h=kmol/h
qn,V
qn,L
qn,W
111.54
25.32
kmol/h=kmol/h
则y111.54x25.320.05921.294x0.01739
86.2286.22
8.在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液,其组成为(苯的摩尔分数,下同),泡点进料。
要求馏出液组成为,
釜残液组成为。
操作回流比为,平均相对挥发度为,试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。
解:
由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。
习题8附表
y
x
2.46x
0
0
11.46x
在x–y图上作出平衡线,如本题附图所示。
1.0
0.9
0.8
由已知的xD,xF,xW在附图上定出点
a、e、c。
a
xD
0.95
,在y轴上定
精馏段操作线的截距为
0.271
R1
2.5
1
5
0.7
出点b,连接点a及点b,即为精馏段操作线。
0.6
d
0.5
y
e
0.4
0.3
b
0.2
过点e作q线(垂直线)交精馏段操作线于点d。
连接cd
即得提馏段操作线。
从点a开始,在平衡线与操作线之间绘阶梯,达到指定分离
程度需11层理论板,第5层理论板进料。
11
0.1
c
0.0
x
x
x
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
W
F
D
X
习题8附图
9.在板式精馏塔中分离相对挥发度为2的两组分溶液,泡点进料。
馏出液组成为(易挥发组分的摩尔分数,
下同),釜残液组成为,原料液组成为。
已测得从塔釜上升的蒸气量为
93kmol/h,从塔顶回流的液体量为kmol/h
,
泡点回流。
试求
(1)原料液的处理量;
(2)操作回流比为最小回流比的倍数。
解:
(1)原料液的处理量
由全塔的物料衡算求解。
对于泡点进料,q=1
qn,V
qn,V
R
1qn,D
93kmol/h
qn,D
qn,V
qn,L
93
58.5
kmol/h=kmol/h
qn,W
qn,F
qn,D
则
0.6qn,F0.95
34.5
qn,F
34.50.05
解得
qn,F
56.45
kmol/h
(2)
R
为
min的倍数
R
93
R1
34.5
R=
对于泡点进料,Rmin的计算式为
Rmin
1
xD
(1
xD)
0.952
(1
0.95)
1
xF
1xF
0.6
1
1.333
0.6
于是
R
1.7
1.275
Rmin
1.333
10.在常压连续精馏塔内分离苯—氯苯混合物。
已知进料量为
85kmol/h,组成为(易挥发组分的摩尔分数,
下同),泡点进料。
塔顶馏出液的组成为,塔底釜残液组成为。
操作回流比为。
塔顶采用全凝器,泡点回流。
苯、
氯苯的汽化热分别为kJ/mol
和kJ/mol
。
水的比热容为kJ/(kg?
℃)。
若冷却水通过全凝器温度升高15℃,
加热蒸汽绝对压力为
500kPa(饱和温度为151.7
℃,汽化热为
2113kJ/kg)。
试求冷却水和加热蒸汽的流量。
忽略组分汽化热随温度的变化。
解:
由题给条件,可求得塔内的气相负荷,即
qn,D
xF
xW
85
0.45
0.02kmol/h
37.94kmol/h
qn,F
xW
xD
0.99
0.02
对于泡点进料,精馏段和提馏段气相负荷相同,则
qn,V
qn,V
qn,D
R1
4.5
37.94kmol/h
170.7kmol/h
(1)冷却水流量由于塔顶苯的含量很高,可按纯苯计算,即
Qcqn,VA170.730.65103kJ/h5.232kJ/h
qm,c
Qc
5.232
106
kg/h8.33104kg/h
cp,c(t2t1)
4.187
15
(2)加热蒸汽流量
釜液中氯苯的含量很高,可按纯氯苯计算,即
QBqn,VB
170.7
36.52103kJ/h6.234kJ/h
QB
6.234
106
qm,h
kg/h=2.95kg/h
B2113
11.在常压连续提馏塔中,分离两组分理想溶液,该物系平均相对挥发度为。
原料液流量为
100kmol/h,
进料热状态参数
q=1,馏出液流量为
60kmol/h
,釜残液组成为(易挥发组分的摩尔分数)
,试求
(1)操作线方
程;
(2)由塔内最下一层理论板下降的液相组成
x′。
m
解:
本题为提馏塔,即原料由塔顶加入,因此该塔仅有提馏段。
再沸器相当一层理论板。
(1)操作线方程
此为提馏段操作线方程,即
qn,L
qn,W
y
x
xW
qn,V
qn,V
式中
qn,L
qqn,F100kmol/h
qn,V
qn,D
60kmol/h
qn,W
qn,F
qn,D
100
60kmol/h=40kmol/h
则
100
x
40
y
0.011.667x0.0067
60
60
(2)最下层塔板下降的液相组成
由于再沸器相当于一层理论板,故
yW
xW
2
0.01
0.0198
(
1)xW
1
0.01
1
x′
m
与y′符合操作关系,则
W
yW
0.0067
0.0198
0.0067
0.0159
xm
1.667
1.667
提馏塔的塔顶一般没有液相回流。
12.在常压连续精馏塔中,分离甲醇—水混合液。
原料液流量为
100kmol/h,其组成为(甲醇的摩尔分数,
下同),冷液进料(q=),馏出液组成为,甲醇回收率为
90%,回流比为最小回流比的
3倍。
试比较直接水蒸气
加热和间接加热两种情况下的釜液组成和所需理论板层数。
甲醇—水溶液的
t–x–y数据见本题附表
习题12附
表
温度t
液相中甲醇的
气相中甲醇的
温度t
液相中甲醇的
气相中甲醇的
℃
摩尔分数
摩尔分数
℃
摩尔分数
摩尔分数
100
解:
(1)釜液组成由全塔物料衡算求解。
①间接加热
qn,D
0.9qn,FxF
0.91000.3
kmol/h29.35kmol/h
(10.9)
1000.3
xD
0.92
xW
0.0425
100
29.35
②直接水蒸气加热
qn,Wqn,LRqn,Dqqn,F
关键是计算R。
由于q=,则q线方程为
y
q
xF
6x
1.5
x
q
q1
1
在本题附图上过点
e作q线,由图读得:
xq=,yq=
Rmin
xD
yq
0.92
0.71
0.6176
yq
xq
0.71
0.37
R
3Rmin
3
0.6176
1.85
于是qn,W
1.85
29.35
1.2100kmol/h174.3kmol/h
xW
(1
0.9)
100
0.3
0.0172
183.8
显然,在塔顶甲醇收率相同条件下,直接水蒸气加热时,由于冷凝水的稀释作用,xW明显降低。
(2)所需理论板层数在x–y图上图解理论板层数
1.0
1.0
0.9
a
0.9
a
0.8
(xq,yq)
0.8
(xq,yq)
0.7
4
0.7
4
0.6
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- 新版 化工 原理 习题 答案 第九 蒸馏 doc