化工原理第五章精馏答案.docx

1、化工原理第五章精馏答案五 蒸馏习题解答1解: (1)作x-y图及t-x(y)图,作图依据如下: xA=(p-pB0)/(pA0-pB0); yA=pA0xA/p 以t=90为例,xA=/= yA=1008760= 计算结果汇总: t90100110120130x1 0 y1 0 (1+1 0(2)用相对挥发度计算x-y值: y=x/1+(-1)x 式中=M=1/2(1+2) =pA0/pB0 1=760/= ;2=3020/760=M=1/2(1+2)=1/2+= y=(1+ 由此计算x-y值亦列于计算表中,y-x图,t-x(y) 图如下: 1 题 附 图 2解: (1)求泡点: 在泡点下两组

2、分的蒸汽分压之和等于总压P,即:pA+pB=pA0xA+xB0xB=p求泡点要用试差法,先设泡点为87 lgpA0= pA0=mmHg lgpB0= pB0=mmHg +=595600mmHg泡点为87,气相平衡组成为 y=pA/p=pA0xA/P=600= (2)求露点: 露点时,液滴中参与甲苯组成应符合下列关系: xA+xB=1或pA/pA0+pB/pB0=1式中 pA=760=304mmHg; pB=760=456mmHg求露点亦要用试差法,先设露点为103,则:lgpA0= (103+= pA0=mmHg lgpB0= pB0=mmHg于是 : 304/+456/=1再设露点为102,

3、同时求得pA0=; pB0= 304/+456/=1故露点为102,平衡液相组成为 xA=pA/pA0=304/=3解: (1)xA=(p总-pB0)/(pA0-pB0) =(p总-40)/ p总= yA=xApA0/p= (2)=pA0/pB0=40=4解: (1) yD=? D =(y/x)A/(y/x)B =(yD : F=D+W FxF =DxD +WxW已知xF =,xD =,xW =,解得: D/F=(xF -xW )/(xD -xW )=回收率 DxD /FxF =%残液量求取: W/D=F/D-1=1/= W=(V-L)=(850-670)=kmol/h8解: (1) 求D及W

4、,全凝量V F=D+W FxF =DxD +WxW xF =,xD =,xW =(均为质量分率) F=100Kg/h,代入上两式解得: D=Kg/h; W=Kg/h由恒摩尔流得知: F78+92)=V78+92) 注意:如用质量百分数表示组成,平均分子量Mm=1/(aA/MA+aB/MB) 解得 V=87Kg/h 由 于塔顶为全凝器,故上升蒸汽量V即为冷凝量, (2) 求回流比R V=D+L L=V-D=Kg/h R=L/D=(因为L与D的组成相同,故亦即为摩尔比) (3) 操作线方程.因塔只有精馏段,故精馏段操作线方程为 yn+1 =Rxn /(R+1)+xD /(R+1)式中xD 应为摩尔

5、分率 xD =( xD /MA)/xD /MA+(1-xD )/MB =78)/78+92)= yn+1=+= +操作线方程为:yn+1 = +9解: y=R/(R+1)x+xD /(R+1) (1) R/(R+1)= R=+ R=3 (2) xD /(R+1)= xD /(3+1)= xD = (3) q/(q-1)= q=+ q= (4) +=+ += + = xq = (5)0q1 原料为汽液混合物10解: (1) 求精馏段上升蒸汽量V和下降的液体量L,提馏段上升蒸汽量V和下降的液体量L.进料平均分子量: Mm=78+92= F=1000/=Kmol/h FxF =DxD +WxW F=

6、D+W =D+ D=Kmol/h W=Kmol/h R=L/D, L=Kmol/h V=(R+1)D=Kmol/h平均气化潜热r=30807+33320=KJ/Kmol从手册中查得xF =时泡点为95,则: q=r+cp(95-20)/r=+75)/= L=L+qF=+=Kmol/h V=V-(1-q)F=+=Kmol/h (2) 求塔顶全凝器热负荷及每小时耗水量. Qc=Vr r=30804+33320=KJ/Kmol Qc=KJ/h 耗水量 Gc=(50-20)=Kg/h (3) 求再沸器热负荷及蒸汽耗量. 塔的热量衡算 QB+QF +QR=Qv+QW +QL QB=Qv+QW +QL-Q

7、F -QR 该式右边第一项是主要的,其它四项之总和通常只占很小比例,故通常有: QBQV=VIv Iv=(r+Cpt)=+=KJ/Kmol QB=KJ/hKgF/cm2下蒸汽潜热r=522Kcal/Kg=52218=KJ/Kmol 蒸汽需量为Gv Gv =QB/r=h =18=Kg/h (4) 提馏段方程 y=Lx/(L-W)-WxW /(L-W)=解: 提馏段: ym+1=(1) =LxM/V-WxW /V, L=L+qF=RD+F V=(R+1)D W=F-D, 精馏段: yn+1 =Rxn /(R+1)+xD /(R+1) = + -(2) q线:xF = -(3) 将(3)代入(1)得

8、出: ym+1=代入(2) =+ , xD =12解: (1) y1=xD =, =+ x1=, yW =3(3+1)+(3+1)=, =xW +,xW =, (2) D=100 W=(Kmol/h)13解: (1) 求R,xD,xW精馏段操作线斜率为R/(R+1)= R=提馏段方程 y=Lx/(L-W)-WxW/(L-W)=精馏段操作线截距为 xD/(R+1)= xD =提馏段操作线与对角线交点坐标为 y=x=xW xW = xW xW = (2)饱和蒸汽进料时,求取进料组成 将 y=+ y= 联立求解,得x=,y=因饱和蒸汽进料,q线为水平线,可得原料组成y=xF=14解: (1) y1=

9、xD =,x1=(4-3=, (2) y2=1(1+1)+2= (3) xD =xF =, yD =2+2=15解: (1) FxF=Vyq+Lxq =(1/3)yq+(2/3)xq y q = /(1+ xq= yq= (2) Rmin=(xD-yq)/(yq-xq) = R= D= W= xW=(FxF-DxD)/W= L=RD=; V=(R+1)D= L=L+qF=+(2/3)1=; V=V-(1-q)F=3= y=(L/V)x-WxW/V= =16解: 精馏段操作线方程 yn+1 =3/4xn +平衡线方程 y=x/1+(-1)x=(1+提馏段操作线方程 y=其计算结果如下: N0 x

10、 y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由计算结果得知: 理论板为10块(包括釜), 加料板位置在第五块；17解: D/F=(xF -xW )/(xD -xW )= )/ )= 解得:xW =精馏段操作线方程: yn+1 =(R/(R+1)xn +xD /(R+1)= + -(1)平衡线方程:y=x/(1+(-1)x)=3x/(1+2x) 或:x=y/(-(-1)y)=y/(3-2y) -(2)交替运用式(1),(2)逐板计算: xD =y1= .x1=; y2=,x2=; y3=,x3=xW = 共需NT=3块(包括釜). 18解:q=0,xD =,xF =,xW =,R=5,精馏段

11、操作线方程: yn+1=Rxn/(R+1)+xD/(R+1)=5xn/(5+1)+(5+1)=+图解: 得理论板数为11块(不包括釜),包括釜为12块18题附图 19解: (1) F=D+W FxF =DxD +WxW D=F(xF -xW )/(xD -xW )=100 = Kmol/h= Kmol/hW=F-D= Kmol/h (2) NT及NF =? xD =、xW =、q=1、R=；xD /(R+1)=作图得:NT =9-1=8(不含釜)进料位置: NF =6(3)L,V,yW 及xW-1 19题附图q=1,V=V=(R+1)D V=+1)=h L=L+qF=RD+F=+100=h由图

12、读得:yW =, xW-1=20解: (1) 原料为汽液混合物,成平衡的汽液相组成为x ,y平衡线方程 y=x/1+(-1)x=(1+ - (1)q线方程 (q=2/(1+2)=2/3)则 y=q/(q-1)x-xF /(q-1)=-2x+ - (2) 联解(1),(2)两式,经整理得: -2x+=(1+ + 解知,x= y= (2) Rmin=(xD -ye)/(ye-xe)=解: 因为饱和液体进料,q=1 ye=xe/1+(-1)xe=(1+= Rmin=(xD -ye)/(ye-xe)= R=Rmin= Nmin=lg(xD /(1-xD )(1-xW )/xW )/lg =lg(0.

13、95/0. 05)/= x=(R-Rmin)/(R+1)= Y=(N-Nmin)/(N+1) Y= /(N+1)= 解得N= 取15块理论板(包括釜) 实际板数: N=(15-1)/+1=21(包括釜)求加料板位置,先求最小精馏板数 (Nmin)精=lgxD /(1-xD )(1-xF )/xF /lg =lg/= N精/N=(Nmin)精/Nmin N精=N(Nmin)精/Nmin=则精馏段实际板数为 = 取11块 故实际加料板位置为第12块板上.22解: (1) 由 y=x/1+(-1)x=(1+ 作y-x图由于精馏段有侧线产品抽出,故精馏段被分为上,下两段, 抽出侧线以上的操作线方程式:

14、 yn+1 =Rxn /(R+1)+xD /(R+1)=2/3xn + - (1)侧线下操作线方程推导如下: 以虚线范围作物料衡算 V=L+D1+D2Vys+1=Lxs+D1xD1+D2xD2 ;ys+1=Lxs/V +(D1xD1+D2xD2)/V=Lxs/(L+D1+D2)+(D1xD 1+D2xD2)/(L+D1+D2); L=L0-D2, 则:ys+1=(L0-D2)xs/(L0-D2+D1+D2)+(D1xD 1+D2xD 2)/(L0-D2+D1+D2)=(R-D2/D1)xs/(R+1)+(xD1+D2xD2/D1)/(R+1)(R=L0/D1)将已知条件代入上式,得到: yS+

15、1=+ (2) 用图解法,求得理论塔板数为（5-1）块,见附图. 22题附图23解: 根据所给平衡数据作x-y图.精馏段操作线 yn+1 =Rxn /(R+1)+xD /(R+1) = /+1)+1) = +q线方程与q线: 料液平均分子量:Mm=+18=甲醇分子汽化潜热:r=25232=KJ/Kmol 水的分子汽化潜热:r=55218=KL/Kmol 23题附图料液的平均分子汽化潜热: r=+=KL/Kmol 料液的平均分子比热 Cp=KL/Kmolq=r+Cp(ts-tF )/r=+(78-20)/= q线斜率 q/(q-1)=1/13/0.13=提馏段操作线方程与操作线：由于塔釜用直接蒸

16、汽加热,故提馏段操作线过横轴上(xW ,0)一点,于是在x-y图上,作出三条线,用图解法所得理论板数为块,可取8块(包括釜). 24解: 对全塔进行物料衡算: F1+F2=D+W -(1) F1xF1+F2xF2=DxD +WxW 100+200=D+W 100=+ -(2) 由式(1) W=F1+F2-D=100+200-D=300-D 代入式(2)得:D=h L=RD=2=241kmol/h V=L+D=241+=h 在两进料间和塔顶进行物料衡算,并设其间液汽流率为L,V,塔板序号为s. V+F1=D+L Vys+1+F1xF1=Lxs+DxD ys+1=(L/V)xs+(DxD -F1x

17、F1)/V L=L+q1F1=241+1100=341Kmol/h V=V= ys+1=(341/xs+/ ys+1=+25解: 对于给定的最大V,V=(R+1)D,回流比R愈小,塔顶产品量D愈大,但R 需满足产品的质量要求xD , 故此题的关键是求得回流比R.由题已知加料板为第14层,故精馏段实际板数为13层,精馏段板数为: 13=取苯-甲苯溶液相对挥发度为= 用捷算法求精馏段最小理论板数 (Nmin)精=ln y=N精馏段-(Nmin)精/(N精馏段+1)= = 由y= x=(1-Y/(1/=(R-Rmin)/(R+1) R=+Rmin)/ Rmin=(xD -ye)/(ye-xe) 对泡

18、点进料xe=xF = ye=x/1+(-1)x =(1+= Rmin= R=+/= D=V/(R+L)=+1)=Kmol/h 故最大馏出量为Kmol/h26解:求n板效率: Emv =(yn -yn+1 )/(yn*-yn+1 ),因全回流操作,故有yn+1 =xn ,yn =xn-1与xn 成平衡的yn *=xn /1+(-1)xn =(1+=于是: Emv=(xn-1 -xn )/(yn *-xn )=求n+1板板效率: Emv=(yn+1 -yn+2)/(yn+1* -yn+2)=(xn-xn+)/(yn+1*-xn+1 ) yn+1 =(1+=Emv=解:由图可知:该板的板效率为 Em

19、v=(y1-y )/(y1*-yW)从图中看出,y1=xD =,关键要求y1* 与yW .由已知条件 DxD /FxF = D/F=作系统的物料衡算: FxF =DxD +WxW F=D+W联立求解: xF =DxD /F+(1-D/F)xW =+xW 解得xW = 习题27附图因塔釜溶液处于平衡状态,故 yW =xW /1+(-1)xW =(1+=yW 与x1是操作线关系. yn+1 =Lxn /V-WxW /V =Fxn /D-WxW/D =Fxn /D-(F-D)xW /D=Fxn /D-(F/D-1)xW yn+1 =xn /(1/= 当 yn+1 =yW 时,xn =x1 x1=(y

20、W +/=+/=与x1成平衡气相组成为y1* y1*=x1/1+(-1)x1=(1+= Emv=解: (1)精馏段有两层理论板,xD =,xF =,用试差法得精馏段操作线ac,与x=xF =线交于d.提馏段有两层理论板,从点d开始再用试差法作图,得提馏段操作线bd，得：xW = xD/(R+1)= F=D+W FxF =DxD +WxW 100=D+W 100=D+W 得 D=h V=V=(R+1)D=400Kmol/h 28题附图 (2)此时加入的料液全被气化而从塔顶排出,其组成与原料组成相同,相当于一个提馏塔.29解:(1) D=,FxF /xD =100=h,W=h xW = /W=10

21、0= q=1 xq = 查图得yq = Rmin=(xD -yq )/(yq -xq )= R= xD /(R+1)= 在y-x图中绘图得 NT =15-1=14块(未包括釜),N加料=第6块理论板 Np=14/=20块(不包括釜) Np精=5/=,取8块,第九块为实际加料板 (2) 可用措施:(1)加大回流比,xD ,xW ,= (2)改为冷液进料,NT NT q=1, NT =const xD q约为const,下移加料点,xD . 29题附图30解:(1) DxD /FxF =; DxD =150= DxD =FxF -WxW =FxF -(F-D)xW = 150(150-D)= D=

22、h W=F-D=h xD = (2) NT 及NF (进料位置) xD =,xW =,q=1, xD /(R+1)=+1)= a, b, q线: xF=、q=1, q线为垂线。 作图得:NT =12-1=11,不含釜,NF =7(3) 液气比精馏段:L/V=R/(R+1) =+1)= 提馏段: L/V=(L+qF)/(L+qF-W)或V=V ,L=RD L/V=(RD+F)/(R+1)D)=+150)/ = (4)由于再沸器结垢,则QB,V,RxD 若要求维持xD 不变,应提高再沸器加热蒸汽的压力ps,及时清除污垢31解: (1)R=时,xD ,xW 各为多少?由题知,当塔板为无穷时： R=R

23、min =, 30题附图对泡点进料, Rmin =(xD -ye)/(ye-xe) xe=xF =, ye=xe/1+(-1)xe=xF/1+(-1)xF=2(1+= 于是: (xD / 解得: xD = FxF =DxD +WxW xF =DxD /F+(1-D/F)xW 由题知D/F=代入上式,解得xW =, (2)R=时,求xD ,xW . 由题知,当塔板为无穷多时,R=Rmin = Rmin =(xD-ye)/(ye-xe) 同理求得xD =,代入物料衡算式 xF =DxD /F+(1-D/F)xW =xW xW =,不成立. 31题附图 故操作线与平衡线应取xW =0处相交,即: x

24、W =0； FxF =DxD +WxW xD =FxF /D=1/=此时精馏段与提馏段操作线示意图如上: 32解: (1) xF =yq =,; xq =yq/(-(-1)yq)=(3-2= Rmin =(xD-yq)/(yq-xq)= R=2= F=D+W FxF =DxD +WxW =+ D= W= L=RD= V= L=L= V=V-F= y= (2)精馏段操作线 y=(L/V)x+DxD /V=x+ y=+ 或y=Rx/(R+1)+xD /(R+1)=+=+ y1=xD = x1=y1/(3-2y1)=(3-2= y2=+= (3)应维持R不变,此时V=F=1 此时D=V/(R+1)=

25、1/+1)= 即D/F应改为 xW=(FxF-DxD)/W= 33解: q=(r+(80-20)Cp)/r=(40000+60100)/40000= W=L+qF=100=115 D=F+S-W=100+50-115=35 FxF =DxD +WxW y=(L/s)x-(W/S)xW = y2与xW 成平衡 y2=3xW x1=y2/+xW = y1=3x1= =xD 1000 2=35 +115xW xW = xD = =35(1000 = 34解: 作精馏段物料衡算，得精馏段操作线方程：yn+1=(R/(R+1)xn+xD/(R+1) 将 x0=、y1=、xD=代人上述方程：=(R/(R+

26、1)+(R+1)解得： R=操作线： 截距 xD/(R+1)=*1)=作精馏段操作线ac再就q=1,xF=作进料线。从y1、xo开始作梯级，共得6块理论板。 35解：对第n块板:EmL=(xn-1-xn)/(xn-1-xn*)=;xn= yn =xn*/1+(-1)xn*=2xn*/(1+xn*)对第n板作物料衡算：100+100=100(2xn*/（1+xn*）)+100 xn*)解得：xn*= xn= = yn=2(1+=36解：作全塔总物料衡算： F=D+W (1)作全塔易挥发组分物料衡算： FxF=DxD+WxW (2)作分凝器易挥发组分物料衡算： Vy1=DxD+LxL (3)因为：

27、V=2D L=D，（3）式：2y1=xD+xL （3）相平衡方程：xD=xL /1+（-1）xL 即：= /1+（）xL解得：xL=; 代人（3）式：2y1=+,得y1=y1=yW=,代人平衡方程：= /1+（）xW解得：xW=代人（2）得：D=F(xF-xW)/(xD-xW)= Kmol/h, W=h汽化量：V=2= Kmol/h37解：(1) 精馏段操作线方程：yn+1=(R/(R+1)xn+xD/(R+1) =（4/（4+1）x+(4+1)=+ 提馏段操作线方程：y=(L/V)x-(W/V)xWD/F=(xF-xW)/(xD-xW)=/= xW=因为 q=1,所以：L/V=(L+F)/(R+1)D