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1、第九章 蒸 馏习题课乙苯-苯乙烯精馏塔的塔顶压强为6.665kPa,在塔顶第一块板上 的液体中装有温度计,已测得液体温度为58.8,假设板上的液 体与上方气体已达到平衡状态,求气液两相组成及相对挥发度各 为多少?若保持操作压强不变,由于空气漏入,气相中空气的分 压为0.6665kPa,并假设板上液体组成不变,且已与气相呈平衡 状态,问温度计的读数为多少?气相组成和相对挥发度有何变化 ?此时气相中乙苯与苯乙烯的相对含量有何变化?乙苯(A)-苯 乙烯(B)混合液可视为理想溶液。例1惰性气体对相平衡的影响解:未漏气则:A、B饱和蒸气压通过安托因公式计算,查表得:ABC 乙苯9.39933279.47
2、-59.95 苯乙烯9.39913328.57-63.72式中p0单位:bar;T的单位K同理:则:则:空气漏入令:试差法求解温度:设,则:设,则:取:,则:反复迭代,最后: 则:,惰性气体对相平衡没有直接的影响,但在总压 不变的条件 下,惰性气体的存在使气相中各组分的蒸汽分压降低,其作用 相当于提高真空度,导致平衡温度下降。因此真空操作的精馏 塔,塔顶漏气越严重,气相中空气分压越高,液体温度越低。在常压下将含苯60%、甲苯40%的混合液进行平衡精馏,汽化率为30% ,已知物系的相对挥发度为2.47,试求: 汽、液两相的组成; 若对此混合液进行简单精馏,使残液浓度与平衡精馏相同,所得馏出 物中
3、苯的平均浓度为多少?馏出物占原料液的百分率为多少? 若将剩下的残液继续进行简单精馏,使总汽化率与平衡精馏相同,所 得馏出物单独收集,此馏出物中苯的平均浓度为多少?两阶段简单精馏 所得馏出物的总平均组成如何?例2 平衡精馏与简单精馏的比较解:根据物料衡算根据题意:,则:根据相平衡:两方程联立求解:,根据:,(注:)则:根据:则有:因为:,即:而:则:化简:试差法求解该方程,得:两阶段总平均组成:结论:在馏出率相等的条件下,简单蒸馏所得到的馏出物的浓 度高于平衡蒸馏。这是因为平衡蒸馏所得到的全部馏出物皆与 残余浓度(x=0.5389)成平衡,而简单蒸馏所得的大部分馏 出物(第一阶段得到的馏出物)是
4、与组成较高的液体成平衡, 只有较少部分(第二阶段得到的馏出物)与浓度低于0.5389的 液体成平衡的缘故。由此可见,平衡蒸馏虽然实现了过程的连 续化,但同时也造成了物料的返混,其分离效果不如间歇操作 的简单蒸馏。某苯与甲苯混合物中含苯的摩尔分率为40%,流量为100kmol/h, 拟采用精馏操作,在常压下加以分离,要求塔顶产品浓度为0.9, 苯的回收率不低于90%,原料预热到泡点加入塔内,塔顶设有全凝 器,液体在泡点下进行回流,回流比取其最小值的1.5倍。已知在 操作条件下,物系的相对挥发度为2.47,试求: 为完成分离任务所需要的最少理论板数为多少? 在精馏塔内循环的物料量为多少?例3理论板
5、数的计算解:最少理论板数的计算则:根据:因为:求q线线: ,故:q线与平衡线交点e(xe,ye)为:求最小回流比Rmin:则:故精馏段操作线:即:则q线与精馏段操作线交点d(xd,yd)为:则提馏段操作线为 :相平衡关系:逐板计算理论板数,列表如下:n012345678910xn0.90.78470.65570.53620.44300.37970.32480.25610.18220.11470.0617 yn+10.90.82470.74060.66270.60190.54300.45950.35490.24240.1398 精馏段操作线方程提馏段操作线方程共用理论板数:加料板为第5块。块在塔
6、内循环的物料量:提馏段:精馏段:结论结论 :从计算结果可知:为将的料液加工成的塔顶产 品和的塔底产品,需要塔内循环。此部分物料的液态形式自塔顶流到塔底,而在塔底又以气 态形式返回塔顶。精馏过 程正是利用汽液两相在塔内的接触传质 ,使 混合液分离得以完成。当分离要求一定时,循环量越大所需要的板数越 少。物料循环的代价是发生相变时 所消耗的能量。的物料在有两股苯和甲苯混合物,摩尔流量之比为1:3,含苯浓度依次为0.5 与0.2(皆为摩尔分率),欲在同一精馏塔内进行分离,要求塔顶 产品浓度为0.9,而釜液浓度不高于0.05。两股物料皆预热至泡点 ,分别在适当位置加入塔内,在操作条件下,两组分的相对挥
7、发度 为2.47,试求该精馏过程的最小回流比。例4复杂塔最小回流比的计算解:精馏过 程图示如下:求q1线与平衡线交点e1点坐标(xe1,ye1)因泡点进料,故:求q2线与平衡线交点e2点坐标(xe2,ye2)即:因泡点进料,故:由于:故:同理:而:故:因为:,根据全塔物料衡算:则:最后:则:由于:故最小回流比为:结论:在精馏塔内的任何一点,只要假定操作线与平衡线相交 ,均可求出一个最小回流比,而所有这些最小回流比的最大值 才是精馏过程的最小回流比。因此,精馏过程的最小回流比原 则上应该逐点计算,不过对于两元系统,可只计算若干可能性 最大的点的最小回流比,然后从中选出最大值便可确定。在常压下用精
8、馏方法分离甲醇和水混合液,混合液中含甲醇30% (摩尔分率),要求塔顶产品浓度为0.9,甲醇回收率为90%,所用 回流比为2.0,原料液在过冷状态下入塔,q=1.2,试求按以下两种 供热方式分别计算所需的理论板数: 间接蒸汽加热; 直接蒸汽加热。例5直接蒸汽与间接蒸汽加热所需理论板数的比较附图:甲醇-水的相平衡线解:间接蒸汽加热即:q线方程:q线与精馏段操作线交点d(xd,yd):联立求解,得:,精馏段操作线方程:求提馏段操作线方程:,又:即:则:最后:两操作线方程获得后,在y-x图上自上而下作梯级,求得加料板为第4块。精馏段操作线不变,即:求提馏段操作线:即:因为:则:直接蒸汽加热又:即:则
9、:故:代入全塔物料衡算,得:所以:则提馏段操作线方程为:化简:即可。由本题相平衡曲线可知:只要在对角线上点,加料板为第4块。可见采取直接加热与间接加热,两操作线方程位置相同,直接加 热的提馏段操作线只是将间接加热的提馏段操作线方程延长至(0.04286,0.04286)再向下作一块理论板,即可满足要求,即:有甲醇和水混合液,含甲醇30%(摩尔分率),拟用回收塔回收其 中的甲醇,要求釜液浓度不超过0.05(摩尔分率),料液在过冷状 态加入塔顶,加料热状态q为1.4,物系在操作条件下的平衡关系如 附图所示。试求: 用普通回收塔可能得到的塔顶产品的最大浓度为多少?此时每得 1kmol塔顶产品所消耗的
10、热量为多少? 在回收塔顶设一全凝器,将冷凝液的2/3在泡点下回流入塔,为得 到上述最大浓度的塔顶产品,所需要的理论板为多少?例6回收塔所需理论板数的计算附图:甲醇-水的相平衡线解:先求q线方程在y-x相平衡曲线上可 作出q线,该线与平衡 线的交点为e,则直线 ce即为提馏段操作线 。如下图所示:在给定条件下,回收塔可能得到的最大产品浓度如e点纵坐标所示,即:。下面求每得1kmol塔顶产 品所消耗的热量Q:式中:V为塔釜液相汽化速率,即提馏段气相速率;由于釜液中含 甲醇量很少,汽化潜热可按纯水计算,即r为纯 水汽化潜热,其值在 常压下为2257.0kJ/kg;D为塔顶馏 出液流量。而:故:即:下
11、面集中精力求F/D:因:根据全塔物料衡算:即:则:则:最后:求提馏段操作线方程:下面集中精力求解方程中各常数项!而:因:,故:即:,则:当塔顶有回流时根据全塔物料衡算:则:最后:因:最后提馏段操作线方程为:该方程求出后,通过作图法(M-T图解法)可获得理论板数,如下图所示:说明:因回收塔无精馏段,同时加料板在塔顶,不是处于最佳加料位置 ,故画梯级时 只能在提馏段操作线与平衡线之间进 行,结果:。下面求当有回流时,能量消耗Q:由计算结果可知:存在回流时,塔板数减少,其代价是能耗的 增加。某苯与甲苯混合物中含苯的摩尔分率为31.58%,在总压为 101.3kPa 下进行平衡蒸馏,汽化率为30%,所
12、得两相组成各为多少?若保持 其它条件不变,将总压 增加一倍,所得两相组成有何变化?苯和甲 苯的饱和蒸汽压可按安托因经验 公式计算。ABC 苯9.28062788.51-52.36 甲苯9.39353096.52-53.67(参考答案:x=0.256,y=0.4554;x=0.262,y=0.441)习题1操作压强对平衡蒸馏的影响式中p0单位:Pa;T的单位K。有两股苯和甲苯混合液,摩尔流量之比为1:3,浓度各为0.5和0.2(皆 为苯的摩尔分率),拟在同一精馏塔进行分离,要求塔顶产品浓度为 0.9,釜液浓度不高于0.05。两股料液皆预热至泡点加入塔内,在操作 条件下,两组分的相对挥发度为2.47,回流比取2.5,试求按以下两种 方式操作所需要的理论板数: 两股物料各在适当位置分别加入塔内; 两股物料混合进料。习题2组成不同的物料混合进塔与单独进塔所需理论板数的比较(参考答案:N=10,第一股物料的加料板为第4块,第二股物料的加 料板为第7块;N=12,加料板为第6块。)课后习题P145页 16、18(选做)、20 下周上课前交