化工原理作业.doc

1、第一部分 概念题示例与分析 一、 填空题 4 1 精馏过程是利用 和 的原理进行完成的。答案：多次部分气化；多次部分冷凝 4 2 最小回流比是指 。答案：塔板数为无穷时的回流比的极限值 4 3 当分离要求和回流比一定时， 进料的 q 值最小，此时分离所需的理论板数 。答案：过热蒸气；最多 分析： 5种进料状况中的 q 值是依过冷液体、 饱和液体、气液混合、饱和蒸气和过热蒸气顺序由大变小的，这是由热状况参数 q 定义所确定的。 LVFV II IIm o lm o lq 原料液的气化潜热 所需热量的原料变成饱和蒸气态 11 由定义可见，在 VI 、 LI 为定值的情况下 ,原料的原状态焓值越低，

2、 q 值越大。 q 值的改变使提馏段操作线与平衡曲线间的距离发生变化，当 q 值减小时，两线靠近，故所需理论板数增多。 4-4 简单蒸馏的主要特征是 _和 _。答案：不稳定操作或过程不连续；无回流 4-5 若原料组成、料液量、操作压力和最终温度都相同，二元理想溶液的简单蒸馏和平衡蒸馏相比较的结果有：所得馏出物平均浓度 _； 所得残液浓度 _;馏出物总量 _。答案：简单蒸馏的馏出物平均浓度大于平衡蒸馏的馏出物平均浓度；两种情况的残液浓度相同；平衡蒸馏的馏出物总量大于简单蒸 馏的馏出物总量。 4-6 恒沸精馏和萃取精馏主要针对 _和 _物系，这两种特殊精馏均采取加入第三组分的办法以改变原物系的 _

3、。答案：沸点差很小；具有恒沸物体系；相对挥发度 4-7 精馏操作的依据是 _ 。精馏操作得以实现的必要条件包括 _和 _。 答案：混合液中各组分的挥发度的差异；自塔顶向下的液流和自塔底向上的气流 分析：精馏操作的依据只能是各组分间挥发度的差异或者说相对挥发度不等于 1，而不可认为是各组分间沸点的不同。对纯组分，当压力一定时，沸点 低者挥发性大。但对混合溶液，由于一个组分的挥发性受其他组分的影响，故不能仅从沸点或蒸气压大小来判断其挥发性能，为此，组分的挥发度是以蒸气压与液相摩尔分数的比值来表示的。有些物系，各组分沸点虽存在差异，但在恒沸组成处，相对挥发度为 1，不能用普通的精馏方法分离。 塔内始

4、终有逆向流动的液、气两股物流是实现精馏的必要条件，但并不意味塔顶必须有液相回流，塔底必须有产生回流蒸气的再沸器。例如将液态原料自塔顶加入，将气态原料自塔底加入或将饱和蒸气直接加入塔底等情况，均可替代回流作用。 4-8 恒沸精馏和萃取精 馏的主要区别是 _； _ 。答案：恒沸精馏添加剂应与被分离组分形成新的恒沸物；萃取精馏中的萃取剂则应具有沸点比原料中组分的沸点高得多的特性 4-9 等板高度 )(HETP 的意义是 _。若某填料塔的填料层高度为 m10 ，完成分离要求共需 22 块理论塔板（包括塔顶的部分冷凝器和塔底的再沸器），则等板高度 HETP 。 答案：与一块理论塔板传质作用相当的填料 层

5、高度； mH E T P 5.0)222/(10 分析：由于塔顶分凝器和塔釜均起理论板的分离作用， 故塔内的理论板数不应包括此 2 块，即全部填料层只起了 20 块塔内理论板的分离作用。 4-10 相对挥发度 =1，表示不能用 普通精馏分离 分离，但能用 萃取精馏或恒沸精馏分离 分离。 4 11 当增大操作压强时，精馏过程中物系的相对挥发度 ，塔顶温度 ， 塔釜温度 。答案：减小；增加；增加 分析：同一物系，总压越高，物系中各组分的沸点及混合物的 泡点越高。物系中各组分的饱和蒸气压亦随总压升高而升高，由于轻组分的饱和蒸气压上升的速率低于重组分的饱和蒸气压上升的速率，故各组分的挥发度差异变小。

6、4-12 连续精馏操作时，操作压力越大，对分离越 ，若进料气液比为 4:1 （摩尔）时，则进料热状况参数 q 为 。答案：不利； 0.2 分析：若进料汽液比为 1： 4，则液相占总进量的比率 为 2.0141 。 q 值既是进料的液相分率，又是热状况参数。 4-13 全回流时，塔顶产品量为 _,塔底产品量为 _,进料量为 _,回流比 _,理论板数为_,全回流适用的场合通常是 _。答案： m in ;0;0;0 NNRFWD T 精馏生产开工或实验研究 4-14 总压为 )748(7.99 mmHgkPa ,100时苯与甲苯的饱和蒸气压分别是 )1 3 4 4(18.1 7 9 mmHgkPa

7、和)5 5 9(53.74 m m H gkPa ,平衡时苯的气相组成为 _,甲苯的液相组成为 _,（以摩尔分数表示）。苯与甲苯的相对挥发度为 _ 。 答案： 0.241;0.567;2.40; 分析 241.053.7418.179 53.747.99 BABpp ppx 苯 ; 由 4 3 3.02 4 1.07.99 18.1 7 9 AA xppy苯得 567.01 苯甲苯 yy BAppa 40.253.74 18.179 4-15 写出相对挥发度的几种表达式 = BA vv / =BBAA xp xp / =BABA xx yy / = oBoA pp / 。 二、判断题 1 在精

8、馏塔内任意 1 块理论板，其气相露点温度大于液相的泡点温度。（ ）答案： 分析：理论板 是为了便于研究塔板上的传质情况而理想化的塔板，其特点是无论进入该板前气、液相组成如何，离开该板时气、液两相在传质、传热两方面都达到平衡，即离开该板的气、液两相组成平衡，温度相同。 2 组分 A 和 B 的相对挥发度 1 的混合溶液不能用普通精馏的方法分离。（ ）答案： 3 为节能降耗，对有恒沸现象的二元体系，应采用恒沸精馏而不是萃取精馏。（ ） 答案： 板式塔中气体通过塔板的阻力主要有 和 两 部分。塔板结构设计时，溢流堰长度应适当，过长则会 ，过短则会 。 溢流堰高度也应适当，过高会 ，过低会 。 答案：

9、干板降压；液层降压；降低塔板面积有效利用率；由于降液管截面过小导致流不畅， 分析：萃取剂在精馏过程中基本不气化，故萃取精馏的能耗量较恒沸精馏少。 4 根据恒摩尔流假设，精馏塔内气、液两相的摩尔流量一定相等。（ ）答案： 分析：精馏段与提馏段的摩尔流量由于进料时不同的热状况的影响而不一定相等。对于有侧线抽出的复杂塔，依抽出物的热状况不同更加不同。 5 蒸馏操作的依据是物系中组分间沸点的差异。（ ）答案： 分析：对于具有共沸组成的物系，虽然组分间存在沸点差异， 但在相对挥发度 1 处不能分离。 6 精馏设计和操作时， 若回流比 R 增加并 不意味塔顶产品量 D 减小。（ ）答案： 7 连续精馏塔的

10、塔顶和塔底产品分别为 D 和 W ，则精馏段液气比总是小于，提馏段液气比总是大于。答案： 分析：若 0WD ，则为全回流，此时是液气比的极限值，即 1 VLVL 。 8 用图解法求理论板数时，与下列参数有关： F 、 Fx 、 q 、 R 、 、 D 、 Dx 。（ ） 答案： 分析：图解法求 TN 时，须知塔底组成 Wx 可通过全塔衡算依 F 、 xf、 D 、 Dx 确定。 9 填料的等板高度 )(HETP 以大为好， HETP 越大，分离越完善。（ ）答案： 分析：等板高度 )(HETP 是与一层理论塔板的传质作用相当的填料层高度 。 HETP 越小，说明填料的传质效率越好。 10 在馏

11、出率相同的条件下，简单蒸馏所得 到的馏出物的浓度组成低于平衡蒸馏。（ ） 答案： 分析：由于简单蒸馏所得的多数馏出物（开始阶段得到的）与组成较高的液体成平衡，而平衡蒸馏所得全部馏出物都与较低的残液浓度组成相平衡，所以连续操作的平衡蒸馏不如间歇操作的简单蒸馏的分离效果好。 三、选择题 1 已知 q=1.1，则加料中液体量与总加料量之比为 C 。 A 1.1:1 B 1:1.1 C 1:1 D 0.1:1 2 精馏中引入回 流，下降的液相与上升的汽相发生传质使上升的汽相易挥发组分浓度提高，最恰当的说法是 D 。 A 液相中易挥发组分进入汽相； B 汽相中难挥发组分进入液相； C 液相中易挥发组分和

12、难挥发组分同时进入汽相，但其中易挥发组分较多； D 液相中易挥发组分进入汽相和汽相中难挥发组分进入液相必定同时发生。 3 某二元混合物，其中 A为易挥发组分，液相组成 xA=0.6，相应的泡点为 t1，与之相平衡的汽相组成 yA=0.7，相应的露点为 t2，则 A A t1=t2 B t1t2 D 不确定 4某二元混合物，进料量为 100kmol/h， xF=0.6，要求得到塔顶 xD不小于 0.9，则塔顶最大产量为 B。 A 60kmol/h B 66.7kmol/h C 90kmol/h D 不能定 5 精馏分离某二元混合物，规定分离要求为 Dx 、 wx 。 如进料分别为 1Fx 、 2

13、Fx 时，其相应的最小回流比分别为 1minR 、 2minR 。当 21 FF xx 时，则 （ ）。 A 2min1min RR ； B 2min1min RR ； C 2min1min RR ； D minR 的大小无法确定 答案： A 6 精馏的操作线为直线，主要是因为（ ）。 A 理论板假定； C. 理想物系； B 塔顶泡点回流； D. 恒摩尔流假定 答案： D 分析：由于作了恒摩尔流假定后，通过塔顶或塔底的物料衡算关系，才推导出直 线的操作线方程。 7 精馏操作时，若在 F 、 Fx 、 q 、 R 不变的条件下，将塔顶产品量 D 增加，其结果是（ ） A Dx 下降， Wx 上升

14、； B Dx 下降， Wx 不变； C Dx 下降， Wx 亦下降； D 无法判断； 答案： C 分析：当 D 增加时， Dx 必然减小，但因回流比 R 不变，只有 V 和 L 同时增加，即 V 和 L 同时增加，以 1q 为例，从提 馏段操作线斜率看 1 R DFRVL ，当 D 增大后， VL 变小，而 TN 不变，故有Wx 减小。 8 二元溶液连续精馏计算中，进料热状况的变化将引起以下线的变化（ ）。 A 提馏段操作线与 q 线； 平衡线； C平衡线与精馏段操作线； D.平衡线 与 q 线； 答案 :A 9 流率为 800 hkmol/ 组成为 0.4的二元理想溶液精馏分离，要求塔顶产品

15、组成达到 0.7，塔底残液组成不超过 0.1，泡点进料，回流比为 2.5。要使塔顶采出量达到 500 hkmol/ ,应采取措施（ ）。 A：增加塔板数； B：加大回流比； C改变进料热状况； D塔顶增加分凝器； E增加进料量 答 案： E 分析：由)( )( wD WF xx xxFD 的物料衡算式知， hkm o lD /4001.07.0 1.04.0800 。当 Dx 、 wx 、 Fx均确定后，只有改变 F 才可改变 D 。其他几种措施只能改变分离能力。 10 某精馏塔精馏段和提馏段的理论板数分别为 1N 和 2N ，若只增加提馏段理论板数，而精馏段理论板数不变，当 F 、 Fx 、

16、 q 、 R 、 V 等条件不变时，则有（ ）。 A Wx 减小， Dx 增加； B Wx 减小， Dx 不变； C Wx 减小， Dx 减小； D Wx 减小， Dx 无法判断 答案： A 分析：由题中条件和 DRV )1( 知， D 不变，再由WDWF xx xxFD 和提馏段板数增加导致加料板位置降低可知，必有 Dx 增加，同时 Wx 减小才可保证FD不变。 四、计算 1.用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量 100kmol/h，易挥发组分 xF=0.5，泡点进料，得塔顶产品 xD=0.9，塔底釜液 xW=0.05（皆摩尔分率），操作回流比 R=1.61，该物系平均相对挥发度 =2.25

17、，塔顶为全凝器 ，求： (1) 塔顶和塔底的产品量（ kmol/h）； (2) 第一块塔板下降的液体组成 x1为多少； (3) 写出提馏段操作线数值方程； (4) 最小回流比。 解：（ 1）塔顶和塔底的产品量（ kmol/h）； F=D+W=100 （ 1） 505.01 0 005.09.0 FFxWD （ 2） 上述两式联立求解得 W=47.06kmol/h D=52.94kmol/h （ 2）第一块塔板下降的液体组成 x1为多少； 因塔顶为全 凝器， 111 )1(1 xxyx D 80.09.025.125.2 9.0)1( 111 yyx （ 3）写出提馏段操作线数值方程； 17.1

18、 3 894.5261.2)1( DRVV 23.1 8 51 0 094.5261.1 FRDqFLL 则 0 1 7.034.1 17.1 3 805.006.4717.1 3 823.1 8 51mmWmmxxVWxxVLy （ 4）最小回流比。 泡点进料， q=1, 5.0 Fq xx 692.05.025.11 5.025.2)1(1 qqq xxy 083.15.0692.0 692.09.0m in qq qD xy yxR2.某连续精馏操作分离二元混合溶液，已知操作线方程为： 精馏段 16.080.0 xy 提馏段 02.040.1 xy 若进料时，原料为气液相各占一半的混合态

19、，求塔顶及塔底产品产率及回流比。 分析：若求产品产率，必须确定塔顶产品 ,塔底产品和进料的组成。将精馏段操作线方程、提馏段操作线方程分别与对 角方程联立，即可确定塔顶，塔底组成。而进料组成可由两个操作线方程与进料方程联解求得 解：联解 16.080.0 xy 及 xy 得塔顶产品组成 80.0 xxD 再联解 02.040.1 xy 及 xy 得塔底产品组成部分 05.0 xxW 再联解 16.080.0 xy 及 02.040.1 xy 得 3.0x , 4.0y 将此代入 q 线方程，且由题巳知 21q 11 qxxqqy F15.03.015.0 5.04.0 Fx 解得 35.0Fx

20、由全塔物料衡算式 WDF 及全塔轻组分物料衡算式 WDF WxDxFx 知塔顶产品产率 %404.005.080.0 05.035.0 WD WF xx xxFD塔底产品产率 %606.04.01 F DFFW 由精馏段操作线方程斜率 80.01RR 解得 4R 3.在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热，平均相对挥发度为 2.47，饱和蒸汽进料。已知进料量为 150kmol/h， 进料组成为 0.4（摩尔分率），回流比为 4，塔顶馏出液中苯的回收率为0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率为 0.95。试求： （ 1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成；（ 2）精馏段操作线方程

21、；（ 3）提馏段操作线方程；（ 4）回流比与最小回流比的比值；（ 5）若全回流操作时，塔顶第一块塔板的气相默弗里板效率为 0.6，全凝器液相组成为 0.98，求由塔顶第二块板上升的气相组成。 解：（ 1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成； 由 DF DxFx 97.0 （ a） ）WF xWxF 1()1(95.0 （ b） F=D+W+150 （ c） 604.01 5 0 FWD FxWxDx （ d） 联立（ a）、（ b）、（ c）和（ d）求解得： W=87.3kmol/h， D=62.7kmol/h xW=0.0206， xD=0.928 （ 2）精馏段操作线方程； 1 8 5 6.08

22、.0111 nDnn xRxxR Ry（ 3）提馏段操作线方程； VWxxVLy Wmm 1饱和蒸气进料，故 q=0 FRV )1( ， DRLL 则 0 1 1.05 3 4.1)1()1(1 mWmm xFDR WxxFR RDy（ 4）回流比与最小回流比的比值； qqqD xy yxR min q=0， 4.0 Fq xy 由 qqq xxy )1(1 得 2125.0qx 8 1 6.22 1 2 5.04.0 4.09 2 8.0m in R， 42.1min RR（ 5）求由塔顶第二块板上升的气相组成。 6.021211 yy yyE mV ， 而 111 )1(1 xxy 全回流时， 12 xy 22111 47.11 47.2)1(1 yyxxy 98.01 y ， 代入上式可得： 9693.02 y