2012分离工程习题解答及思考题

分离工程习题及解答-1-第一章多组分精馏1、欲分离苯（1）、甲苯（2）和二甲苯（3）的三元混合物，精馏塔的进料、塔顶产品和塔底产品的组成如下：组分苯甲苯二甲苯塔顶产品0.9950.0050塔底产品0.0050.7440.251进料0.6000.3000.100塔于常压下操作。试求：（1）塔顶分凝器和塔釜温度。（2）若进料温度为92oC，确定进料相态。假设液相服从拉乌尔定律，汽相可作为理想气体。三个组分的蒸汽压分别用下列各式计算：KTmmHgPTPTPTPiSSSS−−⎪⎭⎪⎬⎫−−=−−=−−=)04.58/(99.33661390.16ln67.53/(52.30960137.16ln)36.52/(51.27889008.15ln321解：（1）塔顶分凝器温度，即分凝器出口蒸汽的露点温度。//180.0,/1T81.0,/1T80.3,SiiiiioSiiiiioSiiiiioSiiiiKpPxyKtCpKxyKtCpKxyKtCpKxy=========∑∑∑∑∑∑∑∑（完全理想系）（露点方程）设，计算及，设低了；设，计算及，设高了；设，计算及/1.0019180.3ioKC=≈∴认为分凝器温度为。（2）塔釜温度，即釜液组成的泡点温度。/1115.0,1T116.5,1T116.0,SiiiiioSiiiiioSiiiiioSiiiKpPyxKtCpKyxKtCpKyxKtCpKy==×===×==×==∑∑∑∑∑∑∑（完全理想系）（泡点方程）设，计算及，设低了；设，计算及，设高了；设，计算及1.00711116.0iioxKC×=≈∴∑认为塔釜温度为。分离工程习题及解答-2-（3）确定92℃时的进料状态。123123921081.21433.71176.89/1.42270.57070.2328921.0481oSSSSiioiiitCpppKpPKKKCyzK=========×=∑∑当时，设为泡点温度，则：由（说T92/1.3761T92oiiioCxzKC==∴∑∑明料液温度高于泡点温度）设为露点温度，则：由（说明料液温度低于露点温度）可判断进料时，是汽液两相混合进料。2、异丙醇（1）—水（2）系统的无限稀释活度系数YY试用此对数值计算wilson常数λ12和λ21，并计算x1=0.1665（mole分率）时的泡点温度和汽相组成y1。12978322∞∞==..，。已知：异丙醇和水的蒸汽压可分别用下列各式计算：ln../(.)ln../(.)PTPTPmmHgTKSSSi1218692936402053541830363816444613=−−=−−⎫⎬⎭−−系统处于常压。（提示：试差求λ12和λ21时，可取初值λ12=0.1327）解：已知：代入Wilson方程设由此反复迭代，直到为止。112209.7803.22γγ∞∞→=→=，；，r11212rrxx1122122112lnln()1-(1)lnln()1-(2)γγ∞∞=−Λ+Λ=−Λ+Λ1122121120.132712rrrΛ=ΛΛΛ＋代入（）式可得，将代入（）式可得()ε+Λ−Λ得：Λ12＝0.1327，Λ21＝0.7393将Λ12，Λ21代入Wilson方程，并计算x1＝0.1665，x2＝0.8335时的。12,γγ122111122211222211211222211122111122lnln(x)()(1)xxlnln(x)()(2)xxxxxxxxxxγγΛΛ=−+Λ+−+Λ+ΛΛΛ=−+Λ+−+Λ+Λ得：1122ln1.0383,2.8245ln0.0933,1.0978γγγγ====分离工程习题及解答-3-设该二元系汽相为理想气体，液相为实际溶液，则1212,,1.81831SSiippKKKx=∑及和设t＝100℃，计算，设t＝80.0℃，计算，pp1212,,0.84991SSiiKKKx∑=及和1212,,1.00151SSiippKKKx=≈∑及和设t＝84.1℃，计算。计算汽相组成：120.16652.9887/1.00150.50130.83350.6046/1.00150.499084.1iiiiioBKxyKxyytC==×==×==∑（归一）3、用常规精馏分离下列烃类混合物：组分CH4C2H4C2H6C3H6C3H8C4（烷烃）mole%0.5224.98.838.73.0554.0工艺规定塔顶馏出液中C4浓度不大于0.002，塔釜残液中C3H8不大于0.0015，试应用清晰分割法估算塔顶和塔底产品的量和组成。解：设F=100Kmol/h,4,4,38383844100(100)(1)1000.540.002(100)(10.0015)46.01/53.99/3.050.00153.050.0812.969/0.00150.081/0.0020.092/54.00.FnCDnCBCHCHCHnCnCxDxDxDDDKmolhBKmolhdBbBKmolhdDKmolhb×=×+−−×=×+−×−===−=−======−09253.908/Kmolh=Kmolh组分dibi,/DiixdD=,/BiixbB=CH40.520.00.01130.00C2H424.90.00.54120.00C2H68.830.00.19190.00C3H68.700.00.18910.00分离工程习题及解答-4-C3H82.970.0810.06450.0015nC40.09253.9080.0020.99854、某料液的组成如下：组分丙烯丙烷异丁烷mole分率0.78110.21050.0084于泡点时加入常规精馏塔进行分离。要求塔顶产品中丙烯的mole分率≥99.5%，塔底产品中的丙烯mole分率≤5%。试计算：（1）分离所需的Rm，并取R=2Rm，计算所需的理论板数N。（2）如果塔顶精丙烯产品中精丙烯浓度达99.7%，塔底组成保持不变，试计算此时能耗比生产99.5%产品时的增加多少？已知：α12=1.12184，α22=1.0，α32=0.54176。解：第一部分1）LK－丙烯，HK－丙烷，q＝1，xD丙烯≥99.5％，XB丙烯≤5％,,,,,,100/1000.78110.995(100)0.0577.365/,22.635/0.9950.00500.050.91290.0371DDDBBBFKmolhDDDKmolhBKmolhxxxxxx=×=×+−×========丙烷丙稀异丁烷丙烷丙稀异丁烷设，对丙稀作全塔物料衡算：解得：，，，，120.5668lg()271.30lg3101.02365110.1574220.310.75[1()]1196.3DABBDBBAmiFiiiDimimmmxxxxNxqxRRRNNRRNRNααϑαϑααϑ⋅===−==−=−=−==−−=−++=∑∑）（包括塔釜））解得：）解得：（包括塔釜）分离工程习题及解答-5-第二部分：1）组分丙烯丙烷异丁烷Xfi0.78110.21050.0084Xdi0.9970.003/Xbi0.050.9140.037对丙烯物料衡算：FXfi=DXdi+BXbi100×0.7811=0.997×D+(100-D)×0.05解得：D=77.2molB=F–D=22.8mol2)求最小回流比（Rm）,,,1.121840.99710.0031110.261.121841.023611.0236iBDimiBxRααθ××=−=+−=−−−∑3)求理论板数（N）,,,,,0.9970.914lg()lg()0.0030.0576lglg1.12184DlkBhkDhkBlkmlkhkxxxxNα××==块=4）求实际回流比（R）理论板数不变：N=96块2140,,25mmRNNR−⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→=吉利兰关联式（）已知：5）能耗222111(1)(24.531)77.21.195(1)(20.31)77.4VRDVRD++×===++×能耗增加：21121.75%VVV−=分离工程习题及解答-6-第二章特殊精馏1、某合成橡胶厂欲用萃取精馏分离丁烯一1（1）和丁二烯（2），以乙腈作为萃取剂，料液量为100Kmol/h，含丁烯一1为0.7，丁二烯为0.3（mole分率），于露点加入塔中。塔内萃取剂浓度基本保持为xS=0.8。工艺要求塔釜液脱腈后丁二烯纯度达99.5%；塔顶丁二烯浓度小于0.05%，乙腈含量小于0.1%，试计算所需的理论板数和溶剂量。已知：xS=0.8时，α12/s=1.67，α1s=19.2，α2s=11.5，取R=1.5Rm。解：,2,1120.00050.00050.999510.001DDxx′′===−）对组分（）作物料衡算10003000051000995.D.(D).′×=×+−×(10.001)DD′=−解得：D69.95kmol/h=）块回收段至块（包括塔釜）另加（吉利兰关联434336.428348.35.15565.214.2567.1lg005.0995.00005.09995.0lglg)lg()1382(121221≈⎯⎯⎯→⎯==⎯⎯→⎯=⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅=′′⋅′′=−NRRRxxxxNmmBBDDmα()()1211221221691100521192020702030059202071920203115005210059200555snDssssnFsnSxx.xx...............αααααα−+=≈==+×+×==××+××=×=）求（）11113834869950810055569950055508108110055508766ssnsnsssnsRDx()Dx/(x)S()x...(.).../((.).kmol/h.)ααα−−−=−−××−−××−=−−×=分离工程习题及解答-7-2、由乙酸乙酯和乙醇组成的二元系，在常压下汽相可以作为理想气体处理，液相的活度系数可由范拉尔方程计算，范拉尔常数为A12=0.8552，A21=0.7526。试判别72.6oC时此系统是否是恒沸物？如存在其组成如何？已知：两组分的蒸汽压可以按下列方程计算：1216151627905057151891193803984168ssslnP../(T.)PmmHglnP../(T.)TK=−−−=−−−乙酸乙酯：乙醇：iA解：11221ssiiiiiiissixyPyPxPPlnPlnPlnlnPlnPlnγγγγ==∴=−=−=）恒沸点时由此可得：22211121122122221112221121lnln:)2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=xAxAxAAxAxAxAAγγ范拉尔方程存在恒沸物。解方程，便可得到），得：式（））式（蒸汽压方程算出。可根据∴=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛==−−°5356.01lnlnlnlnlnln2/146.72ln,ln)3121112212121221212121xxxAAxxAAPPPPCPPssssγγ3、某二元混合液用恒沸精馏方法进行分离，加入的挟带剂S和组分A形成最低恒沸物，从塔顶蒸出，应用空气冷却器使它全部冷凝，部分作为回流，部分作为塔顶产品。设定空冷器的空气进出口温度分别为35℃和45℃，要求空冷器的有效温差为10℃。（1）试估算塔的操作压力最小为多少？（2）计算恒沸物的组成。已知：组分A和挟带剂S的饱和蒸汽压分别由下式计算：ln../(.)ln../(.)PTPTPmmHgTKSASSSi=−−=−−⎫⎬⎭−−15752727666350501665132940463593两者活度系数按下列方程估算：ln.ln.γγAssxx==151522汽相可以作为理想气体处理。分离工程习题及解答-8-解：11050.82ln2)ln6.443628.29ln5.636280.34SSSSSSAAtTtTtttTtTPPmmHgPPmmHg−−−==⇒=−−====Δ进出进出先算恒沸组成，再算操作压力。（）（））求塔顶温度计算C