化工分离工程习题

第三章

习题崔群 2007

6,8,10,13

[P163,6]

用芬斯克方程计算附图精馏塔的最少理论板数与非关键组 分的分配。 解题思路： ① 假设清晰分割→D,W ② 计算塔顶、塔釜温度 ③ 计算各组分平均相对挥发度 ④ Nm=? ⑤ 验证清晰分割

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ① 假设清晰分割→D,W用清晰分割方法对各组进行分预分配，如下表：进料组分 1 2 3 4 5 6 7 8 C3 i-C4 n-C4 (LK) i-C5(HK) n-C5 n-C6 n-C7 n-C8 进料fi kmol/h 2500 400 600 100 200 40 50 40 馏出液 di 2500 400 600-6 15 6 100 -15 200 40 50 40 釜液 wi

[P163,6]

求和

3930

3509

421

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ② 计算塔顶露点温度 塔顶露点tD近似代表塔顶蒸汽温度计算各组分的相对挥发度。 最小平衡级(理论板)对应于全回流，R=1,yi=xi

[P163,6]

由d i y i / k i 1

计算塔顶馏出液的露点温度 tD=31℃

令t= 31℃ ,已知P=700kPa , 查P21 图2-1(a)得Ki列于下表。塔顶组分di 1 2 3 4 求和 C3 i-C4 n-C5 i-C5 2500 400 594 15 3509 yi 0.7125 0.1140 0.1693 0.0043 1 Ki 1.58 0.67 0.483 0.20 yi/Ki 0.4509 0.1701 0.3505 0.0215 0.9931

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ③ 计算塔釜液泡点温度tB塔底tb代表塔底液相温度计算相对挥发度。

[P163,6]

令t=127 ℃ ,已知P=700kPa , 查P21 图2-1(a)得Ki列于下表。釜液组成 kmol/h xw Ki yi=Kixi

34 5 6

n-C4i-C5 n-C5 n-C6

685 200 40

0.014250.2019 0.4751 0.0950

2.81.5 1.27 0.68

0.03990.3029 0.6034 0.0640

78 求和

n-C7n-C8

5040 421

0.11880.0950 1

0.350.20

0.04160.019 1.0714

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ④ Nm=?

[P163,6]

假设清晰分割，由塔顶露点计算得t顶= 31℃ ,塔底泡点计算得t底= 127 ℃ , P=700kPa,查图得各组分的Ki(列于下表)。31 ℃ di 1 2 3 4 5 C3 i-C4 n-C4(LK) i-C5(HK) n-C5 2500 399.5 594 15 6.49 Ki 1.58 0.67 0.483 0.20 0.16 127℃ Ki 5.9 3.4 2.8 1.5 1.27 Wi 0 0.465 6 85 193.5 31℃ αiHK 7.9 3.35 2.415 1 0.8 127℃ αiHK 3.393 2.27 1.87 1 0.85 αiHK平均 5.57 2.76 2.13 1 0.82

67 8

n-C6n-C7 n-C8

00 0

0.0580.022 0.009

0.680.35 0.20

4050 40

0.290.11 0.045

0.450.23 0.13

0.360.16 0.076

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解：计算各组分的相对挥发度 14 ( 14 ) D ( 14 )W 1 / 2 5.57

[P163,6]

24 ( 24 ) D ( 24 )W 1 / 2 2.76

54 ( 54 ) D ( 54 )W 同理

1/ 2

(0.16 / 0.2)(1.27 / 1.5)

1/ 2

0.82

64 0.36, 74 0.16, 84 0.076列于上表

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ④ Nm=?用塔顶、底轻重关键组分计算最小理论板：

[P163,6]

0.483 ( LH ) D 2.415 0.20

2.8 ( LH )W 1.87 1.5

平均 ( LH ) D ( LH )W 1/ 2 (2.415 1.87 )1/ 2 2.13 d d 594 15 lg

/ lg ( 6 ) /( 85 ) w L w H 8.37 Nm lg 平均 lg 2.13

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解： ⑤ 验证清晰分割W1 f1 d N 1 ( ) 4 14m w 2500 15 1 (5.57 ) 8.37 85 8.1 10 3

[P163,6] d N d 14 w 1 w 4m

N d d 1 14 w1 w 4m

f2 2500 W2 0.465 d 15 N 8.37 1 ( ) 4 24 1 (2.76 ) w 85m

f 1 d 1 w1N d 14 w1 w1 w 4m

15 8.37 15 200 ( ) 54 200 ( )0.82 8.37 85 85 d5 6.49 15 8.37 15 1 ( ) 54 1 ( )0.82 8.37 85 85f 5 d 5 w5 d 5 d5 d 5 (1 d N N 54 54 w 4m

d N d 54 w 5 w 4 d5 w5 N d 54 w 4m

m

m

d5 N d 54 1 w 4 d ) 5 d5 d N d w 4 54 w 4 1 m m

2013-9-17

第三章 习题

[P163,6]解：⑤ 验证清晰分割15 8.37 15 ) 64 40( )0.36 8.37 85 85 d6 1.4 10 3 15 8. 15 1 ( ) 6437 1 ( )0.36 8.37 85 85 15 40( )0.076 8.37 15 8.37 50( )0.16 85 d8 3 10 9 6 85 d7 1.92 10 15 15 1 ( )0.076 8.37 8.37 1 ( )0.16 85 85 40(

[P163,6]

w2=0.465,d5=6.49代入调整 因调整对xi,d,xi,w影响不大，故对塔顶、塔底温度影响不大，故 可认为由此而引起的αi变化不大，故可近似认为Nm=8.37不变，只 作组分分配。 最少理论板数Nm=8.37 非关键组分的分配。 (见表)

2013-9-17

第三章 习题

[P164,8]

8. 用精馏塔分离三元泡点混合物，进料量为100kmol/h,进料组成如下：组 成 A B C 摩尔分率 0.4 0.2 0.4 相对挥发度 5 3 1

(1)用芬斯克方程计算馏出液流率为60kmol/h 以及全回流下，当精 馏塔具有5块理论板时，其塔顶馏出液和塔釜液组成。 (2)采用1的分离结果用于B和C间分离，用恩特伍德方程确定最小 回流比。 (3)确定操作回流比为1.2倍最小回流比时的理论板数及进料位置。

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8]

[P164,8]解：(1)用芬斯克方程计算馏出液流率为60kmol/h 以及全回流下，当精馏塔具有5块理论板时，其塔顶 馏出液和塔釜液组成。

解法一已知： N=5块(理论板),F=100kmol/h,D=60kmol/h W=100-60=40kmol/h

已知 Nm=5和各组分α,用芬斯克方程计算求塔顶馏出液和塔釜液组成。 组分 A B zi 0.4 0.2 fi 40 20 α 5 3 di 39.74 18.43 wi 0.26 1.57 xi,d,% 66.23 30.72 xi,w,% 0.65 3.90

CΣ

0.41

40100

1

1.83D=60

38.17W=40

3.05

95.43

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8]

[P164,8]解： 已知 Nm=5和各组分α,用芬斯克方程计算求塔顶馏出液和塔釜液组成。

dA d Nm

B AB WA WBdA+WA=40

40 WA 20 WB Nm AB WA WB

wA

40 20 N 1 AB 1 w B m

dC d B Nm CB WC WBdC+WC=40

40 Wc 20 WB Nm cB Wc WB40 20 Nm ( 1) AB 1 WB WB

WC (

40 20 Nm 1) CB 1 WB

wA+wB+wC=40

40 20 Nm ( 1) CB 1 WB

40

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8]

[P164,8]解：WB 40 1 0 20 40 ( 20 1) Nm 1 Nm ( 1) AB 1 CB WB WB 1 Nm AB ( 5 3 )5 12.86Nm CB ( 1 3 )5 0.0041

上式试算得 WB=1.57(上式左边为 -8.86×10-5)

WA

40 20 Nm ( 1) AB 1 WB

40 20 ( 1)12.86 1 1.57

0.26

wC=40-wA-wB=38.17 dA=40-wA=39.74 dB=20-wB=18.43 dC=40-wC=1.832013-9-17

xA,D=66.23% xB,D=30.72% xC,D=3.05%第三章 习题

xA,W=0.65% xB,W=3.90% xC,W=95.43%14

[P163,8]

[P164,8]解：

(1)解法二已知： N=5块(理论板),F=100kmol/h,D=60kmol/h W=100-60=40kmol/h 设塔顶馏出物中B组成为dB、A在塔底为0,即可得下表。组分 zi fi αi di wi

AB C Σ

0.40.2 0.4 1

4020 40 100

53 1

40dB 60-(40+dB)=20-dB D=60

020-dB 40-(20-dB)=20+dB W=40

d d lg ( ) B ( )C w w Nm 将B、C组成带入芬斯克方程得： lg BC

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8]

[P164,8]解：

解法二 dB 20 d B lg ( ) ( ) 20 d B 20 d B 5 3 ) lg( 1

d B (20 d B ) 35 243 (20 d B )2dB=18.29 dC=1.71

d B 2 40.25d B 401.65 0校核 wA=?wA

wB=20-18.29=1.71wC=40-1.71=38.29

fA 40 0.28 d 1.71 N 1 ( ) C AC 1 (5 / 1) 5 w 38 .29m

wA≠0

故将wA=0.28 代入重新进行物衡算，再进行计算…… 直到wA基本不变为止。

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8] [P164,8]解：(2)采用1的分离结果用于B和C间分离，用恩特伍德 方程确定最小回流比。

i ( xi , D ) m Rm 1 Underwood 公式： i ① 计算θ值

i xi , F 1 q 0 i

已知三元泡点混合物进料，q=1;zA=0.4,zB=0.2,zC=0.4; αA=5

5 0.4 3 0.2 1 0.4 0 5 3 1 试差得3个θ(左边为-1.09×10-4),取其中1个θ 值介于B、C相对 挥发度之间的。即θ=1. 425( 3<1.425<1) ② 计算Rmin 由(1)计算得： xA,D=66.23% xB,D=30.72% xC,D=3.05% θ=1. 425带入Underwood 公式计算Rmin2013-9-17 第三章 习题 17

[P163,8]

[P164,8]解：② 计算Rmin

Rm

5 0.66 3 0.31 1 0.03 1 0.44 5 1.425 3 1.425 1 1.425

(3)确定操作回流比为1.2倍最小回流比时的理论板数及进料位置。 ① 计算理论板数N

R 1.2 Rm 0.53R 0.3461 0.35 R 1Rm 0.44 0.31 Rm 1 0.44 1

查(波耳)图3-10,得Nm/N=0.3

理论板数：N=5/0.3=17

2013-9-17

第三章 习题

[P163,8] [P

164,8]解：(3)确定操作回流比为1.2倍最小回流比时的理论板数 及进料位置。 ② 求进料板位置 用塔顶B、C组成和进料B、C组成带入芬斯克方程计算精馏段理论板。 18.43 1.83 lg 20 L 40 H ( N R )m 2.73 lg 3

上面已求得： N m / N 0.3

N 2.73/ 0.3 9.11 9.0进料板为自塔顶向下数第9块理论板。

2013-9-17

第三章 习题

[P164,10]

10.用萃取精馏法分离丙酮(1)—甲醇(2)的二元混合物。原料组成 z1=0.75;z2=0.25(摩尔分数),采用水为溶剂，常压操作。已知进料 流率40mol/s,泡点进料。溶剂进料流率60mol/s,进料温度为50℃。 操作回流比为4。若要求馏出液中丙醇含量的摩尔分数>95%,丙酮 回收率>99%,问该塔需要多少理论板数。

解：设萃取精馏塔有足够的溶剂回收段，馏出液中溶剂含量≈0。①脱溶剂基的物料衡算;

D W F

D x1, D Fx1

1

0.95 D 0.75 40

0.99

D 31.263 mol s

W 8.737 mol s

2013-9-17

第三章 习题

[P164,10]解：

[P164,10]

②计算平均相对挥发度 由文献中查得本物系有关二元Wilson方程参数(J/mol) 12 11 188 .3383 12 22 386 .6820

1s 11 462 .4153 2 s ss 435 .1416A 6.394858 7.20587 17.4285 B 1292.166 1582.271 3816.44,

1s ss 1464 .1566

2 s 22 243 .9483组分 丙酮 甲醇 水

各组分的安托尼方程常数：B log p A t Cs

C 238.2409 239.726 227.02

其中，t:℃;ps:kPa

各组分的摩尔体积(cm3/mol):

v1 216

v2 118

vs 56.8

先假设塔板上溶剂浓度0.41(摩尔分数),然后用溶剂量验证假设是 否正确。

2013-9-17

第三章 习题

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