【化工原理】第七章蒸馏补充习题

第七章 蒸馏

填空题

（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

（2）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。

11V F V L

H h kmol q kmol H h -==-的原料变成饱和蒸汽所需热量原料液的汽化潜热 由定义可见，在 H V 、h L 为定值的情况下，原料的原状态焓值越低，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。

（3）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）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。

（5）连续精馏操作时，操作压力越大，对分离越 ，若进料汽液比为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2.01

41=+。q 值既是进料的液相分率，又是热状况参数。

（6） 精馏塔设计时，若工艺要求一定，减少需要的理论板数，回流比应 ，蒸馏釜中所需的加热蒸气消耗量应 ，所需塔径应 ，操作费和设备费的总投资将是 的变化过程。 答案：增大；增大；增大；急速下降至一最低后又上升

（7）总压为)748(7.99mmHg kPa ，100℃时苯与甲苯的饱和蒸气压分别是

)1344(18.179mmHg kPa 和)559(53.74mmHg kPa ，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

.7418.17953.747.99=--=--= B A B p p p p x 苯； 由433.0241.07.9918.179=?=?=A A x p p y

苯得567.01=-=苯甲苯y y A B

p p α==40.253.7418.179= （8）精馏塔结构不变,操作时若保持进料的组成、流率、热状况及塔顶流率一定，只减少塔釜的热负荷，则塔顶D x ______，塔底W x ______，提馏段操作线斜率_____。

答案：减少；增大；增大

分析：塔釜热负荷减少意味着蒸发量减少，当D 不变时，V 的减少导致L 减

少，即回流比R 减小，故精馏段操作线斜率1

+R R 减小，提馏段操作线斜率增加。塔板数不变时，两段操作线斜率的改变只能使D x 减小和W x 增大。

（9）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：min 000T D W F R N N ====∞=；；；；；精馏生产开工或实验研究。

（10）精馏塔的塔底温度总是________塔顶温度，其原因一是_______,二是________。

答案：高于；由于塔顶轻组分浓度高于塔底的，相应的泡点较低；由于塔内压降使塔底压力高于塔顶，因而塔底的泡点较高。

（11）某精馏塔操作时，若保持进料流率及组成、进料热状况和塔顶蒸气量不变，增加回流比，则此时塔顶产品组成D x ，塔底产品组成W x ，塔顶产品流率

，精馏段液气比 。

答案：增加；减少；减少；增加

分析：由D R V )1(+=，当V 不变时，R 增加，D 必须减少。在理论板数不变时，回流比的增加必会使产品分离程度提高。当R 增加时，液气比

1

+=R R V L 必然也增大。

（12）板式塔塔板上气液两相接触状态有______种，它们是_____。板式塔不正常操作现象常见的有_______，它们是_______。

答案：3种；鼓泡接触状态，泡沫接触状态，喷射接触状态；3种；严重漏液、溢流液泛、严重雾沫夹带。

（13）常见的连续接触式的气液传质设备是______塔，塔内______为分散相，______为连续相，为保证操作过程中两相的接触良好，塔内顶部应设 装置，中部应设 装置。

答案：填料；液体；气体；液体分布装置；液体再分布装置 选择题

（1）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。

（2）操作中连续精馏塔，如采用的回流比小于原回流比，则（ ）。

A ．D x 、W x 均增加； Ｂ．D x 减小，W x 增加；

Ｃ．D x 、W x 均不变； Ｄ．不能正常操作

答案：Ｂ

分析：当回流比变小时，精馏段操作线斜率变小，同时提馏段操作线斜率变大，若保持塔板数不变，必然是结果B 。

（3）某真空操作精馏塔，在真空度降低后，若保持F 、D 、F x 、q 、R 及加料位置不变，则塔顶产品组成D x 变化为（ ）。

A.变小； B ．变大；

C.不变； D ．不确定；

答案：A

分析：当压力增大后，组分间相对挥发度变小，故分离能力变低。

（4）精馏操作时，若在F 、F x 、q 、 R 不变的条件下，将塔顶产品量D 增加，其结果是（ ）

A ．D x 下降，W x 上升；

B ．D x 下降，W x 不变；

C ．

D x 下降，W x 亦下降； D ． 无法判断；

答案：C

分析：当D 增加时，D x 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1=q 为例，从提馏段操作线斜率看1

''++=R D F R V L ，当D 增大后， '

'V L 变小，而T N 不变，故有W x 减小。 计算题

（1）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+=x y 提馏段 02.040.1-=x y

若进料时，原料为气液相各占一半的混合态，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+=x y 及 x y =

得塔顶产品组成 80.0==x x D

再联解 02.040.1-=x y 及 x y =

得塔底产品组成部分 05.0==x x W

再联解 16.080.0+=x y 及 02.040.1-=x y

得 3.0=x ,4.0=y

将此代入q 线方程，且由题巳知21=q 1

1---=q x x q q y F 1

5.03.015.05.04.0---=F x 解得 35.0=F x 由全塔物料衡算式 W D F +=

及全塔轻组分物料衡算式 W D F W x Dx Fx +=

知塔顶产品产率

%404.005.080.005.035.0==--=--=W D W F x x x x F D 塔底产品产率 %606.04.01==-=-=F

D F F W 由精馏段操作线方程斜率80.01

=+R R 解得 4=R （2）用一精馏塔分离二元理想混合物，塔顶为全凝器冷凝，泡点温度下回流，原料液中含轻组分0.5(摩尔分数，下同)，操作回流比取最小回流比的1.4倍，所得塔顶产品组成为0.95，釜液组成为0.05．料液的处理量为100h kmol /．料液的平均相对挥发度为3，若进料时蒸气量占一半，试求：

（1）提馏段上升蒸气量；

（2）自塔顶第2层板上升的蒸气组成。

分析：欲解提馏段的蒸气量V ’，须先知与之有关的精馏段的蒸气量V 。而V 又须通过D R V )1(+=才可确定。可见，先确定最小回流比min R ，进而确定R 是解题的思路。

理想体系以最小回流比操作时，两操作线与进料方程的交点恰好落在平衡线上，所以只须用任一操作线方程或进料方程与相平衡方程联立求解即可。

解：(1) 由相平衡方程 x

x x x y 213)1(1+=-+=αα 及进料方程 11

5.05.015.05.011+-=---=---=x x q x x q q y F 联立解得 22x ＋x 2＋１＝0 4842+±-=

x

取 0.367q x = 则 633

.0213=+=q q

q x x y 23.137

.063.063.095.0min =--=--=q q q

D x y y x R R=722.14.1min =R 再由物料衡算方程 W D F += 及 W W F W x Dx Fx +=

解得 h k m o l D /50= h k m o l D F W /50=-=

h k m o l F V F q V V h k m o l

D R V /1.86501.1365.0)1(/1.13650)1722.1()1('=-=-=--==+=+=

(2) 已知95.01==D x y

由相平衡关系 86.0)1(1

11=--=y y x αα 再由精馏段操作线方程解得

88.01

722.195.086.01722.1722.11112=++?+=+++=R x x R R y D （3）在一连续精馏塔中分离二元理想混合液。原料液为饱和液体，其组成为0.5，要求塔顶馏出液组成不小于0.95，釜残液组成不大于0.05(以上均为轻组分A 的摩尔分数)。塔顶蒸汽先进入一分凝器，所得冷凝液全部作为塔顶回流，而未凝的蒸气进入全凝器，全部冷凝后作为塔顶产品。全塔平均相对挥发度为2.5，操作回流比min 5.1R R =。当馏出液流量为100h kmol /时，试求：

（1） 塔顶第1块理论板上升的蒸汽组成；

（2） 提馏段上升的气体量。

分析：因为出分凝器的冷凝液L 与未液化的蒸气0V 成相平衡关系，故分凝器相当一层理论塔板。应注意，自分凝器回流塔内的液相组成0x 与自全凝器出来的产品组成D x 不同。

解：（1）由平衡方程及泡点进料时 5.0=q x

714.05

.05.115.05.2)1(1=?+?=-+=

q q q x a ax y 1.15.0714.0714.095.0min =--=--=q q q D x y y x R 65.15.1min ==R R

精馏段操作线方程 1

1+++=

R x x R R y D 358.0623.065.295.065.265.1+=+=x x

再由平衡方程及 95.00==D x y

得 884.095

.05.15.295.0)1(000=?-=--=

y y x αα 代入精馏段操作线方程 909.0358.0623.001=+=x y (2)由F q V V )1('--=

当泡点进料时，1=q

则 D R V V )1('+==h k m o l /26510065.2=?=

（4）某二元混合液的精馏操作过程如图所示。已知组成为52.0的原料液在泡点温度下直接加入塔釜内，工艺要求塔顶产品的组成为0.75，（以上均为轻组分A 的摩尔分数），塔顶产品采出率D/F 为1:2，塔顶设全凝器，泡点回流。若操作条件下，该物系的α为3.0，回流比R 为2.5，求完成上述分离要求所需的理论板数（操作满足恒摩尔流假设）。

分析：因题中未给平衡相图，只可考虑逐板计算法求理论板数。当料液直接加入塔釜时，应将塔釜视作提馏段，然后分段利用不同的操作线方程与相平衡方程交替使用计算各板的气液相组成，直至W x x <时止。

解：由 2/1/=F D ,D F 2=,W D =代入物料平衡方程

W D F +=

及 W D F W x Dx Fx +=

联立解得 W x =0.34

整理精馏段操作线方程

=+++=+1

11R x x R R y D n n 5.375.05.35.2+n x 10.7140.214n n y x +=+

（a ） 而相平衡方程 x

a ax y )1(1-+=

整理成 y

y y a a y x 5.15.2)1(-=--= （b ） 交替利用(a) (b)两式逐板计算

由 75.01==y x D

代入(b)得 545

.01=x 代入(a)得 603.02=y

代入(b) 2x 52.0378.0=<=F x 整理提馏段操作线方程

由 D D D F RD qF L L 5.425.2'=+=+=+=

则 y '

1''''W m m Wx L x L W L W

+=--- =D

D D x D D D m ---5.434.0'5.45.4 即 097

.0'286.1'1-=+m m x y ( c) 将378.02=x 代入(C) 得 286

.13=y 389.0097.0378.0=-? 代入（b ）得 3x 34.0203.0=<=W x

故包括塔釜在内共需3块理论塔板。