化工原理(下)蒸馏章节例题

或
1 1.4 x ym m 0.0093
该操作线的斜率为 1.4，在 y 轴上的截距为－0.0093。由计算结果可看出，本 题提馏段操作线的截距值是很小的，一般情况下也是如此。 【例 5-5】 用一常压操作的连续精馏塔，分离含苯为 0.44（摩尔分率，以下同）
的苯—甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于 0.975，塔底产品中含苯不高于 0.0235。操作回流比为 3.5。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数及 加料板位置。 （1）原料液为 20℃的冷液体。 （2）原料为液化率等于 1/3 的气液混合物。 已知 数据如 下 ：操作条 件下苯的 汽化 热为 389kJ/kg ；甲苯的汽化 热为 360kJ/kg。苯—甲苯混合液的气液平衡数据及 t-x-y 图见例 5-1 和图 5-1。 解： （ 1）温度为 20℃的冷液进料 ①利用平衡数据， 在直角坐标图上绘平衡曲线及对角线， 如本例附图 1 所示 。 在图上定出点 a（xD，xD） 、点 e（xF，xF）和点 c（xW，xW）三点。 ②精馏段操作线截距= x D 0.975 0.217 ，在 y 轴上定出点 b。连 ab，即得到
第五章 蒸馏
【例 5-1】 苯（A）与甲苯（B）的饱和蒸气压和温度的关系数据如本题附表 1 所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯—甲苯混合液在总压 P 为 101.33kPa 下的气液平衡数据，并作出温度—组成图。该溶液可视为理想溶液。 例 5-1 附表 1 温度，℃ 80．1 85 116．9 46．0 90 135．5 54．0 95 155．7 63．3 100 179．2 74．3 105 204．2 86．0 110．6 240．0 101．33
t，℃ a x y
80．1
85 2．54
90 2．51 0．581 0．773
95 2．46 0．412 0．633
100 2．41 0．258 0．461
105 2．37 0．130 0．269
110．6
1．000 1．000
0．780 0．897
0 0
【例 5-2】 对某两组分理想溶液进行简单蒸馏，已知 xF=0.5（摩尔分率） ，若汽 化率为 60%， 试求釜残液组成和馏出液平均组成。 已知常压下该混合液的平均相 对挥发度为 2.16。 解：设原料液量为 100kmol，则
a
pA pB

以 95℃为例，则
a
155.7 2.46 63.3
其它温度下的 a 值列于本题附表 3 中。 通常， 在利用相对挥发度法求 x-y 关系时， 可取温度范围内的平均相对挥发度， 在本题条 件下， 附表 3 中两端温度下的 a 数 据 应 除 外 （因 对应的是纯组分，即为 x-y 曲线 上 两 端 点 ） ， 因此可取温度为 85℃和 105℃下的 a 平均值，即
xw=0.0235
而
W=95kmol/h
F=175kmol/h
D=80kmol/h
L=RD=2.0×80=160kmol/h
因泡点进料，故
q IV I F 1 IV I L
将以上数值代入式 5-41，即可求得提馏段操作线方程式
1 ym 160 1 175 95 x 0.0235 m 160 175 95 160 175 95
85 0．780 0．900
90 0．581 0．777
95 0．412 0．633
100 0．258 0．456
105 0．130 0．262
110．6 0 0
根据以上数据，即可标绘得到如图 5-1 所示的 t-x-y 图。 （2）利用相对挥发度计算气液平衡数据 故其相对挥发度可用式 5-12 计算，即 因苯—甲苯混合液为理想溶液，
②两项的结果如本题附图 2 所示。 ③由 q 值定义知，q=1/3，故
q 线斜率= q 1 / 3 0.5
q 1
1/ 3 1
过点 e 作斜率为－0.5 的直线，即得 q 线。g 线与精馏段操作线交于点 d。
④连 cd，即为提馏段操作线。 ⑤按上法图解得理论板层数为 13（包括再沸器） ，自塔顶往下的第 7 层为加 料板，如附图 2 所示。
在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于 2%，塔顶馏出液中苯的回 收率为 97.1%。 试求馏出液和釜残液的流量及组成， 以摩尔流量和摩尔分率表示 。 解：苯的分子量为 78；甲苯的分子量为 92。 进料组成 釜残液组成
xF
40 / 78 0.44 40 / 78 60 / 92
xW
2 / 78 0.0235 2 / 78 98 / 92
原料液的平均分子量 原料液流量 依 （a） 所 以 题
MF=0.44×78+0.56×92=85.8
F=15000/85.8=175.0kmol/h
意 知
DxD=FxF=0.971
DxD=0.971
×
175
×
0.44
（b） 全塔物料衡算
再从点 e 作斜率为 3.76 的直线，即得 q 线。q 线与精馏段操作线交于点 d。 ④连 cd，即为提馏段操作线。 ⑤自点 a 开始在操作线和平衡线之间绘梯级，图解得理论板层数为 11（包括 再沸器） ，自塔顶往下数第五层为加料板，如本题附图 1 所示。
（2）气液混合物进料
①与上述的①项相同；②与上述的②项相同；①和
D=100×0.6=60kmol W=F-D=100-60=40kmol
因该混合液平均相对挥发度为α=2.16，则可用式 1-25 求釜残液组成 x2，即
ln 1 x2 F 1 x1 ln ln W 1 x2 1 x1
或
ln
0.5 100 1 1 x2 0.916 ln 2.16 ln 40 2.16 1 x 1 0.5 2
R 1
3.5 1
精馏段操作线。 ③先按下法计算 q 值。原料液的汽化热为
rm 0.44 389 78 0.56 360 92 31900 kJ/kmol
由 图 1-1 查 出 进 料 组 成 xF=0.44 时 溶 液 的 泡 点 为 93 ℃ ， 平 均 温 度 = 93 20 56.5 ℃。由附录查得在 56.5℃下苯和甲苯的比热容为 1.84kJ/（kg·℃），
当最小回流比 Rmin 为 1.08，比 0.818 还大时，已出现恒浓区，需要无穷多块 塔板才能达到 g 点。 所以对具有下凹部分平衡曲线的物系求 Rmin 时，不能以平衡 数据（yq、xq）代入式 5-46 求取。 例 5-7 的汽液平衡数据 液相中乙醇的摩 尔分数 0．0 0．01 0．02 0．04 0．06 0．08 汽相中乙醇的摩 尔分数 0．0 0．11 0．175 0．273 0．34 0．392 液相中乙醇的摩 尔分数 0．25 0．30 0．4 0．5 0．6 0．7 汽相中乙醇的摩 尔分数 0．551 0．575 0．614 0．657 0．698 0．755
由计算结果可知，对一定的分离任务和要求，若进料热状况不同，所需的理 论板层数和加料板的位置均不相同。 冷液进料较气液混合进料所需的理论板层数 为少。这是因为精馏段和提馏段内循环量增大的缘故，使分离程度增高或理论板 数减少。
【例 5-6】 分离正庚烷与正辛烷的混合液（正庚烷为易挥发组分） 。要求馏出液 组成为 0.95（摩尔分数，下同） ，釜液组成不高于 0.02。原料液组成为 0.45。泡 点进料。汽液平衡数据列于附表中。求 （1）全回流时最少理论板数； （2）最小回流比及操作回流比（取为 1.5Rmin） 。 例 5-6 汽液平衡数据
0．1 0．14 0．18 0．2
0．43 0．482 0．513 0．525
x
1．0 0．656 0．487
y
1．0 0．81 0．673
x
0．311 0．157 0．000
y
0．491 0．280 0．000
解（1）全回流时操作线方程为
yn+1=xn
在 y-x 图上为对角线。 自 a 点（ xD、xD）开始在平衡线与对角线间作直角梯级，直至 xW=0.02，得 最少理论板数为 9 块。不包括再沸器时 Nmin=9－1=8。 （2）进料为泡点下的饱和液体，故 q 线为过 e 点的垂直线 ef。由 xF=0.45 作 垂直线交对角线上得 e 点，过 e 点作 q 线。 由 y-x 图读得 xq=xF=0.45，yq=0.64
PA°，kPa 101．33 PB°，kPa
40．0
解： （ 1）利用拉乌尔定律计算气液平衡数据，在某一温度下由本题附表 1 可
查得该温度下纯组分苯与甲苯的饱和蒸气压 p A 与 p B ，由于总压 P 为定值，即
P=101.33kPa，则应用式 5-4 求液相组成 x，再应用式 5-5a 求平衡的气相组成 y， 即可得到一组标绘平衡温度—组成（t-x-y）图的数据。 以 t=95℃为例，计算过程如下：
试差解得
x2≈0.328
馏出液平均组成可由式 1-27 求得，即
60 y 100 0.5 40 0.328
所以
y 0.614
计算结果表明， 若汽化率相同， 简单蒸馏较平衡蒸馏可获得更好的分离效果 ， 即馏出液组成更高。但是平衡蒸馏的优点是连续操作。
【例 5-3】
每小时将 15000kg 含苯 40%（质量 %，下同）和甲苯 60%的 溶 液 ，
根据式（6-41）Rmin= x D y q
y q xq

0.95 0.64 1.63 0.64 0.45
R=1.5Rmin=1.5×1.63=2.45
【例 5-7】
乙醇水系统当摩尔分数 xF=0.3 时，要求摩尔分数 xD=0.8，泡点进料 。