分离工程--02 汽液相平衡-1

分离工程习题与思考题<i>分离工程</i>分离工程习题第二章精馏1. 欲分离苯(1)-甲苯(2)-二甲苯(3)三元混合物，精馏塔的进料、塔顶和塔釜产品的组成如下：组成mol分率塔顶塔底进料苯0.995 0.005 0.600 甲苯0.005 0.744 0.300 二甲苯0.000 0.251 0.100的操作压强为1atm（绝对）。

试求：1) 塔顶分凝器温度和塔釜温度；2) 若进料温度为92℃，判断进料状态。

假定液相服从拉乌尔定律，汽相可当作理想气体，三个组分的蒸汽压分别按下式计算：苯：lnp1S=15.9008 2788.51/(T 52.36) S=16.0137 3096.52/(T 53.67) (piS mmHg,T K) 甲苯：lnp2 S二甲苯：=16.1390 3366.99/(T 58.04) lnp32．异丙醇(1)-水(2)系统的无限稀释活度系数为γ1=9.78,γ2=3.22，试用此对数值计算Wilson常数Λ12和Λ21，并由此计算x1=0.1665(mole分率)时的汽相组成y1和泡点温度tB。

系统处于常压（设为1atm绝对压）。

已知：异丙醇和水的蒸汽压方程可分别用下列各式计算：∞∞异丙醇：lnp1S=18.6929 3640.20T 53.54 (P mmHg,T K) 3816.44 S=18.3036 水：lnp2 T 46.13（提示：试差求Λ12和Λ21时，可取初值Λ12＝0.1327）3．用常规精馏塔分离下列烃类混合物：组分：Mol%：CH40.52 C2H424.9 C2H68.83 C3H68.7 C3H83.05 nC4H1054.0工艺规定塔顶流出液中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。

<i>分离工程</i>4．设工艺规定C3H6为轻关键组分，C4为重关键组分，上题料液在常规精馏塔中分离，要求C3H6在塔顶的收率为0.99，C4在塔底的收率为0.995。

第九章蒸馏主要内容：双组分物系的气液相平衡；蒸馏方式；双组分连续精馏的分析与计算；恒沸精馏与萃取精馏；多组分精馏。

重点内容:双组分连续精馏分析和计算；精馏塔的操作因素分析。

难点：进料热状况对提馏段的影响；回流比的影响及其选择。

基本要求：熟练掌握双组分连续精馏分析和计算。

课时安排：22第一节概述一、蒸馏分离依据利用液体混合物中各组分具有不同的挥发度而进行分离的操作；即利用在相同温度下各组分的蒸汽压不同。

易挥发组分（轻组分）A，难挥发组分（重组分）B例如：酒精（A）与水（B）溶液，沸腾部分汽化，y A>x A同理，蒸汽部分冷凝，x B>y B蒸馏----使液体混合物部分汽化，利用其挥发度差异实现初步分离的一种传质操作。

精馏---利用多次部分汽化，多次部分冷凝，使汽相得到较纯的轻组分，液相得到较纯的重组分的操作。

二、蒸馏操作分类简单蒸馏（微分蒸馏）与平衡蒸馏（闪蒸）常压蒸馏、加压蒸馏与减压蒸馏连续蒸馏与间歇蒸馏普通蒸馏与特殊蒸馏三、蒸馏分离推动力与分离极限蒸馏是汽液两相间的传质过程蒸馏分离推动力——两相浓度偏离平衡的程度蒸馏分离极限——汽液两相达到相平衡（动态平衡）第二节 两组分溶液的汽液相平衡一、 相组成表示法1．质量分率 iAA G G a ∑=该相的总质量一相中某组分质量可见：a <1， a A +a B …+ a N =1 2．摩尔分率 x A ，x B ， y A ，y B 3．两者关系 )/(/)/(/i i AAi i A A i A A M a M a M G M G n n x ∑=∑=∑=对两元溶液：BB A A AA A M a M a M a x ///+=BB A A AA A M x M x M x a +=二、 溶液的蒸汽压与Raoult 定律1． 蒸汽压：汽液相平衡是一种动态平衡纯溶液----在达到汽液动态平衡时，逸出的A 分子数=回到液相的A 分子数，此时汽相中A 的压强=该温度下A 的饱和蒸汽压0A P混合液（A 、B 互溶）----在达到平衡时，由于A 、B 分子间相互作用，使B p <0B P ， p A <0AP 溶液存在三种分子间的作用力：AA f ，BB f ，AB f （1） 理想溶液：AB BB AA f f f ==显示无容积效应，无热效应如：苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物溶液（2）非理想溶液（实际溶液）；AB BB AA f f f ≠≠2． Roult 定律：实验证明，在一定温度下，理想溶液的汽相中，任一组分的分压等于：0AA A P x p =， 00)1(B A B B B P x P x p -== 00000)()1(B B A A B A A A B A P P P x P x P x p p P +-=-+=+=00BA B A P P P P x --=∴ 非理想溶液不符合Roult 定律，汽液平衡关系主要靠实验数据。

第二章精馏Chapter 2 Distillation主要内容及要求：1.相平衡常数计算：状态方程法，活度系数法2.泡点、露点计算（1）泡点计算：在一定P(或T)下，已知x i，确定T b(或P b)和y i（2）露点计算: 在一定P(或T)下，已知y i，确定T b(或P b)和x i3.等温闪蒸计算：给定物料的量与组成，计算在一定P和T下闪蒸得到的汽相量与组成，以及剩余的液相量与组成。

4.掌握多组分精馏过程的基本原理、流程以及简捷计算方法；5.掌握萃取精馏和共沸精馏的原理、流程及其简捷计算法。

授课主要内容：2.1 概述2.2 汽液相平衡2.3 精馏计算2.4 特殊精馏2.5 板效率2.1 概述精馏原理:精馏是分离液体混合物的单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的差异及回流的工程手段，实现组分的分离。

不适宜用普通精馏进行分离的物系：1. 1→AB α2.1=AB α3. 热敏性物料4. 难挥发组分的稀溶液2.1.1 理论板、板效率以及填料的理论板当量高度（HETP ）1. 理论板理论板= f(相平衡,分离要求,操作参数)⏹ 所谓理论塔板，如右图所示，即气、液两相在塔板上充分接触，混合进行传质、传热后，两相组成均匀且离开塔板的气、液两相呈相平衡关系。

显然，在相同条件下，理论板具有最大的分离能力，是塔分离的极限能力。

该状态可由热力学方法求解确定，离开塔板的气、液两相存在的相平衡关系由以下关系式表达： ⏹ 相平衡关系：y i =k i ·x i相平衡关系是传质过程趋向的目标，或所达到的热力学极限状态。

理论板是一个理想化了的两相间接触传质场所，也称为平衡级。

理论板符合以下三条假设：1）进入该板的不平衡物流在其间充分接触传质，使离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡；2）在该板上发生接触的汽液两相各自完全均匀，板上各点汽相浓度和液相浓度各自都相同；3）该板上充分接触后的汽液两相实现了完全机械分离，不存在夹带、泄漏。

第一章定义：分离工程就是将混合物分离成两种或两种以上较纯物质的一门工程技术学科。

按分离过程中有无物质传递现象发生：1、机械分离过程 对象：非均相混合物 特点：用机械法将非均相物系分离，而相间并无物质传递发生 2、传质分离过程 特点：相间有质量传递现象平衡分离 利用两相平衡组成不等的原理：常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其它影响归纳于效率中。

速率分离 利用溶液中不同组分在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）作用下经过某种介质（如半透膜）时的传质速率（透过率、迁移率、扩散速率）差异而实现分离 特点：所处理的物料和产品属于同一相态，仅有组成的差别。

通用 根据汽液相平衡组成将实际分离设备所能达到的分离因子与理想分离因子之间的差别用效率来表示： 效率第二章 吸收的定义：吸收是利用液体溶剂对气体混合物中各组分溶解度的差异来分离气体混合物的过程。

吸收的类别： 物理吸收 化学吸收 吸收过程：吸收→吸收塔 解吸→再生塔 解吸方法（1）减压冷再生（2）气提冷再生（3）间接蒸汽热再生气液相平衡---热力学体系：等T ，等P 下： 又 则 气相 液相 平衡时 ―― 气液平衡常数 大多数气液吸收过程中溶剂的温度高于气体的T C ,此时，气体不再被冷凝而只是溶解于液相： 其中 饱和液体的逸度=饱和蒸汽的逸度Pis 为纯物质i 的饱和蒸汽压。

理想溶液 低压下：Pei （平衡分压）代替f i G 则 亨利定律 若以浓度Ci 代替xi ，则： 其中 C M 溶液的总摩尔浓度 高压下 其中：Hi 为溶液中i 组分的标准态逸度，Pi 为纯物质i 的压力。

xi （溶质浓度）非常小的非电解质溶液 其中：x 0为溶液中吸收剂的摩尔分率（x0=1-xi ）， A 为常数，是温度、压力的函数。

对于理想溶液，A=0化学反应平衡常数 理想溶液Kr=1 其中溶解时相平衡服从亨利定律： 连解得 ①：物理溶解，H A ②：化学反应，K A 化学平衡根据K A 求C A ，再根据亨利定律求P A 双膜论 可简化为 Fick 定律如下： G Li i μμ=ln ()i i RT f T μλ=+GL i if f ∧∧=G i i i f P y φ∧∧=L L i i i i f f x γ∧=G L i if f ∧∧=L i i i i iP y f x φγ∧=Li i i i ii y f m x p γφ∧==ln ()L is i i v i f V p p f RT -=-v s i i f f=G i i if H x ∧=ei i i p H x =ei i i p H C '=i i M H H C '=()ln ln G i i i i i f V P P H x RT ∧--=+20ln ln (1)Gi i i f A H x x RT ∧=--/m n M N a a b A B a a K K K a a γ==m n /M N a b A BC C K C C =m n M N a bA B K γγγγλ=/A A A p H C =/1//()m n aM N A A bBC C p H K C =A A C N dz dz t z ∂∂=-∂∂)()(Ai Al l Ai Al lAB l Ai Al AB AABA C C k C C D C C D zC D N -=-=--=∂∂-=δδA AC N t z∂∂-=∂∂j i j i ij x x y y =α对于液相 对于气相 渗透论 物料衡算+费克定律 可得到 求解得其中 l 正比表面更新论 模型参数S (表面更新率) 传质总系数 K G 和K L双膜论的要点1) 传质在稳态下进行;2) 传质阻力集中在相界面两侧的滞留膜中，膜内进行分子扩散传递；3) 相界面保持气液平衡， 无界面阻力。

第1章气液相平衡目录（一）填空题 (1)（二）选择题 (2)（三）判断题 (3)（四）简答题 (3)（五）分析题 (4)（六）计算题 (4)（七）名词解释 (5)1.分离工程分为( )和( )两大类。

2.机械分离过程用于各种（ ）的分离，相间不发生物质（ ）现象，如（ ）（举两个例子即可）属此类。

3.传质分离过程用于各种（ ）的分离，其特点是相间都有（ ）现象发生，按传质机理的不同，可分为两大类，即（ ）和（ ）。

4.分离工程操作中，分离剂可以是（ ）和（ ）。

5.速率控制分离的过程是依靠传递速率的不同来实现的，是均相传递过程，如（ ）等属此类。

（请选择：反渗透、电渗析、扩散渗析、 过滤、离心分离、膜分离）6.平衡分离的过程是（ ）。

（请选择：过滤、离心分离、蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离、渗透）7.气液相平衡常数定义为（ ）。

8.理想气体的平衡常数与（ ）无关。

9.活度是（ ）浓度。

10.低压下二元非理想溶液的相对挥发度12a 等于（ ）。

11.气液两相处于平衡时，（ ）相等。

12.Lewis 提出了等价于化学位的物理量（ ）。

13.逸度是（ ）压力。

14.露点方程的表达式为( )。

15.泡点方程的表达式为( )。

16.泡点温度计算时若1>∑i X i k ，温度应调（ ），泡点压力计算时若1>∑i X i k ，压力应调（ ）。

17.露点温度计算时若1/<∑i i k y ，温度应调（ ），露点压力计算时若1/<∑i i k y ，压力应调（ ）。

18.露点方程的表达式为（ ）、泡点方程的表达式为()，在多组分精馏中塔底温度是由（ ）方程求定的。

1.由沸点较低的组分A 和沸点较高的组分B 组成的二元溶液在某压力下达到气液平衡时，y A 与x A 关系为（ ）。

（A ）A A x y = （B ）A A x y > （C ）A A x y <； （D ）不确定2.下列哪一个是机械分离过程（ ）。

《分离工程》练习题第一章绪论（一）填空题1、分离作用是由于加入_______而引起的，因为分离过程是熵________过程。

2、分离过程是________的逆过程，因此需加入__________来达到分离目的。

3、分离剂可以是___________或____________，有时也可两种同时应用。

4、速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种___________作用下经过某种介质时的__________差异而实现分离。

5、传质分离过程分为____________和____________两类。

6、速率分离可分为__________和__________两大类。

（二）选择题1、下列哪一个是机械分离过程（）a.蒸馏b.吸收c.膜分离d.离心分离2、下列哪一个是速率分离过程（）a.蒸馏b.吸收c.膜分离d.离心分离3、分离过程的特征是该过程是（）a.熵增过程b.熵不变化过程c.熵减少过程4、下列分离过程中属于平衡分离过程的是（b）：a.重力沉降分离过程；b.吸收；c.膜分离；d. 离心分离。

第二章多组分分离基础（一）填空题1、汽液相平衡的条件是汽液两相中温度压力相等，每一组分的_________相等。

2、根据泡、露点的概念，精馏塔塔顶（全凝器）温度即为对应塔顶产品组成的__________，塔釜温度即为对应塔釜液相组成的___________。

3、在进行闪蒸计算时，需判断混合物在指定温度和压力下是否处于__________。

4、一定压力下加热液体混合物,当液体混合物开始汽化产生第一个气泡时的温度叫____________。

5、泡点压力是指一定__________下降低系统__________,当液体混合物开始汽化产生第一个气泡时的__________。

6、一定压力下冷却气体混合物,当气体混合物开始冷凝产生第一液滴时的温度叫____________。

7、一定温度下压缩气体混合物，当开始冷凝产生第一个液滴时的压力叫____________。