提馏段的计算

第六章1．常压下含苯45%（摩尔分数）的苯、甲苯混合物，设该混合物液相近似为理想溶液，试确定混合物的泡点温度和露点温度以及泡点和露点温度下，呈平衡的气相及液相组成。

2．采用Antoine方程估算总压力为10kPa，温度为116℃时，苯酚和邻甲苯酚混合物的气液相平衡组成。

已知该物系为理想溶液。

3．已知常压下苯、甲苯混合物的气相中含苯20%（摩尔分数），试计算与之相平衡的液相组成和平衡温度。

4．苯、甲苯精馏塔中，①已知塔顶温度为82℃，塔顶蒸气组成为苯0.95，甲苯0.05（摩尔分数），求塔顶操作压力；②若塔釜操作压力为100kPa，温度为107℃，试确定釜液的组成。

5．实验测得常压下丙酮（A）和水（B）混合物的气液相平衡组成为y A=0.839，x A=0.4（以上均为摩尔分数），试求此时对应的相对挥发度。

6．常压下将含甲醇60%（摩尔分数）的水溶液进行简单蒸馏，设操作范围内该物系的平衡关系近似为y=0.46x+0.55，试求蒸出釜液量1/3时所得馏出液和釜液的组成。

7．若题6改用平衡蒸馏方法分离，并设汽化率仍为1/3，则馏出液和釜液的组成分别为多少？8．从苯、甲苯精馏塔精馏段内的一块理论板上，取其流下的液体样分析得，含苯的摩尔分数为x n=0.575，测得板上液体的温度为90℃。

已知塔顶产品组成x D=0.9（摩尔分数），回流比为2.5。

试求进入该理论板的液相及气相组成x n-1、y n+1，离开塔板的蒸气组成y n 以及该塔板的操作压力。

9．在一连续精馏塔中分离CS2和CCl4混合物。

已知物料中含CS230%（摩尔分数，下同），进料流量为4000kg/h，若要求馏出液和釜液中CS2组成分别为97%和5%，试求馏出液和釜液的摩尔流量。

10．用连续精馏方法分离乙烯、乙烷混合物。

已知进料中含乙烯88%（摩尔分数，下同），流量为200kmol/h。

今要求馏出液中乙烯的回收率为99.5%，釜液中乙烷的回收率为99.4%，试求所得馏出液、釜液的流量和组成。

第1章 蒸馏符号：1.英文字母：D ——塔顶产品（馏出液）流量，kmol/h L ——塔内下降的液体流量，kmol/h V ——上升蒸气的流量，kmol/h 2.上标：°——纯态* ——平衡状态 ＇——提馏段一、 概述1. 易挥发组分（轻组分）：沸点低的组分难挥发组分（重组分）：沸点高的组分 2. 传质过程（分离操作）：物质在相间的转移过程。

3. 蒸馏：将液体混合物部分气化利用各组分挥发度不同的特性达到分离的目的。

分类：（1）操作流程：①间歇蒸馏 ②连续蒸馏 （2）蒸馏方式：①简单蒸馏②平衡蒸馏（闪蒸） ③精馏：（有回流）较难分离 ④特殊精馏：很难分离（3）操作压力：①常压蒸馏②减压蒸馏：Ⅰ、沸点较高 Ⅱ、热敏性混合物 ③加压蒸馏：常压下的气态混合物（4）组分的数目：①两组分精馏②多组分精馏：工业生产中最为常见二、 两组分溶液的气液平衡（一） 两组分理想物系的气液平衡1. 相律（1） 平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系。

（2） F=C-φ+2（2：外界只有温度&压力2个条件可影响物系的平衡状态） 2. 两组分理想物系的气液平衡函数关系（气液相组成与平衡温度间的关系） 理想物系：①液相为理想溶液。

②气相为理想气体。

（1） 用饱和蒸气压&相平衡常数表示的气液平衡关系 1） 拉乌尔定律理想溶液上方的平衡分压：p A =p A °x Ap B =p B °x B =p B °（1-x A ） 溶液沸腾时：p=p A +p B联立：x A =p-p B °p A °-p B ° →泡点方程：气液平衡下液相组成与平衡温度间的关系x B =1-x A｝较易分离或分离要求不高｝原理、计算无本质区别2） 道尔顿分压定律（外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体） y A =p Apy A =p A °p x A →露点方程：气液平衡时气相组成与平衡温度间的关系 y B =1-y A（2） 用相对挥发度表示的气液平衡关系 1） 挥发度υ（与温度有关）：υA =p Ax AυB =p Bx B理想溶液：υA =p A °；υB =p B °2） 相对挥发度α（溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比）：α=υA υB = p Ax A p Bx B若操作压力不高，气相遵循道尔顿分压定律：α= py A x Apy B x B=y A x B y B x A=y A （1-x A ）x A （1-y A ） →y A =αx A 1+（α-1）x A理想溶液：α=p A °p B °3） y=αx1+（α-1）x若α>1，α愈大，挥发度差异愈大，分离愈易。

第六章 蒸 馏1、质量分数与摩尔分数的相互换算：（1） 甲醇-水溶液中，甲醇（CH 3OH ）的摩尔分数为0.45，试求其质量分数。

（2） 苯-甲苯混合液中，苯的质量分数为0.21，试求其摩尔分数。

解：（1）因为 x A =0.45所以（2）因为 w A =0.21所以2、在压强为101.3kPa 下，正己烷-正庚烷物系的平衡数据如下：t,℃ 30 36 40 46 50 56 58 x 1.0 0.715 0.524 0.374 0.214 0.091 0 y1.00.8560.7700.6250.4490.228试求：（1）正己烷组成为0.5（摩尔分数）的溶液的泡点温度及其平衡蒸汽的组成；（2）将该溶液加热到45℃时，溶液处于什么状态？各相的组成是多少？（3）将溶液加热到什么温度才能全部气化为饱和蒸汽？这时蒸汽的组成是多少？解：由所给平衡数据做t-x-y 图（见本题附图）。

（1）当x A =0.5时，由图中读得泡点温度t s =41℃，其平衡瞬间蒸汽组成y A =0.75；（2）当t =45℃时，溶液处于气液共存状态，此时x A ‘=0.38 ，y A ’=0.64 ； （3）由图知，将溶液加热到49℃时，才能全部汽化为饱和蒸汽，蒸汽组成为0.5 。

3、在常压下将某原料液组成为0.6（易挥发组分的摩尔分数）的两组分溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为1/3，试求两种情况下的釜液和馏出液组成。

假设在操作范围内气液平衡关系可表示为y =0.46x +0.549 。

解：（1）简单蒸馏时 因为 D /F =1/3 所以 W /F =2/3 将y =0.46x +0.549直接代入式（6-20）593.018)45.01(3245.03245.0=⨯-+⨯⨯=+=B B A A AA A Mx Mx M x w 239.092/)21.01(78/21.078/21.0///=-+=+=B B A A A A A M w M w M wx解之x w =0.498由式（6-22）其中所以 （2）平衡蒸馏时 由Fx F =Dy +Wx得与y =0.46x +0.549 联立求解，得到x =0.509 ，y =0.7834、在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。

计算题（蒸馏）计算题（蒸馏）进料状态与最⼩回流⽐1、精馏塔采⽤全凝器，⽤以分离苯和甲苯组成的理想溶液，进料状态为汽液共存，两相组成如下：x F=0.5077，y F=0.7201。

(1) 若塔顶产品组成x D=0.99，塔底产品的组成为x W=0.02，问最⼩回流⽐为多少？塔底产品的纯度如何保证?(2) 进料室的压强和温度如何确定。

(3) 该进料两组份的相对挥发度为多少?(R min=1.271，通过选择合适的回流⽐来保证；α=2.49)．2、常压连续操作的精馏塔来分离苯和甲苯混和液，已知进料中含苯0.6(摩尔分数)，进料状态是汽液各占⼀半(摩尔数)，从塔顶全凝器取出馏出液的组成为含苯0.98(摩尔分数)，已知苯—甲苯系统在常压下的相对挥发度为2.5。

试求：（1）进料的汽液相组成；(2)最⼩回流⽐。

(液相0.49；汽相0.71；R min=1.227)3、最⼩回流⽐与理论板数⽤⼀连续精馏塔分离苯—甲苯混合液，原料中含苯0.4，要求塔顶馏出液中含苯0.97，釜液中含苯0.02(以上均为摩尔分数)，R=4。

求下⾯两种进料状况下最⼩回流⽐R min。

及所需理论板数：(1)原料液温度为25℃；(2)原料为汽液混合物，汽液⽐为3 ：4。

已知苯—甲苯系统在常压下的相对挥发度为2.5。

(R min=1.257，N T=10，第5块加料；R min =2.06，N T=11，第6块加料)4、物料恒算：1kmol/s的饱和汽态的氨—⽔混合物进⼈⼀个精馏段和提馏段各有1块理论塔板的精馏塔分离，进料中氨的组成为0.001(摩尔分数)。

塔顶回流为饱和液体，回流量为1.3kmol/s，塔底再沸器产⽣的汽相量为0.6kmol/s。

若操作范围内氨—⽔溶液的汽液平衡关系可表⽰为y=1.26x，求塔顶、塔底的产品组成。

(x D=1.402?10-3，x W=8.267?10-4)5、操作线⽅程⼀连续精馏塔分离⼆元理想混合溶液，已知精馏段某层塔板的⽓、液相组成分别为0.83和0.70，相邻上层塔板的液相组成为0.77，⽽相邻下层塔板的⽓相组成为0.78(以上均为轻组分A的摩尔分数，下同)。

五蒸馏习题解答1解:(1)作x-y图及t-x(y)图,作图依据如下:∵x A=(p-p B0)/(p A0-p B0); y A=p A0×x A/p以t=90℃为例,x A=(760-208.4)/(1008-208.4)=0.6898y A=1008×0.6898/760=0.9150计算结果汇总:t℃80.02 90 100 110 120 130 131.8x 1 0.6898 0.4483 0.2672 0.1287 0.0195 0y 1 0.9150 0.7875 0.6118 0.3777 0.0724 04.612x/(1+1 0.9112 0.7894 0.6271 0.4052 0.0840 03.612x)(2)用相对挥发度计算x-y值:y=αx/[1+(α-1)x]式中α=αM=1/2(α1+α2)∵α=p A0/p B0α1=760/144.8=5.249 ;α2=3020/760=3.974∴αM=1/2(α1+α2)=1/2(5.249+3.974)=4.612y=4.612x/(1+3.612x)由此计算x-y值亦列于计算表中,y-x图,t-x(y) 图如下:1 题附图2解:(1)求泡点:在泡点下两组分的蒸汽分压之和等于总压P,即:p A+p B=p A0x A+x B0x B=p求泡点要用试差法,先设泡点为87℃lgp A0=6.89740-1206.350/(87+220.237)=2.971p A0=102.971=935.41[mmHg]lgp B0=6.95334-1343.943/(87+219.337)=2.566p B0=102.566=368.13[mmHg]935.41×0.4+368.13×0.6=595≈600mmHg∴泡点为87℃,气相平衡组成为y=p A/p=p A0x A/P=935.41×0.4/600=0.624(2)求露点:露点时,液滴中参与甲苯组成应符合下列关系: x A+x B=1或p A/p A0+p B/p B0=1 式中p A=0.4×760=304[mmHg]; p B=0.6×760=456[mmHg]求露点亦要用试差法,先设露点为103℃,则:lgp A0=6.8974-120.635/(103+220.237)=3.165∴p A0=1462.2[mmHg]lgp B0=6.95334-1343.943/(103+219.337)=2.784∴p B0=608.14[mmHg]于是:304/1462.2+456/608.14=0.96<1再设露点为102℃,同时求得p A0=1380.4; p B0=588.84304/1380.4+456/588.84=0.995≈1故露点为102℃,平衡液相组成为x A=p A/p A0=304/1380.4=0.223解:(1)x A=(p总-p B0)/(p A0-p B0)0.4=(p总-40)/(106.7-40)∴p总=66.7KPay A=x A·p A0/p=0.4×106.7/66.7=0.64(2)α=p A0/p B0=106.7/40=2.674解:(1) y D=?αD =(y/x)A/(y/x)B=(y D /0.95)/((1-y D )/0.05)=2y D =0.974(2) L/V D =?∵V=V D +L(V/V D )=1+(L/V D )V0.96=V D 0.974+L0.95(V/V D )0.96=0.974+(L/V D )0.95(1+L/V D )0.96=0.974+(L/V D )0.95(L/V D )=1.45解:简单蒸馏计算:lnW 1/W 2=⎰-12x x xy dxW 2=(1-1/3)W 1=2/3W 1;y=0.46x+0.549,x 1=0.6,代入上式积分解得: 釜液组成:x 2=0.498,馏出液组成:W D x D =W 1x 1 -W 2x 2 (1/3W 1)x D =W 1×0.6-(2/3W 1)×0.498 ∴x D =0.804 6解:Fx F =Vy+Lx ∴0.4=0.5y+0.5x --------(1) y=αx/(1+(α-1)x)=3x/(1+2x) --------(2) (1),(2)联立求解,得y=0.528,x=0.272 回收率=(V·y)/(Fx F )=0.5×0.528/0.4=66% 7.解:F=D+WFx F =Dx D +Wx W已知x F =0.24,x D =0.95,x W =0.03,解得:D/F=(x F -x W )/(x D -x W )=(0.24-0.03)/(0.95-0.03)=0.228 回收率 Dx D /Fx F =0.228×0.95/0.24=90.4% 残液量求取:W/D=F/D-1=1/0.228-1=3.38∴W=3.38D=3.38(V-L)=3.38(850-670)=608.6[kmol/h] 8解:(1) 求D 及W,全凝量V F=D+WFx F =Dx D +Wx Wx F =0.1,x D =0.95,x W =0.01(均为质量分率) F=100[Kg/h],代入上两式解得: D=9.57[Kg/h]; W=90.43[Kg/h] 由恒摩尔流得知:F(0.1/78+0.9/92)=V(0.95/78+0.05/92)[注意:如用质量百分数表示组成,平均分子量M m =1/(a A /M A +a B /M B )]解得 V=87[Kg/h] 由 于塔顶为全凝器,故上升蒸汽量V 即为冷凝量, (2) 求回流比RV=D+L ∴L=V-D=87-9.57=77.43[Kg/h]R=L/D=77.43/9.57=8.09(因为L 与D 的组成相同,故8.09亦即为摩尔比) (3) 操作线方程.因塔只有精馏段,故精馏段操作线方程为 y n+1 =Rx n /(R+1)+x D /(R+1) 式中x D 应为摩尔分率x D =( x D /M A)/[x D /M A+(1-x D )/M B]=(0.95/78)/(0.95/78+0.05/92)=0.961∴y n+1=8.09x n/9.09+0.961/9.09=0.89x n +0.106操作线方程为:y n+1 =0.89x n +0.1069解:y=[R/(R+1)]x+x D /(R+1)(1) R/(R+1)=0.75 R=0.75R+0.75 R=0.75/0.25=3(2) x D /(R+1)=0.2075 x D /(3+1)=0.2079 x D =0.83(3) q/(q-1)=-0.5 q=-0.5q+0.5 q=0.5/1.5=0.333(4) 0.75x+0.2075=-0.5x+1.5x F0.75x q'+0.2075=-0.5x q '+1.5×0.441.25x q '=1.5×0.44-0.2075=0.4425 x q '=0.362(5)0<q<1 原料为汽液混合物10解:(1) 求精馏段上升蒸汽量V和下降的液体量L,提馏段上升蒸汽量V'和下降的液体量L'. 进料平均分子量: Mm=0.4×78+0.6×92=86.4F=1000/86.4=11.6[Kmol/h]Fx F =Dx D +Wx WF=D+W11.6×0.4=D×0.97+(11.6-D)0.02∴D=4.64[Kmol/h]W=6.96[Kmol/h]R=L/D, ∴L=3.7×4.64=17.17[Kmol/h]V=(R+1)D=4.7×4.64=21.8[Kmol/h]平均气化潜热r=30807×0.4+33320×0.6=32313.6[KJ/Kmol]从手册中查得x F =0.4时泡点为95℃,则:q=[r+cp(95-20)]/r=(32313.6+159.2×75)/32313.6=1.37∴L'=L+qF=17.17+1.37×11.6=33.1[Kmol/h]V'=V-(1-q)F=21.8+0.37×11.6=26.1[Kmol/h](2) 求塔顶全凝器热负荷及每小时耗水量.Qc=Vr∴r=0.97×30804+33320×0.03=30879.5[KJ/Kmol]∴Qc=21.8×30879.5=673172.7[KJ/h]耗水量Gc=673172.7/4.18(50-20)=5368.2[Kg/h](3) 求再沸器热负荷及蒸汽耗量.塔的热量衡算Q B+Q F +Q R=Q v+Q W +Q LQ B=Q v+Q W +Q L-Q F -Q R该式右边第一项是主要的,其它四项之总和通常只占很小比例,故通常有:Q B≈Q V=V·I vIv=(r+Cpt)=30879.5+159.2×8.2=43933.9[KJ/Kmol]∴Q B=21.8×43933.9=957759.02[KJ/h]2.5[KgF/cm2]下蒸汽潜热r=522Kcal/Kg=522×4.18×18=39275.3[KJ/Kmol]∴蒸汽需量为G vG v =Q B/r=957759.02/39275.3=24.4Kmol/h=24.4×18=39.04[Kg/h](4) 提馏段方程y=L'x/(L'-W)-Wx W /(L'-W)=1.26x-0.00511解:提馏段: y m+1’=1.25x M’-0.0187---------(1)=L'x M'/V'-Wx W /V',L'=L+qF=RD+FV'=(R+1)DW=F-D,精馏段: y n+1 =Rx n /(R+1)+x D /(R+1)=0.75x n +0.25x D --------(2)q线:x F =0.50 --------------(3)将(3)代入(1)得出:y m+1=1.25×0.5-0.0187=0.606,代入(2)0.606=0.75×0.5+0.25x D ,x D =0.92412解:(1) y1=x D =0.84,0.84=0.45x1+0.55x1=0.64,y W =3×0.64/(3+1)+0.84/(3+1)=0.69,0.69=0.45×x W +0.55,x W =0.311,(2) D=100(0.4-0.311)/(0.84-0.311)=16.8(Kmol/h),W=100-16.8=83.2(Kmol/h)13解:(1) 求R,x D,x W精馏段操作线斜率为R/(R+1)=0.723 ∴R=2.61提馏段方程y=L'x/(L'-W)-Wx W/(L'-W)=1.25x-0.0187精馏段操作线截距为x D/(R+1)=0.263 ∴x D =0.95提馏段操作线与对角线交点坐标为y=x=x W x W =1.25 x W -0.0187 ∴x W =0.0748(2)饱和蒸汽进料时,求取进料组成将y=0.723x+0.263y=1.25x-0.0187联立求解,得x=0.535,y=0.65因饱和蒸汽进料,q线为水平线,可得原料组成y=x F=0.6514解:(1) y1=x D =0.9,x1=0.9/(4-3×0.9)=0.692,(2) y2=1×0.692/(1+1)+0.9/2=0.796(3) x D =x F =0.5, y D =0.5/2+0.9/2=0.715解:(1) Fx F=Vy q+Lx q0.45=(1/3)y q+(2/3)x qy q =2.5x q /(1+1.5x q)∴x q=0.375 y q=0.6(2) Rmin=(x D-y q)/(y q-x q)=(0.95-0.6)/(0.6-0.375)=1.56R=1.5Rmin=2.34D=0.95×0.45/0.95=0.45 W=1-0.45=0.55x W=(Fx F-Dx D)/W=(0.45-0.45×0.95)/0.55=0.041L=RD=2.34×0.45=1.053; V=(R+1)D=1.503L'=L+qF=1.053+(2/3)×1=1.72; V'=V-(1-q)F=1.503-1/3=1.17y'=(L'/V')x'-Wx W/V'=1.72/1.17x'-0.55×0.041/1.17=1.47x'-0.019316解:精馏段操作线方程y n+1 =3/4x n +0.24平衡线方程y=αx/[1+(α-1)x]=2.5x/(1+1.5x)提馏段操作线方程y=1.256x-0.01278其计算结果如下:N0x y1 0.906 0.962 0.821 0.923 0.707 0.864 0.573 0.775 0.462 0.706 0.344 0.5677 0.224 0.4198 0.128 0.2689 0.065 0.14810 0.029 0.069由计算结果得知:理论板为10块(包括釜), 加料板位置在第五块；17解:D/F=(x F -x W )/(x D -x W )=(0.52-x W )/(0.8-x W )=0.5解得:x W =0.24精馏段操作线方程:y n+1 =(R/(R+1))x n +x D /(R+1)=0.75x n +0.2 --------(1) 平衡线方程:y=αx/(1+(α-1)x)=3x/(1+2x)或:x=y/(α-(α-1)y)=y/(3-2y) --------(2)交替运用式(1),(2)逐板计算:x D =y1=0.8 .x1=0.571;y2=0.628,x2=0.360;y3=0.470,x3=0.228<x W =0.24∴共需N T=3块(包括釜).18解:q=0,x D =0.9,x F =0.5,x W =0.1,R=5,精馏段操作线方程:y n+1=Rx n/(R+1)+x D/(R+1)=5x n/(5+1)+0.9/(5+1)=0.833x n+0.15图解:得理论板数为11块(不包括釜),包括釜为12块18题附图19解:(1) F=D+WFx F =Dx D +Wx WD=F(x F -x W )/(x D -x W )=100(0.3-0.015)/(0.95-0.015)=30.48 Kmol/h=30.5 Kmol/hW=F-D=69.50 Kmol/h(2) N T及N F =?x D =0.95、x W =0.015、q=1、R=1.5；x D /(R+1)=0.38作图得:N T =9-1=8(不含釜)进料位置: N F =6(3)L’,V’,y W及x W-1 19题附图∵q=1,V'=V=(R+1)DV'=30.5(1.5+1)=76.25Kmol/hL'=L+qF=RD+F=1.5×30.5+100=145.8Kmol/h由图读得:y W =0.06, x W-1=0.0320解:(1) 原料为汽液混合物,成平衡的汽液相组成为x ,y平衡线方程y=αx/[1+(α-1)x]=4.6x/(1+3.6x) --------- (1)q线方程(q=2/(1+2)=2/3)则y=[q/(q-1)]x-x F /(q-1)=-2x+1.35 ---------- (2)联解(1),(2)两式,经整理得:-2x+1.35=4.6x/(1+3.6x)7.2x2 +1.740x-1.35=0解知,x=0.329y=0.693(2) Rmin=(x D -y e)/(y e-x e)=(0.95-0.693)/(0.693-0.329)=0.70621解:因为饱和液体进料,q=1y e=αx e/[1+(α-1)x e]=2.47×0.6/(1+1.47×0.6)=0.788R min=(x D -y e)/(ye-x e)=(0.98-0.788)/(0.788-0.6)=1.02R=1.5×R min=1.53N min=lg[(x D /(1-x D ))((1-x W )/x W)]/lgα=lg[(0.98/0.02)(0. 95/0. 05)]/lg2.47= 7.56x=(R-R min)/(R+1)=(1.53-1.02)/(1.53+1)=0.202Y=(N-N min)/(N+1) Y=0.75(1-x0.567)∴(N-7.56)/(N+1)=0.75(1-0.2020.567) 解得N=14.5 取15块理论板(包括釜)实际板数: N=(15-1)/0.7+1=21(包括釜)求加料板位置,先求最小精馏板数(N min)精=lg[x D /(1-x D )×(1-x F )/x F]/lgα=lg[0.98/0.02·0.4/0.6]/lg2.47=3.85N精/N=(N min)精/N min∴N精=N(N min)精/N min=14.5×3.85/7.56=7.4则精馏段实际板数为7.4/0.7=10.6取11块故实际加料板位置为第12块板上.22解:(1) 由y=αx/[1+(α-1)x]=2.4x/(1+1.4x) 作y-x图由于精馏段有侧线产品抽出,故精馏段被分为上,下两段, 抽出侧线以上的操作线方程式: y n+1 =Rx n /(R+1)+x D /(R+1)=2/3x n +0.3 ----------- (1)侧线下操作线方程推导如下:以虚线范围作物料衡算V=L+D1+D2Vy s+1=Lx s+D1x D1+D2x D2 ;y s+1=Lx s/V +(D1x D1+D2x D2)/V=Lxs/(L+D1+D2)+(D1x D1+D2x D2)/(L+D1+D2);L=L0-D2, 则:y s+1=(L0-D2)x s/(L0-D2+D1+D2)+(D1x D1+D2x D2)/(L0-D2+D1+D2)=(R-D2/D1)x s/(R+1)+(x D1+D2x D2/D1)/(R+1)(R=L0/D1)将已知条件代入上式,得到:y S+1=0.5x+0.416(2) 用图解法,求得理论塔板数为（5-1）块,见附图.22题附图23解:根据所给平衡数据作x-y图.精馏段操作线y n+1 =Rx n /(R+1)+x D /(R+1)=1.5x n /(1.5+1)+0.95/(1.5+1)=0.6x n +0.38q线方程与q线:料液平均分子量:M m=0.35×+0.65×18=22.9甲醇分子汽化潜热:r=252×32×4.2=33868.8[KJ/Kmol]水的分子汽化潜热:r=552×18×4.2=41731.2[KL/Kmol] 23题附图料液的平均分子汽化潜热:r=0.35×33868.8+0.65×41731.2=38979.4[KL/Kmol]料液的平均分子比热Cp=0.88×22.9×4.2=84.6[KL/Kmol·℃]q=[r+Cp(ts-t F )]/r=[38979.4+84.6(78-20)]/38979.4=1.13q线斜率q/(q-1)=1/13/0.13=8.7提馏段操作线方程与操作线：由于塔釜用直接蒸汽加热,故提馏段操作线过横轴上(x W ,0)一点,于是在x-y图上,作出三条线,用图解法所得理论板数为7.6块,可取8块(包括釜).24解:对全塔进行物料衡算:F1+F2=D+W ----------(1)F1x F1+F2x F2=Dx D +Wx W100×0.6+200×0.2=D×0.8+W×0.02100=0.8D+0.02W -----------(2)由式(1) W=F1+F2-D=100+200-D=300-D代入式(2)得:D=120.5Kmol/hL=RD=2×120.5=241kmol/hV=L+D=241+120.5=361.5Kmol/h在两进料间和塔顶进行物料衡算,并设其间液汽流率为L",V",塔板序号为s.V''+F1=D+L''V''y s+1"+F1x F1=L''xs''+Dx Dy s+1=(L''/V'')xs''+(Dx D -F1x F1)/V''L''=L+q1F1=241+1×100=341Kmol/hV''=V=361.5y s+1"=(341/361.5)x s''+(120.5×0.8-100×0.6)/361.5y s+1"=0.943x s''+0.125解:对于给定的最大V',V=(R+1)D,回流比R愈小,塔顶产品量D愈大,但R 需满足产品的质量要求x D》0.98, 故此题的关键是求得回流比R.由题已知加料板为第14层,故精馏段实际板数为13层,精馏段板数为:13×0.5=6.5取苯-甲苯溶液相对挥发度为α=2.54用捷算法求精馏段最小理论板数(N min)精=ln[0.98/0.02-0.5/0.5]/ln2.54=4.175y=[N精馏段-(N min)精]/(N精馏段+1)=(6.5-4.175)/(6.5+1)=1.31由y=0.75(1-x0.567)x=(1-Y/0.75)(1/0.567)=0.392=(R-R min)/(R+1)∴R=(0.392+R min)/(1-0.392)R min=(x D -y e)/(y e-x e)对泡点进料x e=x F =0.5y e=αx/[1+(α-1)x]=2.54×0.5/(1+1.54×0.5)=1.27/1.77=0.72∴R min=(0.98-0.72)/(0.72-0.5)=0.26/0.22=1.18∴R=(0.392+1.18)/(1-0.392)=1.572/0.608=2.59∴D=V/(R+L)=2.5/(2.59+1)=0.696[Kmol/h]故最大馏出量为0.696[Kmol/h]26解:求n板效率: Emv =(y n -y n+1 )/(y n*-y n+1 ),因全回流操作,故有y n+1 =x n ,y n =x n-1与x n成平衡的y n*=αx n/[1+(α-1)x n ]=2.43×0.285/(1+1.43×0.285)=0.492于是: Emv=(x n-1 -x n )/(y n*-x n )=(0.43-0.285)/(0.492-0.285)=0.7求n+1板板效率:Emv=(y n+1 -y n+2)/(y n+1* -y n+2)=(x n-x n+)/(y n+1*-x n+1 )y’n+1 =2.43×0.173/(1+1.43×0.173)=0.337∴Emv=(0.285-0.173)/(0.337-0.173)=0.68327解:由图可知:该板的板效率为Emv=(y1-y )/(y1*-y W)从图中看出,y1=x D =0.28,关键要求y1*与y W .由已知条件Dx D /Fx F =0.8∴D/F=0.8×0.2/0.28=0.57作系统的物料衡算: Fx F =Dx D +Wx WF=D+W联立求解: x F =Dx D /F+(1-D/F)x W0.2=0.57×0.28+(1-0.57)x W解得x W =0.093 习题27附图因塔釜溶液处于平衡状态,故y W=αx W/[1+(α-1)x W ]=2.5×0.093/(1+1.5×0.093)=0.204y W与x1是操作线关系.y n+1 =L'x n /V'-Wx W /V'=Fx n /D-Wx W/D =Fx n /D-(F-D)x W /D=Fx n /D-(F/D-1)x W∴y n+1 =x n /0.57-(1/0.57-1)0.093=1.75x n -0.07当y n+1 =y W时,x n =x1∴x1=(y W +0.07)/1.75=(0.204+0.07)/1.75=0.157与x1成平衡气相组成为y1*y1*=αx1/[1+(α-1)x1]=2.5×0.157/(1+1.5×0.157)=0.318∴Emv=(0.28-0.204)/(0.318-0.204)=66.8%28解:(1)精馏段有两层理论板,x D =0.85,x F =0.5,用试差法得精馏段操作线ac,与x=x F=0.5线交于d.提馏段有两层理论板,从点d开始再用试差法作图,得提馏段操作线bd，得：x W =0.17x D/(R+1)=0.103R=0.85/0.103-1=7.25F=D+W Fx F =Dx D +Wx W100=D+W100×0.5=D×0.85+W×0.17得D=48.5Kmol/hV'=V=(R+1)D=8.25×48.5=400Kmol/h28题附图(2)此时加入的料液全被气化而从塔顶排出,其组成与原料组成相同,相当于一个提馏塔. 29解:(1)D=η,Fx F /x D =0.9×100×0.4/0.92=39.13Kmol/h,W=60.9Kmol/hx W =0.1Fx F /W=0.1×100×0.4/60.9=0.0656∵q=1 ∴x q =0.4 查图得y q =0.61R min=(x D -y q )/(y q -x q )=(0.92-0.61)/(0.61-0.4)=1.48R=1.5×1.48=2.2 x D /(R+1)=0.92/3.2=0.29在y-x图中绘图得N T =15-1=14块(未包括釜),N加料=第6块理论板N p=14/0.7=20块(不包括釜) N p精=5/0.7=7.14,取8块,∴第九块为实际加料板(2) 可用措施:(1)加大回流比,x D↑,x W↓,η=↑(2)改为冷液进料,N T <N T' q=1, N T =const ∴x D↑q约为const,下移加料点,x D↑.29题附图30解:(1)Dx D /Fx F =0.922; Dx D =0.922×150×0.4=55.32Dx D =Fx F -Wx W =Fx F -(F-D)x W =55.32150×0.4-(150-D)×0.05=55.32D=56.4Kmol/h W=F-D=93.6Kmol/hx D =55.32/56.4=0.981(2) N T及N F (进料位置)x D =0.981,x W =0.05,q=1,x D /(R+1)=0.981/(2.43+1)=0.286a(0.981,0.981), b(0.05,0.05)q线: x F=0.4、q=1, q线为垂线。

《化工原理》课程设计标题学院医药化工学院专业化学工程与工艺（精细）班级 09精细化工（1）班姓名陈举标学号 ********** 指导教师蒋赣、严明芳2011年 12 月 30 日1.设计题目：筛板式连续精馏塔设计2.设计任务在抗生素类药物生产过程中，需要用丙酮溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废丙酮溶媒，其组成为含丙酮50%（质量分数，下同）。

为得到含水量为0.5%的丙酮溶液，使废丙酮溶媒重复使用，拟建立一套板式精馏塔，以对废丙酮溶媒进行精馏。

设计要求废丙酮溶媒的处理量为6500吨/年，塔底废水中丙酮含量0.05%。

3.工艺条件生产能力：6500吨/年（料液）年工作日：300天原料组成：50%丙酮，50%水（质量分率，下同）产品组成：馏出液 99.5%丙酮，釜液0.05%丙酮操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点温度进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热回流比：自选单板压降≤0.7kPa加热蒸气压力0.5MPa（表压）4.设计内容1) 精馏塔的物料衡算；2) 塔板数的确定；3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5) 塔板主要工艺尺寸的计算；6) 塔板的流体力学验算；7) 塔板负荷性能图；8) 精馏塔接管尺寸计算；9) 对设计过程的评述和有关问题的讨论5.设计流程丙酮—水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。

塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。

塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。

精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

1．精馏塔的工艺计算 (1)1.1整理有关数据 (1)1.2精馏塔的物料衡算 (3)1.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (7)1.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (10)1.5塔板主要工艺尺寸的计算 (12)1.6筛板的流体力学验算 (16)1.7塔板负荷性能图 (19)1.8精馏塔接管尺寸计算 (23)2. 设计一览表 (25)3．符号说明 (26)4. 后记 (28)5. 参考文献 (28)6. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）1 精馏塔的工艺计算1.1整理有关物性数据表5. 丙酮—水系统t—x—y数据沸点t/℃丙酮摩尔数x y10000920.01 0.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.7 0.975 0.97956.5 1 1由以上数据可作出丙酮和水的温度组成图，t-y（x）图如下图1-1温度组成图由温度组成图导出相平衡图，如图1-2所示图1-2相平衡图1.2精馏塔的物料衡算1.2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 丙酮的摩尔质量 A M =58.08kmol kg / 水的摩尔质量 B M =18.02kmol kg /000155.002.18/9995.008.58/0005.008.58/0005.0=+=W x 2368.002.18/5.008.58/5.008.58/5.0=+=F x 08.58/995.01.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量5062.2702.18)2368.01(08.582368.0=⨯-+⨯=F M kmol kg / 4430.5702.18)9841.01(08.589841.0=⨯-+⨯=D M kmol kg / 0262.1802.18)000155.01(08.58000155.0=⨯-+⨯=W M kmol kg / 1.2.3 物料衡算原处理量 8209.325062.27243001065003=÷÷÷⨯=F h kmol / 总物料衡算 32.8209D =W +联立W D 000155.09841.02368.08209.32+=⨯，解得 8712.7=D h kmol / 9297.24=W h kmol /1.2.4塔板数的确定1.2.4.1理论板层数T N 的求取最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。

塔和塔板主要工艺尺寸计算精馏段塔和塔板主要工艺计算（一）、塔径 D初选板间距 H T =0.40m,取板上液层高度h L =0.06m,所以 H T - h L =0.40-0.06=0.34m (s s V L )(VL ρρ)2/1=(45.1003993.0)(94.2.76580)2/1=0.0456查Smith 关联图得C 20=0.072C= C 20(20σ)2.0=0.072(2062.20)2.0=0.0724 u max =CVV L ρρρ-=0.072494.294.2.76580-=1.196 m/s取安全系数为0.70，则u=0.70u max =0.70×1.196=0.837 m/s所以 D=u 4V s π=378.014.345.14⨯⨯=1.485m 按标准，塔径圆整为D=1.6m ，则空塔气速为V 空=2sD 4V π=26.1414.345.1=0.72m/s（二）、溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。

各项计算如下。

1、溢流堰长l w取堰长l w 为0.7D ，即l w =0.7×1.6=1.12m2、出口堰高h wh w =h L -h ow由l w /D=1.12/1.6=0.7 h L / l w 5.2=14.37/1.125.2=10.8 查液体收缩系数计算图可知E=1.023h ow =3/2w h )l L (E 100084.2 =3/2)12.1.3741(023.1100084.2⨯⨯=0.016m h w =0.06-0.016=0.044m3、降液管的宽度W d 与降液管的面积A f由l w /D=1.12/1.6=0.7 查弓形降液管的宽度与面积图，可得W d /D=0.412 A f /A T=0.0834所以 W d =0.142D=0.142×1.6=0.227mA f =0.0834×2D 4π=0.1677 m 2 由式sTf L H A =τ计算液体在降液管中停留的时间以检验降液管面积，即 sT f L H A =τ=003993.04.01677.0⨯=16.80s (＞5s 符合要求) 4、降液管低隙高度h o取液体通过降液管低隙的流速o u '为0.08m/s ，即h o =ow su l L '⋅=0.0812.1003993.0⨯=0.045m （三）、塔板布置（1）取边缘区宽度W c =0.035m 、安定区宽度W s =0.065m (2)开孔区面积A a =2[x 22x R -+2R 180⨯πsin 1-Rx] =2[0.50822085.0657.0-+20.765180⨯πsin 1-0.7650.508]=1.431 m 2其中 x=D/2 – (W d +W C )=1.6/2 –(0.227+0.065)=0.508mR=D/2 - W C =1.6/2 -0.035=0.765m（四）、筛孔数n 与开孔率ϕ取筛孔的孔径d o 为5mm,正三角形排列，一般碳钢的板厚δ为3mm ， 取t/ d o =3.0 所以孔中心距t=3.0×5.0=15.0mm塔板上筛孔数n,即n=(23t 101158⨯) A a =2315101158⨯×1.431=7365 个 塔板上开孔率ϕ，即 ϕ=a 0A A ﹪=2o )d /t (907.0﹪=23907.0﹪=10.1﹪ （在5-15﹪范围内）每层塔板上的开孔面积A O 为，A O =ϕA a =0.101×1.431=0.1445 m 2 气体通过筛孔的气速 u o =V s / A O =1.45/0.1445=10.03 m/s （五）、塔的有效高度Z （精馏段） Z=（10-1）×0.4=3.6m提馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算（一）塔径 D初选板间距 H T =0.40m,取板上液层高度h L =0.06m,所以 H T - h L =0.40-0.06=0.34m (s s V L )(VL ρρ)2/1=(24.1004358.0)( 3.23790.98)2/1=0.0480查Smith 关联图得C 20=0.072C= C 20(20σ)2.0=0.072(2019.50)2.0=0.0716 u max =CVV L ρρρ-=0.0716 3.233.23790.98-=1.118 m/s取安全系数为0.70，则u=0.70u max =0.70×1.118=0.783 m/s所以 D=u 4V s π=783.014.324.14⨯⨯=1.52m 按标准，塔径圆整为D=1.2m ，则空塔气速为V 空=2sD 4V π=26.1414.342.1=0.71m/s(二)溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。

分离乙醇水精馏塔设计(含经典工艺流程图和塔设备图)化工原理课程设计任务书一、设计题目：乙醇---水连续精馏塔的设计二、设计任务及操作条件（1）进精馏塔的料液含乙醇35％（质量分数，下同），其余为水；（2）产品的乙醇含量不得低于90％；（3）塔顶易挥发组分回收率为99％；（4）生产能力为50000吨/年90％的乙醇产品；（5）每年按330天计，每天24小时连续运行。

（6）操作条件a）塔顶压强 4kPa （表压）b）进料热状态自选c）回流比自选d）加热蒸汽压力低压蒸汽（或自选）e）单板压降 kPa。

三、设备形式：筛板塔或浮阀塔四、设计内容：1、设计说明书的内容1）精馏塔的物料衡算；2）塔板数的确定；3）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5）塔板主要工艺尺寸的计算；6）塔板的流体力学验算；7）塔板负荷性能图；8）精馏塔接管尺寸计算；9）对设计过程的评述和有关问题的讨论；2、设计图纸要求；1）绘制生产工艺流程图（A2 号图纸）；2）绘制精馏塔设计条件图（A2 号图纸）；五、设计基础数据：1.常压下乙醇---水体系的t-x-y 数据；2.乙醇的密度、粘度、表面张力等物性参数。

一、设计题目：乙醇---水连续精馏塔的设计二、设计任务及操作条件：进精馏塔的料液含乙醇35％（质量分数，下同），其余为水；产品的乙醇含量不得低于90％；塔顶易挥发组分回收率为99％，生产能力为50000吨/年90％的乙醇产品；每年按330天计，每天24小时连续运行。

塔顶压强 4kPa （表压）进料热状态自选回流比自选加热蒸汽压力低压蒸汽（或自选）单板压降≤0.7kPa。

三、设备形式：筛板塔四、设计内容：1）精馏塔的物料衡算：原料乙醇的组成 xF＝＝0.1740原料乙醇组成 xD0.7788塔顶易挥发组分回收率90％平均摩尔质量 MF =由于生产能力50000吨／年，.则 qn，F所以，qn，D2）塔板数的确定：甲醇—水属非理想体系，但可采用逐板计算求理论板数,本设计中理论塔板数的计算采用图解法。

第五单元 精 馏5-1．若苯－甲苯混和液在45℃时沸腾，总压为20.3kpa 。

已知在45℃时，纯苯的饱和蒸气压kpa p 7.220=苯，纯甲苯的饱和蒸气压kpa p 6.70=甲苯。

求其气液相的平衡组成及相对挥发度.解：（1）平衡时苯的液相组成x 苯、气相组成y 苯84.01.157.126.77.226.73.20000==--=--=甲苯苯甲苯苯p p p p x 而94.084.03.207.220=⨯=⋅=苯苯苯x p p y 因苯—甲苯可当作理想溶液，故相对挥发度为：0.36.77.2200≈==甲苯苯p p α 本题要求掌握泡、露点方程及其应用.5-3．在一两组分连续精馏塔中,进入精馏段中某层理论板n 的气相组成y n ＋1为0。

75，从该板流出的液相组成x n 为0.65(均为摩尔分数），塔内气液比V/L=2，物系的相对挥发度α为2.5，求：1）回流比R ；2)流入该板的液相组成x n －1;3）从该板上升的蒸气组成y n 解：1）求R 由211=+=R R V L （1分）可解出:2R ＝R ＋1,R ＝1（2）求x n －1 ①由精馏段操作线方程111+++=+R x x R R y D n n ,得265.02175.0D x ＋＝⨯ 解出x D ＝0.85（2分) ②因111+++=-R x x R R y D n n ，代入已知量得 285.021823.01+=-n x ，解出796.01=-n x 3）求y n可用气液平衡方程由α、x n 求出y n()823.065.05.1165.05.211=⨯+⨯=-+⋅=n n n x x y αα 本题要求熟练运用操作线方程和平衡方程解决精馏过程有关计算问题。

5-4．在泡点进料下，某两组分连续精馏塔的操作线方程为：精馏段：263.0723.0+=x y提馏段： 1.250.0187y x =-求：1)回流比；2）馏出液;3)釜残液的组成;4）原料液的组成。

精馏过程的物料衡算和塔板数的计算一、理论塔板连续精馏计算的主要对象是精馏塔的理论塔板数。

所谓的理论塔板是指气液在塔板上充分接触，有足够长的时间进行传热传质，当气体离开塔板上升时与离开塔板下降的液体已达平衡，这样的塔板称为理论塔板。

实际上，由于塔板上气液接触的时间及面积均有限，因而任何形式的塔板上气液两相都难以达到平衡状态，也就是说理论塔板是不存在的，它仅是一种理想的板，是用来衡量实际分离效率的依据和标准。

通常在设计中先求出按生产要求所需的理论塔板数N T然后用塔板效率η予以校正，即可求得精馏设备中的实际塔板数N P二、计算的前提由于精馏过程是涉及传热、传质的复杂过程，影响因素众多。

为处理问题的方便作如下假设，这些就是计算的前提条件。

（1）塔身对外界是绝热的，即没有热损失。

（2）回流液由塔顶全凝器供给，其组成与塔顶产品相同。

（3）塔内上升蒸气由再沸器加热馏残液使之部分气化送入塔内而得到。

（4）恒摩尔气化在精馏操作时，在精馏段内，每层塔板上升的蒸气的摩尔流量都是相等的，提馏段内也是如此，即：精馏段：V1 = V2 = …………＝Ｖn= Vmol/s(下标为塔板序号，下同）提馏段：Ｖ′n+1 =V′n+2 =…………＝V′m= V′mol/s但Ｖn不一定与Ｖ′m相等，这取决于进料状态。

（５）恒摩尔溢流（或称为恒摩尔冷凝）精馏操作时，在精馏段内每层塔板下降的液体的摩尔流量都是相等的，提馏段也是如此，即：Ｌ1 = L2=…………= L n = L mol/sL′n+1= L′n+2=………… = L′m= L′ mol/s但Ｌ不一定与Ｌ′相等，这也取决于进料的状态。

（６）塔内各塔板均为理论塔板。

三、物料衡算和操作线方程１、全塔物料衡算图4-10 全塔物料衡算示意图如图４－１０所示，设入塔进料流量为Ｆ，轻组分含量为x F,塔顶产量流量为Ｄ，轻组分含量为x D,塔底产品流量为Ｗ，轻组分含量为x w，流量单位均为mol/s，含量均为摩尔分率。

本次设计的一部分是设计苯酐轻组分塔，塔型选用F1浮阀塔，进料为两组分进料连续型精馏。

苯酐为重组分，顺酐为轻组分，从塔顶蒸除去，所以该塔又称为顺酐塔。

5.1 确定操作条件顺酐为挥发组分，所以根据第3章物料衡算得摩尔份率：进料： 794.0074.43239072.5x F ==塔顶： D x =0.8502塔底： w x =0.002该设计根据工厂实际经验及相关文献给出实际回流比R=2（R=1.3R min ），及以下操作条件： 塔顶压力：10.0kPa ；塔底压力：30.0kPa ； 塔顶温度：117.02℃； 塔底温度：237.02℃； 进料温度：225℃； 塔板效率：E T =0.5 5.2 基础数据整理 （1）精馏段：图5-1 精馏段物流图平均温度：()01.17122502.11721=+℃平均压力：()=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯⨯-⨯333100.107519.75100.10100.30213103.015⨯pa 根据第3章物料衡算，列出精馏段物料流率表如下：标准状况下的体积： V 0=2512.779.42234.7880=⨯Nm 3/h操作状况下的体积： V 1=63610101.01003.1510101.027301.1712732512.779⨯+⨯⨯⨯+⨯=1103.2112 Nm 3/h气体负荷： V n =3064.036001103.2112= m 3/s气体密度： =n ρ0903.32112.11033409.2240= kg/m 3液体负荷： L n =9470.036003409.2240= m 3/s171.01℃时 苯酐的密度为1455kg/m 3（2）提馏段：图5-2 提馏段物料图平均温度：()01.23122502.23721=+℃ 入料压力：()Pa k 9.147519751030=-⨯-平均压力：()=+0.309.142122.5kPa 根据第3章物料衡算列出提馏段内回流如下图：表5-2 提馏段内回流标准状况下的体积：='0V 4054.4974.222056.22=⨯Nm 3/h 操作状态下的体积：='1V 63610101.0105.2210101.027301.2312734054.497⨯+⨯⨯⨯+⨯ =751.0162 Nm 3/h气体负荷：V m =2086.03600751.0162=m 3/s气体密度 m ρ=7022.110162.7518788.5420=kg/m 3查得进料状态顺酐与苯酐混合物在温度225℃下，含顺酐 5.41(wt)%,密度1546kg/m 3。