第9章　液体精馏

一、选择题

1．全回流时精馏段操作线的斜率等于（　　）。[重庆大学2010年研]

A．0

B．1

C．∞

D．任意值

【答案】B

【解析】全回流是回流比为∞，因此精馏段操作线方程斜率R/（R＋1）等于1。

2．精馏塔塔顶蒸汽采用分凝器冷凝时，塔顶蒸汽的组成（　  ）回流液体的组成，（　　）塔顶产品的组成。[华南理工大学2011年研]

A．等于

B．大于

C．小于

D．不定

【答案】B；C

【解析】分凝器也相当于一层理论板，采用分凝器冷凝时，相当于理论塔板数增大了。

3．在精馏塔设计中，放置2个进料口的好处是（　  ）。[浙江大学2011年研]

A．精馏塔能耗减小

B．可适当调节进料流量

C．可适当调节进料最佳位置

D．可适当调节进料温度

【答案】C

【解析】放置两个进料口的目的是在不同塔板位置上设置不同的进料口，进而分离不同浓度的原料液。

二、填空题

1．液液精馏操作过程中进料状态参数q的定义是：______，其物理意义是：______，在五种不同进料状态下的q值为：（1）冷液进料______；（2）泡点液体进料______；（3）气液混合物进料______；（4）饱和蒸汽进料______；（5）过热蒸汽进料______。[中山大学2010年研]

【答案】参数的定义：q=(L’－L)/F。

物理意义：每进料，提馏段比精馏段液相增加的摩尔数。

（1）q＞1（2）q=1（3）0＜q＜1（4）q=0（5）q＜0

【解析】从热量角度，q值表示将1mol进料变为饱和蒸汽所需的热量与原料液的千摩尔气化热的比值。

2．对于给定的连续精馏塔，当进料和产品取出率不变时，增加回流比意味着流体在塔内的循环量______，产品的浓度______。[华南理工大学2011年研]

【答案】增加  增高

【解析】当回流比增大时，塔板数也随之增大，流体在塔内的循环次数增加，因而产品更纯。

3．以下两种蒸馏方式，当在原料液组成一定且得到的液相分率也相同时，则平衡蒸馏的塔顶产品组成比简单蒸馏的组成______，其原因为______。[浙江大学2011年研]

【答案】

小，因为简单蒸馏的气相组成多是与开始阶段较高的液相组成成平衡的，而平衡蒸馏的气相组成只能与最终较低的液相组成平衡。

【解析】若气化率相同，简单蒸馏较平衡蒸馏可获得更好的分离效果。若要求两种蒸馏保持相同的分离程度，则简单蒸馏的气化率较平衡蒸馏时的大。

4．恒沸精馏操作中加入挟带剂的作用是______。[华南理工大学2012年研]

【答案】以提高各组分间相对挥发度的差别，使其得以分离。

【解析】对于挥发度相近的物系，夹带剂与原有组分所形成的恒沸液的性质决定了恒沸精馏的流程。

5．某精馏塔在操作时，加料热状态由原来的饱和液体进料改为冷液进料，且保持F，x_F，R，D不变，则此时塔顶物料浓度x_D______，塔底物料浓度x_W______。[重庆大学2010年研]

【答案】增加；增加

【解析】q变大，进料线斜率大于零，导致精馏段操作线上移，精馏段和提馏段操作线斜率不变，所以x_D增大，而提馏段操作线也要上移，则x_W增大。

6．在简单蒸馏操作中，随着蒸馏的进行，蒸馏釜内的易挥发组分浓度逐渐______，釜内溶液沸点逐渐______。[华南理工大学2012年研]

【答案】降低；升高

【解析】由于气相中组成大于液相中组成，因此随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之平衡的气相组成亦随之降低，而釜内液体泡点不断升高。

三、简答题

1．什么叫精馏操作？举例说明精馏过程在化工生产中的应用。[中山大学2010年研]

答：精馏操作是指利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使得混合物得到不断分离的过程。

应用：产品的分离提纯。

2．简述简单蒸馏与精馏的区别？请论述精馏操作的基本原理。[中山大学2011年研]

答：（1）简单蒸馏又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏操作，常以简歇的方式进行。简单蒸馏多用于混合液的初步分离，是非稳态过程，只能得到一种产品，产品无需回流，产量小，是一次部分气化与部分冷凝。

精馏是多次简单蒸馏的组合，可以是连续稳定过程，也可以间歇过程，多次部分气化与部分冷凝。

（2）精馏的原理：精馏是在一个设备内同时进行多次部分汽化和部分冷凝以分离液体混合物中的组分。操作时，将由精馏塔顶凝缩而得的液体的一部分，由塔顶回流入塔内，使与从蒸馏釜连续上升的蒸汽密切接触。可得到与重复简单蒸馏若干次相当的效果，从而提高各组分的分离程度。

四、计算题

1．分离苯和甲苯混合液，进料组成为0.4，馏出液组成为0.95，残液组成为0.05（以上组成均为苯的摩尔分率），苯对甲苯的平均相对挥发度为2.44。泡点进料，塔顶冷凝器为全凝器，塔釜为间接蒸汽加热。试求：（1）最小回流比；（2）若回流比取最小回流比的1.5倍，列出精馏段操作线方程；（3）列出提馏段操作线方程。[中山大学2010年研]

解：由题意，已知

（1）平衡线方程

q线垂直可知，将其代入平衡线方程得，

所以知最小回流比

（2）回流比

精馏段操作线方程

（3）由q线与精馏段方程：

得

又已知，则由两点可知提馏段操作线方程为：

2．某精馏塔用于分离苯-甲苯混合液，泡点进料，进料量30kmol/h，进料中苯的摩尔分率为0.5，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10，采用回流比为最小回流比的1.5倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度＝2.40。

（1）求塔顶、底的产品量；

（2）求出精馏段操作线方程；

（3）若塔顶设全凝器，各塔板可视为理论板，求离开第二块板（由塔顶往下数）的蒸汽和液体组成。[中南大学2012年研]

解：（1）根据全塔物料守恒有：

其中F＝30kmol/h，x_F＝0.5，x_W＝0.1，x_D＝0.95

代入解得：D＝14.1kmol/h，W＝15.9kmol/h

（2）泡点进料：q＝1

所以x_q＝x_F＝0.5，

平衡线方程：

所以y_q＝0.7059

R＝1.5Rmin＝1.778

所以精馏段操作线方程：

（3）塔顶为全凝器，所以y₁＝x_D＝0.95

代入平衡线方程解得：x₁＝0.888

代入精馏段操作线方程：y₂＝0.888×0.64＋0.342＝0.91

代入平衡线：x₂＝0.81

3．用板式精馏塔在常压下分离某双组分混合溶液，塔顶采用分凝器，分凝器的冷凝液回流入塔，分凝器出来的蒸汽进入全凝器冷凝后作为塔顶产品；塔釜用间接蒸汽加热；全塔平均相对挥发度可近似取为3。当处理量F为100kmol/h，进料浓度为含溶质A0.6（摩尔分率，下同）的饱和液体，回流比为3时，塔顶馏出液中溶质A的浓度为0.99，塔釜采出液中溶质A的浓度为0.02，试求：

（1）塔内第一块理论板下降的液体组成及提馏段操作方程；

（2）现测得塔内第一块实际板下降的液体组成为0.91，分凝器的冷凝液组成为0.94，求该塔内第一块实际板的气相默弗里单板效率；

假设本题符合恒摩尔流假定。[浙江大学2011年研]

解：已知：α＝3，x_F＝0.6，F＝100kmol/h，R＝3，x_D＝0.99，x_W＝0.02

（1）精馏段的操作线方程为：

＝0.75x＋0.2475

分凝器相当于一块理论板，则y₀＝x_D＝0.99

由相平衡方程：得x₀＝0.97

y₁＝0.75x₀＋0.2475＝0.975

代入相平衡方程得x₁＝0.928

所以第一块板下降的液体组成为x₁＝0.928

饱和液体进料，q＝1

物料守恒：

解得：D＝59.8kmol/h，W＝40.2kmol/h

提馏段操作线方程：

（2）第一块板的气相默弗里效率为：

其中，x₀＝0.94，x₁＝0.91

则

y₁＝0.75x₀＋0.2475＝0.9525

y₂＝0.75x₁＋0.2475＝0.93

代入得：

4．用一精馏塔分离某双组分混合液，在塔中部以饱和蒸汽进料，已知进料中易挥发物组成x_F＝0.5，塔顶产品中易挥发组成x_D＝0.9，塔釜中易挥发组成x_w＝0.05（以上均为摩尔分率），该物系平均相对挥发度为3，回流比R＝2R_min，试计算：

（1）提馏段操作线方程；

（2）进入第一块理论板（从顶往下数）的汽相浓度；

（3）若因故塔釜停止加热，欲维持x_D不变应如何操作？此时塔釜排液x_w＝？[华南理工大学2012年研]

解：（1）已知x_F＝0.5，x_D＝0.9，x_W＝0.05，α＝3，R＝2Rmin，q＝0

物料衡算：　 

代入数据解得：W/D＝8/9

q＝0

所以  　 y_q＝x_F＝0.5

又平衡线方程：

所以  x_q＝0.25

，R＝2Rmin＝3.2，L＝RD＝3.2D

则提馏段操作线方程：

＝

＝1.385x_m－0.069

（2）进入第一块板的气相即为离开第二块板的气相y₂

y₁＝x_D＝0.9＝

精馏段操作线方程：

y₂＝0.7619×0.75＋0.2143＝0.7857

即进入第一块理论板的气相浓度为0.7857。

（3）塔釜停止加热，即提馏段上升蒸汽V'＝0

∴V＝V'＋F＝L＋D'＝（R＋1）D'，

即 　 F＝（R＋1）D'

那么　 D'＝

即应使塔顶馏出液减少为原来的0.45倍。

根据物料守恒有：　 Fx_F＝D'x_D＋W'x_W

即 F×0.5＝0.2381F×0.9＋（1－0.2381）F×x_W

x_W＝0.375

5．采用精馏塔分离酒精溶液，进料量F＝120kmol/h，已知易挥发组分含量x_F＝0.35（摩尔分率，下同），加料热状态q＝1.08，塔顶设全凝器，在泡点温度下回流，回流比R＝3.0。塔釜通入饱和蒸汽直接加热，其量为S。馏出液x_D＝0.85。设塔内物流量符合恒摩尔流假设。

（1）求塔顶回收率为0.9时，塔底产品量W及组成X_w；

（2）若保持F、x_F、x_D、x_W、R及q不变，当塔釜改用间接蒸汽加热时，提馏段操作线方程。[南京理工大学2010年研]

解：由得：

（2）间接蒸汽加热时

提馏段操作线方程