《化工分离工程》刘佳琪复习.docx

化工分离工程刘佳琪复习分离工程 本 一、填空 1、分离过程可分为 、 两大类。 2、在平衡分离过程中，平衡关系用分离因子表示为aij= 。分离因子在精馏中又称为 ，在液液平衡中又称为 。 3、对于一四组分气液平衡物系而言，其自由度数f等于 。 4、吸收过程按溶质数多少可分为 和 ； 按吸收温度状况可分为 和 。 5、超临界流体萃取有 、 和 等三种操作方法。 6、闪蒸温度必须介于物系的 与 之间。 7、吸附剂的再生方法有 、 、 、 。 8、结晶分离的传质推动力为 。 9、膜分离过程按分离体系不同可分为 、 。按推动力不同可分为 、 、 。 1、一烃类混合物中含有乙烷30%、丙烷30%、正丁烷40%。其安托因方程参数见下表。试求30时的泡点压力及此时的气相组成。安托因方程为：lnp=A-组分 乙烷 丙烷 丁烷 A 15.6637 15.726 15.6782 B T+CB 1511.42 1872.46 2154.9 C -17.16 -25.16 -34.42 T(K) P(mmHg) 2、将苯甲苯对二甲苯混合物送入精馏塔分离，进料流量为100kmol/h，组成为ZA=0.4、ZB=0.4、ZC=0.2，要求苯在塔顶回收率为95%，甲苯在塔釜的回收率为95%。组分相对平均挥发度AB=2.0，试按清晰分割法求全回流条件下所需理论板数及塔顶与塔底的流量及组成。(10分) 3、具有三块理论板的吸收塔，用来处理下列组成的气体，在操作条件下各组分分离工程试卷 1 平均吸收因子见下表。富气与贫油流率均为100kmol/h，试用平均吸收因子法计算各组分的吸收率、吸收液与尾气的量及组成。(14分) 组分 C2H6 C3H8 n-C4H10 n-C6H14 合计 VN+1,i 60 30 10 0 100 L0i 0 0 0 100 100 Ai 0.8 3 10 分离工程课程试卷5参考答案及评分细则 一、填空 1、平衡分离过程、速率分离过程。 2、aij=3、4。 4、单组分吸收、多组分吸收；等温吸收、非等温吸收。 5、等温法、等压法、吸附法。 6、露点温度、泡点温度。 7、变压法、变温法、惰性气体吹扫法、置换再生法、。 8、过饱和度。 9、气体、液体。浓度差、压力差、电位差。 二、简述题 分离工程试卷 2 yixjxiyj=Ki，相对挥发度，相对选择性。 Kj1、平衡常数与组成无关的泡点温度计算过程。 S答：1）已知p,假设T®求出各组分的pi s2）K =pi®K由已知的xi®yi=Kixiiip3）SKixi-1£e(e通常取为0.005)®泡点T 4）如果 S K ix i - 1 ³ e ; 降低T，重新计算。 SKixi-1£-e;升高T，重新计算。 2、平衡常数与组成有关的露点温度计算过程。 答：1）已知p,假设T®求出各组分的相应参数及利用维里方程计算fi 2）由已知的yi，取gi=1求出Ki，初步算出xi 3) 校正gi，求出Ki, 由已知的yi®xi=yi/Ki 4) Sxi-1£e(e通常取为0.005)®露点T 5) 如果 S x i - 1 £ e ; 降低T，重新计算。 LLSxi-1³-e;升高T，重新计算。 3、萃取精馏中提高塔顶产品含量的方法有哪些。 答：1）加大采出量，减小回流量。 2）加大萃取剂用量 3）减少进料量 4、间歇精馏中的操作方式有哪几种，工业上主要采用哪一种。 答：1）恒回流比 2）恒塔顶组成 3）变优化操作。工业中常采用变优化操作。 5、变温吸附的原理是什么？。 答： 分离工程试卷 3 三、名词解释 1、化学吸附在吸附过程中吸附质与吸附剂分子间形成化学键的作用。 2、轻关键组分精馏过程由设计者指定浓度或提出分离要求的那个相对易挥发的组分。 3、清晰分割馏出液中除了HK外，没有其他重组分，釜液中除了LK外，没有其他轻组分。 4、物理吸收气体溶质溶入到吸收溶剂中，不与溶剂发生化学反应。 四、计算题 1、解： 1）求出各组分的饱和蒸气压，由：lnp=A-B，T=303.15K，得： T+Clnp乙烷=15.6637-lnp丙烷=15.726-1511.420=10.3788Þp乙烷=32171mmHg 303.15-17.161872.460=8.9903Þp丙烷=8025mmHg 303.15-25.16lnp丁烷=15.6782-2154.90=7.6594Þp丁烷=2120mmHg 303.15-34.422）求泡点压力，因为物系可以看作理想物系，由拉乌尔定律，得到： 000P=p乙烷x乙烷+p丙烷x丙烷+p丁烷x丁烷=32171´0.3+8025´0.3+2120´0.4=12906.8mmHg3）求平衡常数Ki，求气相组成yi。因为物系可以看作理想物系，可得： 0K乙烷=p乙烷/P=32171/12906.8=2.492Þy乙烷=K乙烷x乙烷=2.492´0.3=0.7478 0K丙烷=p丙烷/P=8025/12906.8=0.622Þy丙烷=K丙烷x丙烷=0.622´0.3=0.1866 0K丁烷=p丁烷/P=2120/12906.8=0.164Þy丁烷=K丁烷x丁烷=0.164´0.4=0.0656 2、解： 分离工程试卷 4 1）按清晰分割进行塔顶及塔底组分分配，由所给定条件可知，苯为轻关键组分，甲苯为重关键组分，由所给定的回收率可知： 苯在塔顶的量为：dL=fL´0.95=40´0.95=38kmol/h 苯在塔底的量为：bL=fL-dL=40-38=2kmol/h 甲苯在塔底的量为：bH=fH´0.95=40´0.95=38kmol/h 甲苯在塔顶的量为：dH=fH-bH=40-38=2kmol/h 对二甲苯在塔底的量为：bC=fC=20kmol/h 对二甲苯在塔顶的量为：0 2）塔顶、塔底的流量及组成的计算 D=dL+dH+dC=38+2=40kmol/hÞxDL=0.95;xDH=0.05;xDC=0 B=bL+bH+bC=2+38+20=60kmol/hÞxBL=0.0333;xBH=0.6333;xBC=0.33343）全回流下理论板数的计算 éæxDLöæxBHlgêç÷çxèDHøèxBLëNm=lgaLH3、解： öùéæ0.95öæ0.6333öù÷úlgêç÷ç÷ú0.050.0333øûèøèøû=ë=8.5 lg2.0AiN+1-Ai1）计算各组分吸收率，由fi=N+1，可得： Ai-1f乙烷=N+1A乙烷-A乙烷N+1A乙烷-10.84-0.8=0.6612 0.84-1f丙烷=N+1A丙烷-A丙烷N+1A丙烷-134-3=4=0.975 3-1104-10=0.9991 104-1f正丁烷=N+1A正丁烷-A正丁烷N+1A正丁烷-12）各组分被吸收量的计算，由fi=vN+1,i-v1,ivN+1,i，可得：vN+1,i-v1,i=fivN+1,i vN+1,乙烷-v1,乙烷=f乙烷vN+1,乙烷=0.6612´60=39.672kmol/hÞv1,乙烷=60-39.672=20.328kmol/hvN+1,丙烷-v1,丙烷=f丙烷vN+1,丙烷=0.975´30=29.25kmol/hÞv1,丙烷=30-29.25=0.75kmol/hvN+1,正丁烷-v1,正丁烷=f正丁烷vN+1,正丁烷=0.9991´10=9.91kmol/hÞv1,正丁烷=10-9.91=0.09kmol/h3）尾气和吸收液的流量的组成计算 分离工程试卷 5 由以上计算可知尾气量为：V1=Sv1,i=20.328+0.75+0.09=21.168kmol/h 尾气中各组分含量为：y乙烷=v1,乙烷/V1=20.328/21.168=0.9603 y丙烷=v1,丙烷/V1=0.75/21.168=0.0354 y正丁烷=v1,正丁烷/V1=0.09/21.168=0.0043 吸收液的量为：LN=L0+(VN+1-V1)=100+100-21.168=178.832kmol/h 吸收液中各组分含量为：xN,乙烷=lN,乙烷/LN=39.672/178.832=0.2218 xN,丙烷=lN丙烷/LN=29.25/178.832=0.1636 xN,正丁烷=lN正丁烷/LN=9.91/178.832=0.0554 xN,正己烷=lN正己烷/LN=100/178.832=0.5592 2、预将甲苯-烷烃二元恒沸物进行分离，现以甲醇为恒沸剂分离甲苯-烷烃的流程如图，分析各塔物流， 答：分析可知： 恒沸精馏塔：由于恒沸剂加入过量，塔底为甲醇甲苯的混合物，塔顶烷烃-甲醇的二元恒沸物。 脱甲醇塔：塔底为甲苯，塔顶为甲苯-甲醇的二元恒沸物。 萃取塔：塔底为甲醇水溶液，塔顶为烷烃。 脱水塔：塔底为水，塔顶为甲醇。 1. 萃取精馏过程中，萃取剂的作用是什么？萃取精馏过程与共沸精馏过程有何区别？ 要点：萃取剂的作用：通过稀释原溶液和分别与原溶液组分的相互作用力不同 使原溶液组分间的相对挥发度发生改变。 区别：共沸精馏在改变相对挥发度的同时还要与原溶液组分生成共沸物； 共沸精馏的能耗一般比萃取精馏大； 共沸精馏更适用于分离热敏性物料； 共沸精馏可连续操作，也可间歇操作，萃取精馏一般只能连续操作。 分离工程试卷 6 3、恒沸精馏与萃取精馏的异同点。 答：相同点：都加入第三组分，形成非理想溶液；都提高相对挥发度； 都应用物料衡算、热量衡算和相平衡关系式。 不同点：恒沸精馏加入恒沸剂形成恒沸物，沸点低，从塔顶出来； 萃取精馏不形成恒沸物，沸点高，从塔底离开。 4 简述精馏过程最小回流时和全回流时的特点。 最小回流比是馏的极限情况之一，此时，未完成给定的分离任务，所需要理论经板数无穷多，如果回流比小于最小回流比，则无论多少理论板数也不能完成给定的分离任务。 全回流是精馏的极限情况之一。全回流所需的理论板数最少。此时，不进料，不出产品。 2什么叫清晰分割法，什么叫不清晰分割法？ 多组分精馏分离，馏出液中除了重关键组分外没有其他重组分，重组分全部由塔釜排出，而釜液中除了轻关键组分外没有其它轻组分，轻组分全部由塔顶排出，这种分离情况称为清晰分割，此时非关键组分为非分配组分。 而馏出液中除了重关键组分外还有其他重组分，釜液中除了轻关键组分外还有其它轻组分，这种分离情况称为非清晰分割，此时非关键组分为分配组分。 3简述精馏和吸收过程的主要不同点。 1）原理不同：吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。 2）传质形式不同：精馏操作中，汽液两相接触时，汽相中的较重组分冷凝进入液相，而液相中较轻组分被气化转入汽相，因此传质过程是双相传质过程；而吸收过程则是气相中的某些组分溶到不挥发的吸收剂中去的单向传质过程。 3）塔式不同：一般的精馏塔是一处进料，塔顶和塔釜出料，而吸收塔是两处进料、两处出料。 5 气液传质设备有几种常用的级效率？影响效率的因素有哪些？ 效率的表示方法主要有以下几种： 1）全塔效率，又称为总板效率 2）Murphree板效率，又称干板效率 3）点效率 4）填料塔的等板高度 1. 实际板和理论板的差异主要表现在哪些方面？ 实际板和理论板的差异： 1）理论板假定离开该板的汽、液两相达到平衡；实际板不可能达到平衡； 分离工程试卷 7 2）理论板上相互接触的汽液两相完全混合，板上液相浓度均一，等于离开该板溢流液的浓度；实际板板上混合不完全； 3）实际板上汽液两相存在不均匀流动，停留时间有明显差异； 4）实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫现象。 2. 何为关键组分，何为轻关键组分、何为重关键组分？ 2分离要求指定的、最关心的组分称为关键组分；两个关键组分中相对易挥发的组分称为轻关键组分，不易挥发的组分称为重关键组分。 已知某液体混合物中各组分的汽液平衡常数与温度的关系如下： 组分 C4 C5 组成zi 0.45 0.32 Ki (t的单位为) -0.04+0.012t -0.17+0.01t 上述混合物若温度为77，试分析是否有液相存在。 1.解：混合物温度为77时 KC3=-0.75+0.06´77=3.87,KC4=0.884,KC5=0.6 åKx即ii=3.87´0.23+0.56´0.884+0.33´0.6=1.583>1 >1,T>TB åKxiiiåy即Ki=0.233.87+0.560.884+0.330.6=1.77>1 iåyKi>1,T<TD混合物处于两相区 有液相存在 、试求氨仿 乙醇在共沸温度为55时的共沸组成和总压力。 已知： 2lng1=x2(0.59+1.66x1) lng2=x12(1.42-1.66x2) 0lgP1=6.90328-1152.051163.0027 lgP2=6.468- 227+t231.4+8t00解：温度为55，则由饱和蒸汽压公式得 p1=82.372 p2=37.311 0p2g1由恒沸物的特点有： ln=1n0 g2p1分离工程试卷 8 由于lng12=0.59x2-1.42x12+1.66x1x2 g2故ln37.3112=0.58x2-1.42x12+1.66x1x2 82.372x1+x2=1 由上式解得：x1=0.8475 x2=0.1525 4分 由活度系数公式得：g1=1.0475 g2=2.3120 00所以 p=g1x1p1+g2x2p2=86.279=86659KPa 3、在20块板的塔中用烃油吸收含85%乙烷，10%丙烷和5%正丁烷的气体，采用的油气比为1:1，该塔处理的气体量为100kmol/h，操作压力为3大气压。若全塔效率按25%计，试求：平均温度为多少，才能回收90%的丁烷；组份的平衡常数；吸收因子、吸收率；尾气的组成。 操作条件下各组分的平衡常数如下： 乙烷 k=0.13333t+5.46667；丙烷 k=0.06667+1.3333；正丁烷 k=0.02857t+0.08571(t的单位为) 解：(1)温度 N理=N实×h=20´25%=5 AkN+1-Akj=N+1=0.9 A6-10A+9=0 Ak=1.203 AK=1(舍去) kkAk-1AK=L117t+0.0857 1×=1´=1.203 K=0.0285´ 解得 t=26.09 kVKKKK(2)各组份的平衡常数 k1=0.13333×26.09=5.46667=8.945 k2=0.06667×26.09+1.13333=2.873 k3=0.02857×26.09+0.08571=0.831 分离工程试卷 9 (3)吸收因子、吸收率 以乙烷为例 L11A乙烷=1´=0.112 Vk乙烷8.945j乙烷=N+1A乙烷-A乙烷N+1A乙烷-10.1125+1-0.112=0.112 5+10.112-1其他组分的计算结果见表 尾气的组成见表： 组分 vN+1 吸收因子A 吸收率j 尾气量 尾气组成 乙烷 85 0.112 0.112 75.48 0.915 丙烷 10 0.348 0.347 6.53 0.079 正丁烷 5 1.203 0.900 0.50 0.006 82.51 1.000 分离工程试卷 1 0 分离工程试卷 1 1 分离工程试卷 1 2