分离工程作业及复习题

第一章 绪论

2. （第6-10组）利用如附图所示的系统将某混合物分离成三个产品。试确定： 1）固定设计变量数和可调设计变量数；

2）指定一组合理的设计变更量

解：(1)

进料变量数 NX

压力等级数 合计

串级单元数 Na

侧线采出数 分配器数 传热单元数

合计

6 1 1 2 10 c+2 N+M+2 N+M+c+4

(2)一组合理的设计变更量为：侧线流率及

侧线采出口的位置。

4. （第1-10组）确定如图所示的吸收-解吸流程的设计变量数

解：假设吸收塔进料有 c 个组分。按设计变量数的确定原则：

进料变量数 NX

串级单元数 Na

传热单元数

合计 压力等级数 水蒸气 合计

c+2 2 3 c+7

2 3 5

变量的选择：

情况1：

吸收塔和解吸塔的操作压力； 气体原料的流率、组成、进料温度和压力；

水蒸气的流率、进料温度和压力； 吸收塔和解吸塔的塔板数； 三个换热器各自的一个出口温度。 情况2：

固定设计变量的规定与“情况 1 ”的①②③相同； 吸收塔出口气中 CO2的摩尔分数；

解吸塔出口气中 CO 2 的摩尔分数； 三个换热器的换热面积。

5. （第2、4、6、8、10组）具有单进料和采用全凝器的精馏塔（如图），若以新鲜水蒸汽直接进入塔釜一级代替再沸器分离乙醇和水的混合物。假定固定进料，绝热操作，全塔压力为常压，并规定塔顶乙醇浓度，求：（1）设计变量是多少？（2）若完成设计，应推荐哪些变量？ 解：（1）

进料变量数 NX

串级单元数 Na

分配器数

2 1 1 4

压力等级数 水蒸气 合计

1 2

c+5 (c=2) c+2

传热单元数

合计

则设计变量数为： c+5+4=2+5+4=11

(2)若完成设计，应推荐以下变量：回流温度、流出液流率、进料位置、论级数

第三章 多组分精馏和特殊精馏

2. （第6-10组）在连续精馏塔中，分离下表所示的液体混合物。操作压力为2780.0kPa、加料量为100kmol／h。若要求馏出液中回收进料中91.1％乙烷，釜液中回收进料中93.7％的丙烯，试用清晰分割估算馏出液流量及各组分在两产品中的组成。

序号 组分 xi ih 1 甲烷 0.05 10.95 2 乙烷 0.35 2.59 3 丙烯 0.15 1 4 丙烷 0.20 0.884 5 异丁烷 0.15 0.422 6 正丁烷 0.10 0.296 解：根据题意，组分2（乙烷）是轻关键组分，组分3（丙烯）是重关键组分，而组分1（甲烷）是轻组分，组分4（丙烷）、组分5（异丁烷）和组分6（正丁烷）是重组分。

清晰分割如下：x4,D0，x5,D0，x6,D0，x1,W0，则根据物料衡算关系列出下表：

序号 组分 进料1 甲烷 2 乙烷 35.0 31.885 3.115 0.8428 0.0501 3 丙烯 15.0 0.945 14.055 0.0250 0.2261 4 丙烷 20.0 — 20.0 0.3217 5 异丁烷 15.0 — 15.0 0.2413 6 正丁烷 10.0 — 10.0 0.1608 ∑ 100.0 37.83 62.17 fi 5.0 5.0 — 0.1322 馏出液di 釜液i xi,D xi,W

5. （第1-10组）拟以水为溶剂对醋酸甲酯（1）—甲醇（2）溶液进行萃取精馏分离，已知料液的xF10.65，此三元系中各组分的端值常数为：

;A1s2.9934;As11.8881 A121.0293;A210.94;A2s0.82 As20.5066试问当全塔萃取剂浓度为xs0.6时，水能作为该体系的萃取剂吗？若当全塔萃取剂浓度为

xs0.8时，其萃取效果可提高多少？除萃取剂的浓度外，影响萃取效果的因素有那些？

1A12A2111.02930.94640.9878 2211 A'1SA1SAS12.99341.88812.4408

2211 A'2SA2SAS20.820.50660.6678

22x10.650.65 x'1x1x20.650.35那么 当 xs0.6时，

解：依题意可得 A'12slnxsA'1SA'2SA'1212x'10.62.44080.66780.9878120.651.2416 即

s3.46>1 故水能作为该体系的萃取剂 同理，当xs0.8时，

'slnxsA'1SA'2SA'1212x'10.82.44080.66780.9878120.651.6555 即 从而

's5.236 's5.2361.51 s3.46 除萃取剂的浓度外，影响萃取效果的因素有原溶液的性质及浓度等。

22lnAxlnAx12216. （第1-10组）某1、2两组分构成二元系，活度系数方程为，，端值常数与温

度的关系：A=1.7884-4.2510-3T (T，K)

SlnP116.0826蒸汽压方程为：

40504050lnP2S16.3526T ，T (P：kPa：T：K)

假设汽相是理想气体，试问99.75Kpa 时：（1）系统是否形成共沸物？（2）共沸温度是多少？

解：T = 344.3K (即 71℃) ，则 A = 0.325

sp1sp2=75.16kPa; =98.45kPa

sln(p1sp2)ln(98.4575.16)(12x1)A0.325

得到：x1=0.0846; x2=0.91

lnr10.325(0.9145)2, r11.313 lnr20.325(0.0846)2, r21.002

p=1.313´0.0846´75.16+1.002´0.91´98.45 =98.65kPa < p规定 设T=344.7K (即71.7℃)

p99.75kPa

与给定总压基本相等，故共沸温度是71.7℃，共沸组成x1=0.083 摩尔分数

8. （第8、10组）已知甲醇-丙酮在不同压力下均能形成共沸物，常压下共沸物组成为含甲醇46%(mol)，而1.1MPa下共沸物组成变化为含甲醇62%(mol)。当进料中甲醇含量大于62%(mol)时，请判断常压塔与高压塔的塔序，并画出相应的流程图。

解：先进常压塔，再进高压塔。 原因如下：当进料中甲醇含量大于62%(mol)时，先进入常压塔后，塔顶馏出液为含甲醇46%(mol)的甲醇-丙酮共沸物，塔釜为纯甲醇，然后再进入高压塔时，因为1.1MPa下的共沸组成为含甲醇62%(mol)，故塔釜为纯丙酮，塔顶为含甲醇62%(mol)的共沸物馏出液循环进入常压塔。如此循环即可得将两种物质完全分离出来。流程图如下：

第十一章 分离过程的节能

2. （第1-10组）某反应器流出的是RH3烃和各种氯化衍生物的混合物、未反应的烃和HCl。根据如下数据，用经验法设计两种塔序并作必要解释。 组分 HCl RH3 58 15.0 85.0 RCl3 16 1.0 98.0 RH2Cl 30 1.9 95.0 RHCl2 14 1.2 98.0 流率/（kmol/h） 52 相对挥发度 纯度要求/% 4.7 80.0

解：根据S1规则，因HCl具有腐蚀性，为减少设备投资，在各种塔序中HCl应优先被分出，而且HCl的纯度要求最低，根据S2规则，HCl也可优先分离，加上HCl的含量第二多，考虑HCl最先分离是合理的；RCl3和RHCl2之间的相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，RCl3和RHCl2最后分离；RH3最易分离，且含量最多，根据C1规则，所以第二步应分离RH3 。第三步采用等摩尔分割RH2Cl 和RH3 、RHCl2，符合C2规则。该塔序如附图一所示：

附图一

同上 ，根据S1规则，HCl有腐蚀性，应优先分离；根据S2规则，RCl3和RHCl2之间的相对挥发度最小，相对最难分离，所以RCl3和RHCl2最后分离。 与（1）不同的是分离RH3和RH2Cl的塔C因组成相对简单，塔径和塔高减小，可导致设备投资相应减小。但从分离难易程度和组分含量而言，显然附图一所示的的塔序比附图二所示的塔序更合理。该塔序如附图二所示：

附图二

3. （第6-10组）用普通精馏塔分离来自加氢单元的混合烃类。进料组成和相对挥发度数据如下表所示，试确定两个较好的流程。

组分 丙烷 丁烯-1 正丁烯 进料流率 kmol/h 相对挥发度 10.0 8.1 100.0 341.0 3.7 3.1 组分 丁烯-2 正戊烷 进料流率 kmol/h 相对挥发度 187.0 2.7 40.0 1.0 解：设丙烷、丁烯－1、正丁烯、丁烯－2、正戊烷分别为组分A、B、C、D、E 。由经验规则S2，难于分离的组分后分离，故先分为ABC和DE，在ABC的分离过程中，由C1 规则，含量 最 多的首先分出，故分为AB和C，而 由 S2 规 则，也可分为A和BC，故两个较好的流程为：