第9章　液體精餾

一、選擇題

1．全回流時精餾段操作線的斜率等于（　　）。[重慶大學2010年研]

A．0

B．1

C．∞

D．任意值

【答案】B

【解析】全回流是回流比為∞，因此精餾段操作線方程斜率R/（R＋1）等于1。

2．精餾塔塔頂蒸汽采用分凝器冷凝時，塔頂蒸汽的組成（　  ）回流液體的組成，（　　）塔頂產品的組成。[華南理工大學2011年研]

A．等于

B．大于

C．小于

D．不定

【答案】B；C

【解析】分凝器也相當于一層理論板，采用分凝器冷凝時，相當于理論塔板數增大了。

3．在精餾塔設計中，放置2個進料口的好處是（　  ）。[浙江大學2011年研]

A．精餾塔能耗減小

B．可適當調節進料流量

C．可適當調節進料最佳位置

D．可適當調節進料溫度

【答案】C

【解析】放置兩個進料口的目的是在不同塔板位置上設置不同的進料口，進而分離不同濃度的原料液。

二、填空題

1．液液精餾操作過程中進料狀態參數q的定義是：______，其物理意義是：______，在五種不同進料狀態下的q值為：（1）冷液進料______；（2）泡點液體進料______；（3）氣液混合物進料______；（4）飽和蒸汽進料______；（5）過熱蒸汽進料______。[中山大學2010年研]

【答案】參數的定義：q=(L’－L)/F。

物理意義：每進料，提餾段比精餾段液相增加的摩爾數。

（1）q＞1（2）q=1（3）0＜q＜1（4）q=0（5）q＜0

【解析】從熱量角度，q值表示將1mol進料變為飽和蒸汽所需的熱量與原料液的千摩爾氣化熱的比值。

2．對于給定的連續精餾塔，當進料和產品取出率不變時，增加回流比意味著流體在塔內的循環量______，產品的濃度______。[華南理工大學2011年研]

【答案】增加  增高

【解析】當回流比增大時，塔板數也隨之增大，流體在塔內的循環次數增加，因而產品更純。

3．以下兩種蒸餾方式，當在原料液組成一定且得到的液相分率也相同時，則平衡蒸餾的塔頂產品組成比簡單蒸餾的組成______，其原因為______。[浙江大學2011年研]

【答案】

小，因為簡單蒸餾的氣相組成多是與開始階段較高的液相組成成平衡的，而平衡蒸餾的氣相組成只能與最終較低的液相組成平衡。

【解析】若氣化率相同，簡單蒸餾較平衡蒸餾可獲得更好的分離效果。若要求兩種蒸餾保持相同的分離程度，則簡單蒸餾的氣化率較平衡蒸餾時的大。

4．恒沸精餾操作中加入挾帶劑的作用是______。[華南理工大學2012年研]

【答案】以提高各組分間相對揮發度的差別，使其得以分離。

【解析】對于揮發度相近的物系，夾帶劑與原有組分所形成的恒沸液的性質決定了恒沸精餾的流程。

5．某精餾塔在操作時，加料熱狀態由原來的飽和液體進料改為冷液進料，且保持F，x_F，R，D不變，則此時塔頂物料濃度x_D______，塔底物料濃度x_W______。[重慶大學2010年研]

【答案】增加；增加

【解析】q變大，進料線斜率大于零，導致精餾段操作線上移，精餾段和提餾段操作線斜率不變，所以x_D增大，而提餾段操作線也要上移，則x_W增大。

6．在簡單蒸餾操作中，隨著蒸餾的進行，蒸餾釜內的易揮發組分濃度逐漸______，釜內溶液沸點逐漸______。[華南理工大學2012年研]

【答案】降低；升高

【解析】由于氣相中組成大于液相中組成，因此隨著過程的進行，釜中液相組成不斷下降，使得與之平衡的氣相組成亦隨之降低，而釜內液體泡點不斷升高。

三、簡答題

1．什么叫精餾操作？舉例說明精餾過程在化工生產中的應用。[中山大學2010年研]

答：精餾操作是指利用混合物中各組分揮發能力的差異，通過液相和氣相的回流，使氣、液兩相逆向多級接觸，在熱能驅動和相平衡關系的約束下，使得易揮發組分不斷從液相往氣相中轉移，而難揮發組分卻由氣相向液相中遷移，使得混合物得到不斷分離的過程。

應用：產品的分離提純。

2．簡述簡單蒸餾與精餾的區別？請論述精餾操作的基本原理。[中山大學2011年研]

答：（1）簡單蒸餾又稱微分蒸餾，也是一種單級蒸餾操作，常以簡歇的方式進行。簡單蒸餾多用于混合液的初步分離，是非穩態過程，只能得到一種產品，產品無需回流，產量小，是一次部分氣化與部分冷凝。

精餾是多次簡單蒸餾的組合，可以是連續穩定過程，也可以間歇過程，多次部分氣化與部分冷凝。

（2）精餾的原理：精餾是在一個設備內同時進行多次部分汽化和部分冷凝以分離液體混合物中的組分。操作時，將由精餾塔頂凝縮而得的液體的一部分，由塔頂回流入塔內，使與從蒸餾釜連續上升的蒸汽密切接觸。可得到與重復簡單蒸餾若干次相當的效果，從而提高各組分的分離程度。

四、計算題

1．分離苯和甲苯混合液，進料組成為0.4，餾出液組成為0.95，殘液組成為0.05（以上組成均為苯的摩爾分率），苯對甲苯的平均相對揮發度為2.44。泡點進料，塔頂冷凝器為全凝器，塔釜為間接蒸汽加熱。試求：（1）最小回流比；（2）若回流比取最小回流比的1.5倍，列出精餾段操作線方程；（3）列出提餾段操作線方程。[中山大學2010年研]

解：由題意，已知

（1）平衡線方程

q線垂直可知，將其代入平衡線方程得，

所以知最小回流比

（2）回流比

精餾段操作線方程

（3）由q線與精餾段方程：

得

又已知，則由兩點可知提餾段操作線方程為：

2．某精餾塔用于分離苯-甲苯混合液，泡點進料，進料量30kmol/h，進料中苯的摩爾分率為0.5，塔頂、底產品中苯的摩爾分率分別為0.95和0.10，采用回流比為最小回流比的1.5倍，操作條件下可取系統的平均相對揮發度＝2.40。

（1）求塔頂、底的產品量；

（2）求出精餾段操作線方程；

（3）若塔頂設全凝器，各塔板可視為理論板，求離開第二塊板（由塔頂往下數）的蒸汽和液體組成。[中南大學2012年研]

解：（1）根據全塔物料守恒有：

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）泡點進料：q＝1

所以x_q＝x_F＝0.5，

平衡線方程：

所以y_q＝0.7059

R＝1.5Rmin＝1.778

所以精餾段操作線方程：

（3）塔頂為全凝器，所以y₁＝x_D＝0.95

代入平衡線方程解得：x₁＝0.888

代入精餾段操作線方程：y₂＝0.888×0.64＋0.342＝0.91

代入平衡線：x₂＝0.81

3．用板式精餾塔在常壓下分離某雙組分混合溶液，塔頂采用分凝器，分凝器的冷凝液回流入塔，分凝器出來的蒸汽進入全凝器冷凝后作為塔頂產品；塔釜用間接蒸汽加熱；全塔平均相對揮發度可近似取為3。當處理量F為100kmol/h，進料濃度為含溶質A0.6（摩爾分率，下同）的飽和液體，回流比為3時，塔頂餾出液中溶質A的濃度為0.99，塔釜采出液中溶質A的濃度為0.02，試求：

（1）塔內第一塊理論板下降的液體組成及提餾段操作方程；

（2）現測得塔內第一塊實際板下降的液體組成為0.91，分凝器的冷凝液組成為0.94，求該塔內第一塊實際板的氣相默弗里單板效率；

假設本題符合恒摩爾流假定。[浙江大學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）精餾段的操作線方程為：

＝0.75x＋0.2475

分凝器相當于一塊理論板，則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

所以第一塊板下降的液體組成為x₁＝0.928

飽和液體進料，q＝1

物料守恒：

解得：D＝59.8kmol/h，W＝40.2kmol/h

提餾段操作線方程：

（2）第一塊板的氣相默弗里效率為：

其中，x₀＝0.94，x₁＝0.91

則

y₁＝0.75x₀＋0.2475＝0.9525

y₂＝0.75x₁＋0.2475＝0.93

代入得：

4．用一精餾塔分離某雙組分混合液，在塔中部以飽和蒸汽進料，已知進料中易揮發物組成x_F＝0.5，塔頂產品中易揮發組成x_D＝0.9，塔釜中易揮發組成x_w＝0.05（以上均為摩爾分率），該物系平均相對揮發度為3，回流比R＝2R_min，試計算：

（1）提餾段操作線方程；

（2）進入第一塊理論板（從頂往下數）的汽相濃度；

（3）若因故塔釜停止加熱，欲維持x_D不變應如何操作？此時塔釜排液x_w＝？[華南理工大學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：　 

代入數據解得：W/D＝8/9

q＝0

所以  　 y_q＝x_F＝0.5

又平衡線方程：

所以  x_q＝0.25

，R＝2Rmin＝3.2，L＝RD＝3.2D

則提餾段操作線方程：

＝

＝1.385x_m－0.069

（2）進入第一塊板的氣相即為離開第二塊板的氣相y₂

y₁＝x_D＝0.9＝

精餾段操作線方程：

y₂＝0.7619×0.75＋0.2143＝0.7857

即進入第一塊理論板的氣相濃度為0.7857。

（3）塔釜停止加熱，即提餾段上升蒸汽V'＝0

∴V＝V'＋F＝L＋D'＝（R＋1）D'，

即 　 F＝（R＋1）D'

那么　 D'＝

即應使塔頂餾出液減少為原來的0.45倍。

根據物料守恒有：　 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．采用精餾塔分離酒精溶液，進料量F＝120kmol/h，已知易揮發組分含量x_F＝0.35（摩爾分率，下同），加料熱狀態q＝1.08，塔頂設全凝器，在泡點溫度下回流，回流比R＝3.0。塔釜通入飽和蒸汽直接加熱，其量為S。餾出液x_D＝0.85。設塔內物流量符合恒摩爾流假設。

（1）求塔頂回收率為0.9時，塔底產品量W及組成X_w；

（2）若保持F、x_F、x_D、x_W、R及q不變，當塔釜改用間接蒸汽加熱時，提餾段操作線方程。[南京理工大學2010年研]

解：由得：

（2）間接蒸汽加熱時

提餾段操作線方程