题目
(15分)在常压连续精馏塔分离苯和甲苯混合液,混合液的流量为1000kmol/h,其中含苯40%,要求塔顶馏出液中含苯90%,塔釜残液中含苯2%(均为摩尔分率)。泡点进料,塔顶冷凝器为全凝器,塔釜间接蒸汽加热,取回流比为最小回流比的1.5倍。全塔平均相对挥发度为2.5。试求:(1)塔顶与塔底产品量D、W;(2)回流比R;(3)从上往下数的塔第二块理论板上升气体组成;(4)若在塔操作中,将进料状态改为饱和蒸汽进料,而保持F、R、D、xF不变,此时能否完成分离任务?为什么?
(15分)
在常压连续精馏塔分离苯和甲苯混合液,混合液的流量为1000kmol/h,其中含苯40%,要求塔顶馏出液中含苯90%,塔釜残液中含苯2%(均为摩尔分率)。泡点进料,塔顶冷凝器为全凝器,塔釜间接蒸汽加热,取回流比为最小回流比的1.5倍。全塔平均相对挥发度为2.5。试求:
(1)塔顶与塔底产品量D、W;
(2)回流比R;
(3)从上往下数的塔第二块理论板上升气体组成;
(4)若在塔操作中,将进料状态改为饱和蒸汽进料,而保持F、R、D、xF不变,此时能否完成分离任务?为什么?
题目解答
答案
解:(1) 
即 
解之得:
(3分)
{2}泡点进料,
(3分)
(3)精馏段操作线方程: 
(4分)
(4)F、R、D不变,而进料状态由饱和液体改为饱和蒸汽时,q,故
随q而,
,提馏段塔板分离能力,
必,又由全塔物料衡算可知,
。可见不能完成分离任务。 (5分)
解析
步骤 1：确定塔顶与塔底产品量D、W
根据物料平衡方程，可以列出两个方程：
$$
\begin{cases}
F = D + W \\
F x_F = D x_D + W x_W
\end{cases}
$$
其中，F=1000kmol/h，$x_F=0.4$，$x_D=0.9$，$x_W=0.02$。代入方程求解D和W。
步骤 2：计算回流比R
根据最小回流比的计算公式，可以得到：
$$
R_{min} = \frac{x_D - y_e}{y_e - x_e}
$$
其中，$y_e$和$x_e$分别为进料的气相和液相组成，$y_e$可以通过相对挥发度计算得到。然后，根据题目要求，回流比R为最小回流比的1.5倍。
步骤 3：计算从上往下数的塔第二块理论板上升气体组成
根据精馏段操作线方程，可以得到：
$$
y_{n+1} = \frac{R}{R+1} x_n + \frac{x_D}{R+1}
$$
其中，$x_n$为第n块理论板的液相组成，$y_{n+1}$为第n+1块理论板的气相组成。代入相关参数求解$y_2$。
步骤 4：分析进料状态改变对分离任务的影响
当进料状态由饱和液体改为饱和蒸汽时，进料热状态参数q发生变化，进而影响到精馏段和提馏段的操作线方程。由于F、R、D、$x_F$不变，需要分析q的变化对分离任务的影响。
根据物料平衡方程，可以列出两个方程：
$$
\begin{cases}
F = D + W \\
F x_F = D x_D + W x_W
\end{cases}
$$
其中，F=1000kmol/h，$x_F=0.4$，$x_D=0.9$，$x_W=0.02$。代入方程求解D和W。
步骤 2：计算回流比R
根据最小回流比的计算公式，可以得到：
$$
R_{min} = \frac{x_D - y_e}{y_e - x_e}
$$
其中，$y_e$和$x_e$分别为进料的气相和液相组成，$y_e$可以通过相对挥发度计算得到。然后，根据题目要求，回流比R为最小回流比的1.5倍。
步骤 3：计算从上往下数的塔第二块理论板上升气体组成
根据精馏段操作线方程，可以得到：
$$
y_{n+1} = \frac{R}{R+1} x_n + \frac{x_D}{R+1}
$$
其中，$x_n$为第n块理论板的液相组成，$y_{n+1}$为第n+1块理论板的气相组成。代入相关参数求解$y_2$。
步骤 4：分析进料状态改变对分离任务的影响
当进料状态由饱和液体改为饱和蒸汽时，进料热状态参数q发生变化，进而影响到精馏段和提馏段的操作线方程。由于F、R、D、$x_F$不变，需要分析q的变化对分离任务的影响。