题目
在常压连续精馏塔内分离某理想二元混合物。已知进料量为 100 mathrm(~kmol/h),其组成为 0.5(易挥发组分的摩尔分数,下同),泡点进料。塔顶采用全凝器,泡点回流,馏出液和釜残液的组成分别为 0.95 和 0.05。操作回流比为最小回流比的 1.5 倍,物系的平均相对挥发度为 2.0。试确定提馏段操作线方程。
在常压连续精馏塔内分离某理想二元混合物。已知进料量为 $100 \mathrm{~kmol/h}$,其组成为 0.5(易挥发组分的摩尔分数,下同),泡点进料。塔顶采用全凝器,泡点回流,馏出液和釜残液的组成分别为 0.95 和 0.05。操作回流比为最小回流比的 1.5 倍,物系的平均相对挥发度为 2.0。试确定提馏段操作线方程。
题目解答
答案
根据题目条件,最小回流比为:
\[
R_{\min} = \frac{x_D - y_q}{y_q - x_q} = \frac{0.95 - 0.6667}{0.6667 - 0.5} = 1.7
\]
实际回流比为:
\[
R = 1.5 R_{\min} = 2.55
\]
物料平衡得:
\[
D = 50 \, \text{kmol/h}, \quad W = 50 \, \text{kmol/h}
\]
提馏段操作线方程为:
\[
y = \frac{L'}{V'} x - \frac{W x_W}{V'} = \frac{227.5}{177.5} x - \frac{2.5}{177.5} = 1.2816 x - 0.0141
\]
最终结果:
\[
y = 1.2816 x - 0.0141
\]
解析
本题考查常压连续精馏塔内理想二元混合物分离的相关知识,解题思路是先根据已知条件求出最小回流比,再得到实际回流比,接着通过物料平衡求出馏出液和釜残液的流量,最后根据提馏段操作线方程的公式求出提馏段操作线方程。
- 求最小回流比:
已知馏出液组成 $x_D = 0.95$,进料组成 $x_F = 0.5$,泡点进料,根据精馏塔的相关知识,需要先求出进料热状态参数 $q$ 对应的 $y_q$ 和 $x_q$。
因为泡点进料,$q = 1$,根据精馏塔的物料平衡和相平衡关系,可通过平均相对挥发度 $\alpha = 2.0$ 求出 $y_q$ 和 $x_q$。
由相平衡方程 $\frac{y}{1 - y} = \alpha\frac{x}{1 - x}$,可得 $y_q = 0.6667$,$x_q = 0.5$。
根据最小回流比公式 $R_{\min} = \frac{x_D - y_q}{y_q - x_q}$,将 $x_D = 0.95$,$y_q = 0.6667$,$x_q = 0.5$ 代入公式可得:
$R_{\min} = \frac{0.95 - 0.6667}{0.6667 - 0.5} = 1.7$ - 求实际回流比:
已知实际回流比为最小回流比的 $1.5$ 倍,即 $R = 1.5 R_{\min}$,将 $R_{\min} = 1.7$ 代入可得:
$R = 1.5\times1.7 = 2.55$ - 求馏出液和釜残液的流量:
根据物料平衡方程 $F = D + W$,$F x_F = D x_D + W x_W$,已知 $F = 100 \mathrm{~kmol/h}$,$x_F = 0.5$,$x_D = 0.95$,$x_W = 0.05$,联立方程组可得:
$\begin{cases}100 = D + W\\100\times0.5 = D\times0.95 + W\times0.05\end{cases}$
解方程组可得 $D = 50 \mathrm{~kmol/h}$,$W = 50 \mathrm{~kmol/h}$。 - 求提馏段操作线方程:
提馏段操作线方程为 $y = \frac{L'}{V'} x - \frac{W x_W}{V'}$,其中 $L'$ 为提馏段液相流量,$V'$ 为提馏段气相流量。
因为 $L' = L + W$,$V' = V - D$,$L = R D$,$V = (R + 1)D$,将 $R = 2.55$,$D = 50 \mathrm{~kmol/h}$,$W = 50 \mathrm{~kmol/h}$ 代入可得 $L' = 227.5 \mathrm{~kmol/h}$,$V' = 177.5 \mathrm{~kmol/h}$,$W = 50 \mathrm{~kmol/h}$,$x_W = 0.05$ 代入提馏段操作线方程可得:
$y = \frac{227.5}{177.5} x - \frac{50\times0.05}{177.5} = 1.2816 x - 0.0141$