分离工程计算.doc
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分离工程计算.doc
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五、`计算
1.进料中含正已烷0.33,正庚烷0.33,正辛烷0.34(平均摩尔分数)。
今要求馏出液中正庚烷浓度XD2≤0.015,釜液中正已烷浓度xw3≤0.011,若进料流率为100kmol/h,按清晰分割法求馏出液和釜液的流率及组成。
试计算精馏系统的最小回流比。
已知进料中的液相分率为0.4。
解:
根据上例的已知条件及计算结果,其数据如下
组分 αiXF,iXD,i
1正辛烷 1 0.34 0.0
2正庚烷 2.27 0.33 0.01
3正己烷 5.25 0.33 0.99
由(3-45)式得
用试差法求出θ=3.814,代入(3-46)式
故
2.现设计一脱乙烷塔,其原料组成和操作条件下的相对挥发度如下表。
馏出液中丙烯浓度为2.5x%,釜液中乙烷浓度为5.0x%,塔顶操作压力为2.76MPa(绝)。
进料为泡点进料,回流为饱和液相,全塔平均板效率为75%,求所需的塔板数。
进料中组分 XF,i% α 进料中组分 XF,i%α
甲烷 5.0 7.356 丙烷 20.0 0.901
乙烷 35.0 2.091 异丁烷 10.0 0.507
丙烯15.0 1.000 正丁烷 15.0 0.408
解:
以100mol进料为基准,假设在釜液中不出现甲烷,在馏出液中不出现丙烷及更重的组分,按清晰分割计算塔顶、塔釜组成,初步物料衡算如下表:
组分 进料/mol 馏出液/mol 釜液/mol
甲烷 5.0 5.0 -
乙烷(LK) 35.0 35.0-x x
丙烯(HK) 15.0 15.0-y y
丙烷 20.0 - 20.0
异丁烷 10.0 - 10.0
正丁烷 15.0 - 15.0
∑ 100.0 55.0-x-y 45+x+y
根据要求
解上述两式得x=3.11y=14.05
故馏出液及釜液的组成为
组分 馏出液/mol 釜液/mol
DXDi/molXDi/%WXWi/molXWi/%
甲烷 5.0 13.2 - -
乙烷 31.89 84.3 3.11 5.0
丙烯 0.95 2.5 14.05 22.6
丙烷 20.00 32.2
异丁烷 10.00 16.1
正丁烷 15.00 24.1
37.84 100.0 62.16 100.0
利用芬斯克方程式求最少理论板数
利用恩特伍德方程计算最小回流比
求得
根据
所以Rm=1.378
取操作回流比为最小回流比的1.25倍,则R=1.722
则
由吉利兰特图查得
N=14.9
如果使用的再沸器为部分再沸器,塔顶冷凝器为全凝器,则塔内需13.9块理论板,实际板数N’=13.9/0.75=18.5
进料位置
可解得
3.试求总压力为0.0867MPa时,氯仿
(1)-乙醇
(2)的恒沸组成与恒沸温度。
已知
解:
除上述四个关系式外,根据恒沸物的特性和相平衡关系式还有三个等式
现已知p=0.0867MPa,共7个方程,7个未知数,有唯一解。
使用试差法计算
4.在维尼纶生产中有一醋酸甲酯
(1)和甲醇的混合物,含醋酸甲酯x1=0.649(摩尔分数)。
要求塔顶得到0.95(摩尔分数)的醋酸甲酯,且要求其回收率为98%。
现以水为溶剂进行萃取精馏,塔内液相中水的浓度保持xp=0.80(摩尔分数)。
操作回流比为最小回流比的1.5倍。
进料为饱和气相。
试求所需的溶剂量和理论板数。
解:
(1)以100kmol进料为基准进行物料衡算。
由给定条件可得出
因为
故
故
所以
(2)计算平均相对挥发度
查得与本系统有关的范拉尔常数值为
把各二元系看作非对称性不大的系统
利用(2-67)计算
(a)当x’1=0时,(x1=0,x2=0.2,xp=0.8)
P10/P20随温度的变化较小可按组分1、2的恒沸温度54℃来计算。
则相对挥发度
(b)当x’1=1时,(x1=0.2,x2=0,xp=0.8)
所以相对挥发度
故得
(3)根据作y’-x’图可按二元系的平衡关系式
求得不同x’1下的y’1,得图。
(4)用图解法求理论板数
由图(2-29)可得最小回流比Rm
所以回流比R=1.5×0.74=1.1
根据图解法画出操作线可得理论板数为N=6,进料板为从上往下数第三块。
(5)确定溶剂用量P
根据式
按
(2)相同的方法,当x’1=0.95(x1=0.19),
x’2=0.05(x2=0.01),xP=0.80时可求得
故
精馏段的液相量
L=P+RD’=P+1.1×66.95=P+73.65
所以Xp=0.8β=0.0415
由式(2-77)可得溶剂用量为
因本题未提出塔顶产品中溶剂浓度的要求,否则可算出溶剂加入板上升气相量和溶剂浓度yP,然后按二元溶液计算出回收段所需的理论板数。
现可根据经验取1~2块理论板为回收段
5.某厂裂解气组成如下,13.2x%氢、37.18x%甲烷、30.2x%乙烯、9.7x%乙烷、8.4x%丙稀和1.32x%异丁烷。
拟用C4馏分做吸收剂,从裂解气中回收99x%的乙烯。
该吸收塔处理的气体量为100kmol/h,操作压力为4.053MPa,平均操作温度为-14℃。
试计算:
1)最小液气比
2)操作液气比为最小液气比的1.5倍时所需的理论板数
3)各组分的吸收率和塔顶尾气的数量和组成
4)塔顶应加入的吸收剂的量
解:
在4.053MPa和-14℃下各组分的相平衡常数如下:
组分 氢 甲烷 乙烯 乙烷 丙烯 异丁烷
K ∞ 3.1 0.72 0.52 0.15 0.058、
1)最小液气比的计算
在最小液气比下操作时,理论板数为无穷多。
这时关键组分乙烯的吸收因子为
A=φ=0.99
所以
2)理论板数的计算
已知操作液气比为最小液气比的1.5倍。
在操作液气比下,乙烯的吸收因子为
按式(3-14),理论板数为
(3)尾气数量和组成的计算
以甲烷为例
被吸收量为
塔顶尾气
依次计算各组分的尾气量,结果见P162.
(4)塔顶加入的吸收剂量
塔内气体的平均流率为
塔内液体的平均流率为
因为
塔顶加入吸收剂的量为
6.某吸收塔有20块实际塔板,板效率为20%,在0.507MPa下操作,进塔原料气温度32℃,其组成为甲烷28.5x%、乙烷15.8x%、丙烷24.0x%、正丁烷16.9x%、正戊烷14.8x%。
吸收剂可设为nC8,其中含有在循环中未脱完的正丁烷和正戊烷分别为2x%和5x%,流率为原料气的1.104倍,温度为32℃。
试计算产物的流率和组成。
解:
以每小时处理100kmol原料气为基准,则吸收剂用量为110.4kmol/h
假设吸收过程由于溶解热效应而使平均吸收温度为37℃
按(4-27)式求吸收因子进行估算
n-C4为例
故
依此类推得到初步估算结果
在此基础上再算平均吸收因子
采用平均液气比(L/V)均对吸收液和尾气再进行一次计算
对温度进行校核,采用热量衡算的方法进行
计算各物流的焓值,
离塔吸收液的热量=原料气热量+尾气热量-吸收剂热量
离塔吸收液的温度用试差法求取,
求得tN=57℃
利用式(4-41)~(4-44)计算各板的流率和温度,
以上计算为平均吸收因子法的估算
7.某厂裂解气分离车间采用中压油吸收分离工艺,脱甲烷塔进料100kmo1/h,组成及操作条件下各组分的相平衡常数如表所示。
所用的吸收剂中不含所吸收组分,要求乙烯的
回收率达到98%,操作液气比为最小液气比的1.5倍。
试求:
(1)最小液气比;
(2)所需理论板数;(3)甲烷的吸收因子、吸收率;(4)甲烷塔顶尾气的数量。
组分 H2 CH4 C2= C20 C3= C30 i-C40 Σ
组成(x) 15.0 30.0 28.0 5.0 19.0 1.0 2.0 100
m ∞ 3.2 0.65 0.47 0.12 0.100.046 则
则
8.已知某脱甲烷塔的进料组成如下:
塔的操作压力为3.45MPa,塔顶、塔底的平均温度为-50℃(表中的Ki按此条件查得)。
要求塔底乙烯的回收率为93.4%,塔顶甲烷的回收率为98.9%。
试求:
(1)塔顶、塔底产品组成;
(2)确定最少理论板数。
组分 甲烷 乙烯 乙烷 丙稀 Σ
xF,i 29.17 27.10 41.40 2.33 100.00
Ki 1.7 0.34 0.24 0.015
9.现设计一脱乙烷塔,其原料组成和操作条件下的相对挥发度如下表。
馏出液中丙烯浓度为0.025,釜液中乙烷浓度为0.05(以上均为摩尔分率)。
泡点进料,泡点回流。
试按清晰分割法计算塔顶、塔釜组成及最少理论板数。
组分 甲烷 乙烷 丙烯 丙烷 异丁烷 正丁烷 Σ
xF,i0.05 0.35 0.15 0.20 0.10 0.15 1.00
α 7.356 2.091 1.000 0.901 0.507 0.408
10.某分离乙烷和丙烯的连续精馏塔,其进料组成如下表所示。
要求馏出液中丙烯浓度不大于2.5%,釜液中乙烷浓度不大于5%。
并假定釜液中不出现甲烷,馏出液中不出现丙烷及更重的组分。
试求:
(1)馏出液和釜液的流量及组成;
(2)按清晰分割法求最少理论板数。
组分 甲烷 乙烷 丙烯 丙烷 异丁烷 正丁烷 Σ
流量/(kmol·h1) 5 35 15 20 10 15 100
α 10.95 2.59 1.00 0.884 0.422 0.296
11.具有三块理论板的吸收塔,用来处理某气体混合物(已知数据见表),贫油及气体温度为32℃,塔在2.06MPa下操作,富气流率为100kmol/h,贫油流率为20kmol/h,请用平均吸收因子法求吸收后塔顶气体V1中各组分的流率和组成。
组分 CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 n-C8H18 ∑
vN+1,i 70 15 10 5 0 100
l0i 0 0 0 0 20 20
mi 12.9912.181 0.636 0.186 0.0014
12.某吸收塔用稳定汽油吸收催化裂化富气中的轻烃。
已知进塔气体组成如下表。
进塔气体量为400kmol/h,富气中丙烯的吸收率要求达到90%。
试求:
(1)最小液气比
(2)操作液气比为最小液气比的1.8倍,完成此任务所需的理论板数;(3)乙烯的吸收因子和吸收率;(4)乙烯塔顶尾气的组成及数量。
组分 氢气 甲烷 乙烯 乙烷 丙烯 丙烷 异丁烷 正丁烷
组成/%35 8 5 10 15 8 12 7
m ∞ 19.4 6.28 4.32 1.78 1.58 0.74 0.54
一烃类溶液,其组成(摩尔分数)为
求该溶液在p=3.55MPa下的泡点温度和平衡气相组成
13.一烃类气相混合物,其组成(摩尔分数)为
求该混合物在压力p=3.24MPa下露点温度T和平衡液相组成xi
14.已知某混合物中含乙烷0.10,丙烷0.25,正丁烷0.65(以上均为摩尔分率)。
操作压力下各组分的平衡常数可按下式进行计算,试求其露点温度。
乙烷:
K=0.13333t+5.46667;
丙烷:
K=0.06667t+1.13333;
正丁烷:
K=0.02857t+0.08571(t的单位为℃)
15.有烃类混合物,正丁烷20%(摩尔分数),正戊烷50%,正己烷30%,在压力为1.01MPa,温度132℃条件下进行平衡汽化。
试求其汽化率和平衡的气、液相组成。
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