题目
苯-甲苯精馏塔在常压下操作,已知进入精馏段某一块板的气相和液相中含苯分别为80%及85%(摩尔分率),气相与液相摩尔流率之比为4:3。若此板为理论板,恒摩尔流假定成立,在操作条件下二组分的平均相对挥发度为2.5,试计算离开该板的气相、液相组成。
苯-甲苯精馏塔在常压下操作,已知进入精馏段某一块板的气相和液相中含苯分别为80%及85%(摩尔分率),气相与液相摩尔流率之比为4:3。若此板为理论板,恒摩尔流假定成立,在操作条件下二组分的平均相对挥发度为2.5,试计算离开该板的气相、液相组成。
题目解答
答案
根据题意,建立物料平衡方程 $ 4 y_2 + 3 x_2 = 5.75 $,并结合相平衡关系 $ y_2 = \frac{2.5 x_2}{1 + 1.5 x_2} $。将 $ y_2 $ 代入得:
\[
4.5 x_2^2 + 4.375 x_2 - 5.75 = 0
\]
解得 $ x_2 \approx 0.744 $,$ y_2 \approx 0.879 $。
最终结果:
- 气相组成 $ y_2 \approx 87.9\% $。
- 液相组成 $ x_2 \approx 74.4\% $。
解析
考查要点:本题主要考查精馏过程中理论板的物料平衡与相平衡关系的应用,以及二次方程的求解能力。
解题核心思路:
- 理论板定义:离开理论板的气液相必须达到相平衡,即满足相平衡方程。
- 物料平衡:进入板的总物料等于离开板的总物料,结合恒摩尔流假定建立方程。
- 联立方程求解:将相平衡关系代入物料平衡方程,解二次方程得到液相组成,再求出气相组成。
破题关键点:
- 正确建立物料平衡方程:注意气液相流率比为4:3,需转化为系数代入。
- 相平衡方程的正确形式:利用相对挥发度α=2.5,写出气液相组成关系。
- 二次方程的求解技巧:通过代数运算化简方程,注意舍去负根。
步骤1:建立物料平衡方程
根据恒摩尔流假定,气液相流率比为4:3,设气相流率为4单位,液相流率为3单位。物料平衡方程为:
$4y_2 + 3x_2 = 4 \cdot 0.8 + 3 \cdot 0.85 = 5.75$
步骤2:建立相平衡方程
根据相平衡关系,气相组成与液相组成满足:
$y_2 = \frac{2.5x_2}{1 + 1.5x_2}$
步骤3:联立方程求解
将相平衡方程代入物料平衡方程:
$4 \cdot \frac{2.5x_2}{1 + 1.5x_2} + 3x_2 = 5.75$
两边同乘$(1 + 1.5x_2)$并整理得:
$4.5x_2^2 + 4.375x_2 - 5.75 = 0$
利用求根公式解得:
$x_2 \approx 0.744, \quad y_2 \approx 0.879$