项目四 课题四 精馏塔的操作-章节过关卷-《化工单元操作》（化工版第三版）（原卷版+解析版）

《化工单元操作》（化工版第三版） 项目四 精馏 课题四 精馏塔的操作 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1. 精馏塔操作时，保持塔顶产品质量不变，增加回流比，则塔顶产品的产量 ___ ___ 。 2. 精馏塔的操作压力升高，相对挥发度 __________________ 。 3. 精馏塔操作中，当进料组成发生变化时，应适当 __________________ 回流比。 4. 灵敏板是指在精馏操作中，塔内温度变化 __________________ 的塔板。 5. 全回流操作时，精馏塔的理论板数 __________________ 。 6. 精馏塔的进料热状况参数 q < 1 时，进料为 __________________ 进料。 7. 为保证精馏塔的稳定操作，塔顶冷凝器的冷却水量应随 __________________ 而相应调节。 8. 当精馏塔的塔顶产品采出量过大时，会导致塔内的 __________________ 。 9. 精馏塔的操作中，若塔釜加热蒸汽量过大，会造成 __________________ 。 10. 实际操作中，精馏塔的回流比一般为最小回流比的 __________________ 倍。 二、选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1. 中等职业学校化学工艺专业的精馏实训装置在操作时，采用的是乙醇和水进行混合，请问：混合后乙醇的浓度在（ ）之间较为合适。 A. 13%-14% B. 13%-15% C. 14%-15% D. 14%-16% 2. 精馏实训装置在进料时，宜采用（ ） A. 进料泵 B. 快速进料泵 C. 进料泵和快速进料泵串联 D. 进料泵和快速进料泵并联 3. 精馏实训装置的预热器去往精馏塔时，精馏塔的进料口有上下两个，则实际运行中宜采用（ ） A.上进料口 B.下进料口 C.上下进料口 D.以上都正确 4. 精馏实训装置中的精馏塔操作时，需要对塔顶的蒸汽进行冷凝，使冷凝液回到冷凝液槽中，则冷凝的介质是（ ） A. 自来水 B. 冷冻盐水 C. 冰块 D. 空气 5. 精馏实训装置中的精馏塔操作时，预热器和再沸器都是给液体加热，实际操作时两者都要打开，这样做的目的是（ ） A. 减少加热时间 B. 延长加热时间 C. 提高产品质量 D. 降低产品质量 6. 精馏塔实训操作中，回流的目的主要是（ ） A. 提高产品的纯度 B. 补充塔板上的液相 C. 提高产品的纯度和补充塔板上的液相 D. 以上都不正确 7. 当精馏操作完成后，精馏塔塔体的温度在（ ）时，方可关闭冷却水，让精馏塔自行降温。 A. 50℃以下 B. 60℃以下 C. 70℃以下 D. 80℃以下 8. 对于精馏塔的操作，下列说法错误的是（ ） A. 塔顶冷凝器故障会影响塔顶产品质量 B. 塔釜再沸器故障会影响塔釜产品质量 C. 进料温度变化对塔的操作没有影响 D. 回流比的大小对产品质量有影响 9. 精馏塔操作中，若进料量突然增大，且进料组成不变，为维持塔顶和塔釜产品质量，应（ ） A. 增大回流比 B. 减小回流比 C. 增加塔釜加热蒸汽量 D. 减少塔釜加热蒸汽量 10. 若要提高精馏塔的生产能力，同时保持产品质量不变，可采取的措施是（ ） A. 增加塔板数 B. 增大回流比 C. 提高操作压力 D. 增大塔径 三、简答题（本答题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为7、13、10、10分，共计40分） 1.（本小题7分）画出典型精馏装置的流程框图，并简述每台设备的名称和作用，及整体的工艺流程。 2.（本小题13分）精馏实训开车操作和停车操作步骤分别有哪些？注意事项有哪些？ 3.（本小题10分） 说明如何根据塔顶和塔釜温度的变化判断精馏塔的操作是否正常。 4.（本小题10分）精馏实训操作时，若塔釜高温报警，则产生原因有哪些？又该如何处理？ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 《化工单元操作》（化工版第三版） 项目四 精馏 课题四 精馏塔的操作 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（共10小题，每小题3分，共30分） 1. 精馏塔操作时，保持塔顶产品质量不变，增加回流比，则塔顶产品的产量 __________________ 。 【答案】减少。 【解析】在精馏塔操作中，保持塔顶产品质量不变，增加回流比意味着将更多的塔顶产品作为回流液返回塔内，而不是作为最终的产品采出。根据物料平衡原理，总物料量是一定的，回流比增大，用于产品采出的量就会相应减少。 2. 精馏塔的操作压力升高，相对挥发度 __________________ 。 【答案】减小 【解析】考察的是挥发度的影响因素。 3. 精馏塔操作中，当进料组成发生变化时，应适当 __________________ 回流比。 【答案】调整 【解析】进料发生变化，其回流比也要发生变化。 4. 灵敏板是指在精馏操作中，塔内温度变化 __________________ 的塔板。 【答案】最灵敏 【解析】灵敏板是指在精馏操作中，塔内温度变化最灵敏的塔板。 5. 全回流操作时，精馏塔的理论板数 __________________ 。 【答案】最少 【解析】全回流操作时，精馏塔的理论板数最少。全回流是指塔顶上升的蒸气经冷凝后全部回流至塔内，没有塔顶产品采出。此时，操作线方程趋近于对角线，操作线与平衡线的距离最远，所需的理论板数最少。 6. 精馏塔的进料热状况参数 q < 1 时，进料为 __________________ 进料。 【答案】气液混合物 【解析】精馏塔的进料热状况参数q < 1时，进料为气液混合物进料。 7. 为保证精馏塔的稳定操作，塔顶冷凝器的冷却水量应随 __________________ 而相应调节。 【答案】塔顶蒸汽量 【解析】为保证精馏塔的稳定操作，塔顶冷凝器的冷却水量应随塔顶蒸汽量而相应调节。 8. 当精馏塔的塔顶产品采出量过大时，会导致塔内的 __________________ 。 【答案】气液平衡被破坏，产品质量下降 【解析】当精馏塔的塔顶产品采出量过大时，会导致塔内的气液平衡被破坏，产品质量下降。 9. 精馏塔的操作中，若塔釜加热蒸汽量过大，会造成 __________________ 。 【答案】液泛 【解析】若塔釜加热蒸汽量过大，会造成液泛。 10. 实际操作中，精馏塔的回流比一般为最小回流比的 __________________ 倍。 【答案】1.1-1.5 【解析】R opt = (1.1-1.5) R min 二、选择题（共10小题，每小题3分，共30分） 1. 中等职业学校化学工艺专业的精馏实训装置在操作时，采用的是乙醇和水进行混合，请问：混合后乙醇的浓度在（ ）之间较为合适。 A. 13%-14% B. 13%-15% C. 14%-15% D. 14%-16% 【答案】B 【解析】在中等职业学校化学工艺专业的精馏实训中，采用乙醇和水混合进行精馏操作，将乙醇的浓度控制在 13%-15% 之间是较为合适的。 2. 精馏实训装置在进料时，宜采用（ ） A. 进料泵 B. 快速进料泵 C. 进料泵和快速进料泵串联 D. 进料泵和快速进料泵并联 【答案】B 【解析】快速进料泵可能会导致进料速度过快，引起塔内气液平衡的突然变化，导致液泛、漏液等不正常操作现象，不利于学生观察和掌握正常的精馏操作过程。 3. 精馏实训装置的预热器去往精馏塔时，精馏塔的进料口有上下两个，则实际运行中宜采用（ ） A.上进料口 B.下进料口 C.上下进料口 D.以上都正确 【答案】A 【解析】在实际运行中，对于精馏实训装置，从预热器去往精馏塔时，宜采用上进料口。 4. 精馏实训装置中的精馏塔操作时，需要对塔顶的蒸汽进行冷凝，使冷凝液回到冷凝液槽中，则冷凝的介质是（ ） A. 自来水 B. 冷冻盐水 C. 冰块 D. 空气 【答案】A 【解析】在精馏实训装置操作中，对塔顶蒸汽进行冷凝时，冷凝的介质通常是普通自来水。 5. 精馏实训装置中的精馏塔操作时，预热器和再沸器都是给液体加热，实际操作时两者都要打开，这样做的目的是（ ） A. 减少加热时间 B. 延长加热时间 C. 提高产品质量 D. 降低产品质量 【答案】A 【解析】目的是为了减小加热时间。 6. 精馏塔实训操作中，回流的目的主要是（ ） A. 提高产品的纯度 B. 补充塔板上的液相 C. 提高产品的纯度和补充塔板上的液相 D. 以上都不正确 【答案】C 【解析】回流是将部分塔顶冷凝液返回塔顶的操作。通过将塔顶冷凝液作为回流液返回塔顶，可以增加塔内的液体流量，使上升的蒸气与更多的液体进行气液传质。在精馏过程中，气相中的易挥发组分向液相中转移，液相中的难挥发组分向气相中转移，经过多次这样的气液传质过程，易挥发组分在塔顶富集，难挥发组分在塔底富集，从而提高了塔顶产品的纯度。 7. 当精馏操作完成后，精馏塔塔体的温度在（ ）时，方可关闭冷却水，让精馏塔自行降温。 A. 50℃以下 B. 60℃以下 C. 70℃以下 D. 80℃以下 【答案】A 【解析】当精馏操作完成后，塔体仍然处于高温状态，此时塔内可能还有一些残余的热量和压力。如果过早关闭冷却水，可能会导致塔内局部过热，引发一些安全隐患，如塔内残余物料的分解、设备的变形等。同时，高温下塔内的气液平衡尚未完全稳定，可能会对设备造成损害。选择在 50℃以下关闭冷却水，是因为这个温度相对较低，此时塔内的气液状态已经基本稳定，残余的热量和压力较小，设备和物料处于相对安全的状态，可以避免因温度过高而产生的不良影响。 8. 对于精馏塔的操作，下列说法错误的是（ ） A. 塔顶冷凝器故障会影响塔顶产品质量 B. 塔釜再沸器故障会影响塔釜产品质量 C. 进料温度变化对塔的操作没有影响 D. 回流比的大小对产品质量有影响 【答案】C 【解析】进料温度的变化会影响精馏塔内的气液平衡。如果进料温度升高，进入塔内的原料部分已经汽化，会改变塔内的气液负荷和组成分布，影响精馏过程。 9. 精馏塔操作中，若进料量突然增大，且进料组成不变，为维持塔顶和塔釜产品质量，应（ ） A. 增大回流比 B. 减小回流比 C. 增加塔釜加热蒸汽量 D. 减少塔釜加热蒸汽量 【答案】A 【解析】当进料量突然增大且进料组成不变时，塔内的气液负荷增大。为了维持塔顶和塔釜产品质量，需要增加回流比。因为进料量增大，会使塔内的气液平衡被打破，更多的原料进入塔内，若不增加回流比，会导致分离效果变差。增加回流比可以使更多的塔顶产品返回塔内，加强气液传质，提高分离效果，保证塔顶产品的质量。 10. 若要提高精馏塔的生产能力，同时保持产品质量不变，可采取的措施是（ ） A. 增加塔板数 B. 增大回流比 C. 提高操作压力 D. 增大塔径 【答案】D 【解析】增大塔径可以增加塔的横截面积，从而允许更多的气液同时通过。这样可以在保持原来的气液流速和操作条件下，增加气液的流量，提高生产能力。 三、简答题（本大题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为7、13、10、10分，共计40分） 1.（本小题7分）画出典型精馏装置的流程框图，并简述每台设备的名称和作用，及整体的工艺流程。 【答案】 设备名称 设备作用 精馏塔 为气液两相提供充分的接触场所。在塔内，通过多层塔板（板式塔）或填料（填料塔），使上升的蒸气和下降的液体进行多次传质和传热过程。易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集，从而实现混合物的分离。例如，在乙醇 - 水混合物的精馏过程中，乙醇在塔顶气相中得到富集，水在塔底液相中得到富集。 冷凝器 通过冷却介质（如冷却水）将从精馏塔塔顶出来的高温蒸气冷却液化。一部分液化后的液体作为回流液返回精馏塔顶部，以维持塔内的液气比和物料平衡，保证精馏过程的稳定进行；另一部分作为塔顶产品采出，达到分离和收集易挥发组分的目的。 再沸器 通过加热介质（如蒸汽或高温热流体）对塔底液体进行加热，使其中一部分液体汽化，产生的蒸汽返回精馏塔底部，作为上升的气相。这股上升的气相与从塔顶下降的液体在塔内进行传质和传热，是维持精馏塔内气液两相流动和传质过程的关键设备。 典型精馏装置的的工艺流程 原料首先存储在原料罐中，进料泵将原料从原料罐中抽出，输送至预热器进行预热。预热后的原料进入精馏塔中部（对于常规的精馏流程）。在精馏塔内，气液两相在塔板或填料上进行充分的接触和传质。塔底的液体在再沸器的加热下部分汽化，产生的蒸汽返回塔底作为上升气流。塔顶的蒸气进入冷凝器被冷却液化，液化后的液体进入回流罐。一部分液体在回流泵的作用下以一定的回流比返回精馏塔顶部，另一部分液体作为塔顶产品采出并存储在产品罐中。通过这个连续的过程，实现了混合物的分离和产品的收集。 2.（本小题13分）精馏实训开车操作和停车操作步骤分别有哪些？注意事项有哪些？ 【答案】 精馏实训开车操作步骤 开车前检查 设备检查 检查精馏塔、再沸器、冷凝器、泵（进料泵、回流泵）等设备是否安装正确，各连接部位是否紧固，无泄漏现象。 仪表检查 检查温度传感器、压力传感器、液位计、流量计等仪表是否安装正确，并且能够正常工作。通过校准仪表，确保测量数据的准确性。 阀门检查 检查系统中的所有阀门，包括进料阀、出料阀、回流阀、放空阀、排液阀等，确保阀门处于正确的开闭状态。通常在开车前，进料阀、出料阀和放空阀处于关闭状态，回流阀可以根据需要适当开启或关闭。 系统进料 原料准备 确认原料的组成、温度、流量等参数符合要求。如果原料需要预热，可以先将原料在预热器中加热到合适的温度。进料操作 缓慢开启进料阀，启动进料泵，将原料以较低的流量引入精馏塔。在进料过程中，密切关注进料流量计的读数，确保进料流量稳定。同时，注意观察塔内的液位变化，防止液位过高或过低。 系统升温 再沸器启动 开启再沸器的加热介质（如蒸汽或热水）进口阀门，缓慢增加加热量。同时，开启再沸器的排气阀，排出其中的不凝性气体，防止影响传热效果。 温度控制 密切关注精馏塔底部的温度变化，通过调节再沸器的加热量，使塔底温度逐渐升高到操作温度。一般来说，温度升高的速度不宜过快，以免引起塔内压力波动或其他不正常现象。 建立回流 冷凝器启动 开启冷凝器的冷却介质（如冷却水）进口阀门，确保冷却介质流量稳定，使塔顶蒸气能够有效地被冷凝。 回流操作 当塔顶有蒸气产生并开始冷凝后，缓慢开启回流阀，启动回流泵。将部分冷凝液作为回流液返回精馏塔顶部，建立回流。根据工艺要求，调节回流比。 系统稳定 参数调整 随着回流的建立和塔内温度、压力的稳定，逐渐调整进料流量、再沸器加热量和回流比等参数，使系统达到稳定的操作状态。在这个过程中，需要不断观察和记录各种仪表的数据，如温度、压力、流量、液位等。 产品采出 当系统稳定后，根据需要开启塔顶和塔底的产品采出阀门，开始采出产品。采出过程中，要注意产品的流量和质量控制，确保产品符合要求。 精馏实训开车注意事项 缓慢操作 在进料、升温、建立回流等过程中，操作要缓慢进行。避免因流量、温度等参数变化过快而引起系统的不稳定，如液泛、漏液等不正常现象。 防止超压和真空 注意系统的压力变化，避免出现超压或真空现象。在开车过程中，要确保放空阀等压力调节阀门处于正确的状态。 仪表监测 密切关注各种仪表的读数，及时发现和处理异常情况。如果仪表显示的数据出现异常波动，要立即停止操作，检查原因。 安全防护 操作人员要穿戴好必要的安全防护用品，如防护眼镜、手套等。在使用加热介质（如蒸汽）和冷却介质（如冷却水）时，要防止烫伤和冻伤。同时，要注意防止原料和产品的泄漏，避免发生火灾、中毒等安全事故。 精馏实训停车步骤 停止进料 进料切断 首先关闭进料泵，然后关闭进料阀。停止向精馏塔内输送原料，确保进料管道内的原料不再进入塔内。 塔内处理 让塔内的物料继续进行精馏操作，直到塔内液位下降到合适的位置。这可以通过观察液位计来判断。同时，逐渐减少再沸器的加热量，使塔内的气液流量逐渐减小。 停止加热 再沸器停止 关闭再沸器的加热介质进口阀门，停止向再沸器提供热量。 温度降低 随着再沸器加热的停止，塔底温度会逐渐降低。观察塔底温度的变化，确保温度下降平稳。同时，注意塔内压力的变化，防止因温度下降过快而引起负压。 停止回流 回流停止 关闭回流泵，然后关闭回流阀。停止将冷凝液作为回流液返回精馏塔顶部。 冷凝器处理 继续让冷却介质在冷凝器中流动一段时间，将塔内剩余的蒸气全部冷凝。然后关闭冷凝器的冷却介质进口阀门，停止冷却。 产品采出和系统排空 产品采出 打开塔顶和塔底的产品采出阀门，将塔内剩余产品全部采出。可以使用容器收集产品，以备后续处理或分析。 系统排空 打开系统中的放空阀和排液阀，将塔内、管道内的剩余液体和气体排空。在排空过程中，要注意防止液体飞溅和气体泄漏。 精馏实训停车注意事项 防止倒吸和堵塞 在停止加热和冷却后，要注意防止液体倒吸。 设备维护 停车后，要对设备进行检查和维护。 物料处理 对于采出的产品和排出的物料，要按照规定进行处理。如果是危险化学品，要采取相应的安全措施进行储存或处置，避免对环境和人员造成危害。 3.（本小题10分） 说明如何根据塔顶和塔釜温度的变化判断精馏塔的操作是否正常。 【答案】 （1） 正常操作时的温度特点： 塔顶温度稳定在较低值：在正常的精馏操作中，塔顶温度应该稳定在一个相对较低的值。这是因为塔顶主要是易挥发组分的富集区域。例如，在乙醇 - 水体系的精馏过程中，如果操作正常，塔顶温度会接近乙醇的沸点（在常压下约78.4℃）。这是因为乙醇比水更易挥发，经过多次气液传质后，在塔顶气相中乙醇含量很高，所以温度接近乙醇沸点。 塔釜温度稳定在较高值：塔釜温度应该稳定在一个相对较高的值。因为塔釜主要是难挥发组分的富集区域。在上述乙醇 - 水体系中，塔釜温度会接近水的沸点（在常压下约100℃），这是由于水在塔釜液相中含量高，且随着再沸器的加热，塔釜温度保持在水沸点附近，以提供足够的上升蒸汽。 温度差稳定：塔顶和塔釜温度之间存在一个稳定的差值。这个差值与混合物的组成以及操作压力等因素有关。对于给定的精馏体系和操作条件，正常操作时这个温度差应该基本保持不变。例如，在稳定的乙醇 - 水精馏过程中，塔釜温度和塔顶温度差可能保持在20 - 30℃左右。 （2）温度异常变化及对应的不正常操作情况： 塔顶温度升高，塔釜温度不变或略有下降： 可能原因：这种情况可能是由于塔顶冷凝器冷却效果变差导致的。例如，冷却介质（如冷却水）流量不足、冷却介质温度过高或者冷凝器结垢等原因，使得塔顶蒸气不能被充分冷凝，部分易挥发组分没有被冷凝回流，导致塔顶温度升高。 影响：会导致塔顶产品中难挥发组分含量增加，产品纯度下降。同时，由于塔顶温度升高，可能会引起系统压力升高，影响整个精馏塔的操作稳定性。 塔顶温度下降，塔釜温度不变或略有上升 可能原因：可能是进料组成发生变化，进入精馏塔的原料中易挥发组分含量减少。或者是回流比过大，过多的回流液回到塔顶，使得塔顶温度下降。 影响：塔顶产品纯度可能会提高，但由于回流比过大，会增加能耗，并且可能导致塔的生产能力下降。 塔顶温度和塔釜温度同时升高 可能原因：通常是由于再沸器加热量过大引起的。例如，再沸器的加热蒸汽压力或流量失控，导致塔釜液体汽化量过多，上升蒸汽量增加，使得塔内气液负荷增大，塔顶和塔釜温度同时升高。 影响：可能会引发液泛现象。因为气液负荷过大，液体在塔板上的停留时间缩短，气液接触不充分，塔板效率下降，同时塔顶产品质量也会受到影响，可能会夹带过多的难挥发组分。 塔顶温度和塔釜温度同时下降 可能原因：可能是进料流量突然减少或者进料温度过低。当进料流量减少时，塔内的气液流量减小，再沸器的热负荷相对过剩程度降低，导致塔釜温度下降；同时由于进料中提供的易挥发组分减少，塔顶温度也会下降。 影响：会导致塔的生产能力下降，并且如果温度下降过多，可能会出现漏液现象，因为气速过低，液体从塔板开孔处泄漏到下一层塔板，影响塔板效率和分离效果。 4.（本小题10分）精馏实训操作时，若塔釜高温报警，则产生原因有哪些？又该如何处理？ 【答案】 产生原因 原因类型 处理措施 再沸器方面 加热量过大 原因分析：再沸器的加热蒸汽（或其他加热介质）流量调节阀出现故障，导致蒸汽流量失控，过多的热量传入塔釜液体，使其温度快速上升。 加热量过大处理 操作步骤：立即关闭再沸器的加热介质进口阀门，停止加热。检查加热蒸汽（或其他加热介质）流量调节阀，查看是否有异物卡住或阀门故障。如果是阀门故障，在确保安全的情况下，尝试维修或更换阀门。 再沸器结垢 原因分析：如果再沸器长期使用，其内部管壁（对于管壳式再沸器）或加热表面可能会结垢。结垢会降低传热效率，为了维持正常的汽化量，可能会不自觉地增加加热量，最终导致塔釜温度过高。 再沸器结垢处理 操作步骤：停止精馏操作，待系统冷却后，对再沸器进行清洗。对于水垢等无机垢，可以使用酸性清洗剂（如稀盐酸）进行清洗；对于有机垢，可以使用合适的有机溶剂进行清洗。清洗后，重新启动精馏装置，调整操作参数。 精馏塔方面 塔内压力变化 原因分析：塔顶冷凝器冷却效果不佳，导致塔顶压力升高。根据理想气体状态方程，在体积和物质的量不变的情况下，压力升高会使温度升高。塔内压力升高会传导至塔釜，使得塔釜温度升高。 塔内压力变化处理 操作步骤：首先检查塔顶冷凝器的冷却水流量和温度。如果冷却水流量不足，加大冷却水流量；如果冷却水管路堵塞，清理堵塞物。同时，可以适当打开塔顶的放空阀，缓慢降低塔内压力。 塔釜液位过低 原因分析：进料流量突然减少或者塔底出料流量过大，导致塔釜液位下降。由于再沸器的加热面积相对固定，当液位过低时，单位体积的液体吸收的热量过多，从而使塔釜温度升高。 塔釜液位过低处理 操作步骤：调整进料流量和塔底出料流量，使塔釜液位恢复正常。如果是进料泵故障导致进料流量减少，要及时维修进料泵；如果是塔底出料阀门开度太大，要适当减小阀门开度。 仪表方面 温度传感器故障 原因分析：温度传感器可能出现故障，如探头损坏、线路接触不良等，导致显示的温度比实际温度高，从而触发高温报警。 温度传感器故障处理 操作步骤：使用备用的温度传感器对塔釜温度进行测量，以确认是否是传感器故障。如果是传感器故障，更换新的温度传感器，并对其进行校准。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$