精馏化工原理实验报告.docx
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精馏化工原理实验报告
精馏化工原理实验告
实验目的
1、熟悉填料塔的构造与操作；
2、熟悉精馏的工艺流程，掌握精馏实验的操作方法；
3、了解板式精馏塔的结构，观察塔板上汽液接触状况；
4、掌握液相体积总传质系数
的测定方法并分析影响因素
5、测定全回流时的全塔效率及单板效率；
6、测量部分回流时的全塔效率和单板效率
一、实验原理
在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，气液两相在塔板上接触，实现传质、传热过程而达到分离的目的。
如果在每层塔板上，上升的蒸汽与下降的液体处于平衡状态，则该塔板称之为理论塔板。
然而在实际操做过程中由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板的分离效果达不到一块理论塔板的作用。
因此，完成一定的分离任务，精馏塔所需的实际塔板数总是比理论塔板数多。
回流是精馏操作得以实现的基础。
塔顶的回流量与采出量之比，称为回流比。
回流比是精馏操作的重要参数之一，其大小影响着精馏操作的分离效果和能耗。
回流比存在两种极限情况：
最小回流比和全回流。
若塔在最小回
——与第n块板气相浓度相平衡的液相浓度。
总板效率与单板效率的数值通常由实验测定。
单板效率是评价塔板性能优劣的重要数据。
物系性质、板型及操作负荷是影响单板效率的重要参数。
当物系与板型确定后，可通过改变气液负荷达到最高的板效率；对于不同的板型，可以在保持相同的物系及操作条件下，测定其单板效率，以评价其性能的优劣。
总板效率反映全塔各塔板的平均分离效果，常用于板式塔设计中。
实验所选用的体系是乙醇—正丙醇，这两种物质的折射率存在差异，且其混合物的质量分数与折射率有良好的线性关系，通过使用阿贝折光仪来分析料液的折射率，从而得到浓度。
若改变塔釜再沸器中电加热器的电压，塔内上升蒸汽量将会改变，同时，塔釜再沸器电热器表面得温度将发生改变，其沸腾给热系数也将发生变化，从而可以得到沸腾给热系数与加热量的关系。
由牛顿冷却定律，可知
式中
——加热量，kW；
——沸腾给热系数，kW/（m2·K）
——传热面积，m2
——加热器表面与温度主体温度之差，℃。
若加热器的壁面温度为ts，塔釜内液体的主体温度为tw，则上式可改写为
本实验的流程如图所示，主要由精馏塔、回流分配装置及测控系统组成。
1、配料罐2、配料罐放空阀3、循环泵4、进料罐5、进料罐放空阀
6、进料泵7、进料旁路阀8、进料流量计9、快速进料阀10、进料口位置阀
11、玻璃塔节12、塔釜加热器13、塔釜液位计14、塔釜出料阀15、塔釜冷却器
16、出料泵17、快速出料阀18、π型液位控制管19、回流比分配器20、塔顶冷凝器
此回流分配器既可通过控制器实现手动控制，也可通过计算机实现自动控制。
（3）测控系统
在本试验中，利用人工智能仪表分别测定塔顶温度、塔釜温度、塔身伴热温度、塔釜加热温度、全塔压降、加热电压、进料温度及回流比等参数，该系统的引入，不仅使实验更为简便、快捷，又可实现计算机在线数据采集与控制。
（4）物料浓度分析
本实验所选用的体系为乙醇-正丙醇，由于这两种物质的折色率存在差异，且其混合物的质量分数与折色率有良好的线性关系，故可通过阿贝折光仪分析液料的折色率，从而得到浓度。
这种测定方法的特点是方便快捷、操作简单，但精度稍低；若要实现高精度的测量，可利用气相色谱进行浓度分析。
二、实验操作
1、配制原料。
将乙醇、正丙醇按体积比1:
3放入1罐中，开3泵混匀，送入4罐。
2、塔釜进来斗。
开6泵和5、9、10阀门，进料占液位计高度4/5左右，关闭6泵和上述阀门。
3、全回流操作
1）开塔顶放空阀门21，塔釜抽取样品，用阿贝折光仪测原始组成nd；
2）按塔釜加热“手动控制”绿色按钮，调加热电压120V，开冷却水min;
3）使用新针筒取样纯乙醇、正丙醇，测40°C时折光率，确定方程参数a、b;
4）发现回流比分配器中有液体回流后，调整到最佳电压（70~110V），稳定10分钟；
5）反复推、拉取样器，抽取热样品，注意全针筒替换，正确使用折光仪测折光率；
4、部分回流操作（全回流稳定10分钟后进行）
1）设定回流比为2、3或4并运行，根据泡沫高度等调节至合适的加热电压；
2）开塔釜出料阀14，设定塔釜液位控制高度（修改SV值=刻度线时的PV值）；
3）开进来斗阀10，再开进料泵6，结合旁路阀7调整进料量约40ml/min;
4）开进料罐底部阀门，用瓶盖取样测量进料组成nd；
5）检查阀门5打开，稳定15分钟，顶、釜及塔板取样分析同上；
5、实验结束先关进料泵6，再关进来斗阀10、釜出来斗阀14，然后停塔釜加热、回流比仪表。
10分钟后关阀门21，停冷却水，关闭阀门2和5等。
注意事项：
1）塔釜加热启动后，冷却水一定要接通，约min;
2）取样后针头不拔出，只拿走针筒，同时放上一个全针筒；
3）使用同一台折光仪，样品稳定10s再读数，镜头纸用完要展开，干后继续用；
4）取样后多余物料打入配料罐1内，检查阀门2打开；
5）部分回流操作时检查关闭快速进料阀门9;
6）塔釜液位不要低于液位计高度1/3，以免烧坏加热器；
7）实验过程等待系统稳定时，可观察冷模板式塔的各种现象。
三、数据处理
1.W乙醇＝a＋b×nd中参数a、b的确定
表1、40℃下W乙醇与nd关系表
质量分数W乙醇
折光率nd
1
0
求解方程式，可得。
2.全回流实验
1）精馏塔中各板上的流液的折光率和易挥发组分的含量
表2、全回流实验原始数据
加热电压（V）
原料组成nd
折光率（系统稳定后）
塔顶温度（℃）
塔釜温度（℃）
全塔压降（kPa）
nd,顶
nd,4
nd,5
nd,釜
100
塔顶平均温度
塔釜平均温度
全塔压降
以第四块板数据为例进行计算：
平均折光率
乙醇质量分数
乙醇摩尔分数
则可得下表
表3、各板上液体的折光率和摩尔分率
塔板
平均折光率nd
W乙醇
X乙醇
塔顶
第4板
第5板
塔釜
2）乙醇—正丙醇平衡关系
表4、乙醇—正丙醇平衡数据表（P=）
序号
液相组成x
气相组成y
1∕x
1∕y
1
40
2
20
3
4
10
5
8
6
7
8
5
9
10
4
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
1
1
1
1
由上表数据可得下图
3）图解法求理论板数
根据表3和表4的数据可得下图
4）全塔效率和单板效率计算
由图解法可知，理论塔板数为5块板（包括塔釜），故理论板数N==
因此全塔效率为
由相平衡关系可得
，故
根据表4的数据做1/y与1/x关系图如下
由图可知斜率，因此
=
全回流操作线方程为
第5块板的单板效率
故，总板效率
单板效率
由以上可得下表
表6、全回流操作实验结果
塔顶组成xd
塔釜组成xw
单板效率
全塔效率
24%
%
四、操作流程
时间
塔顶温度℃
塔釜温度℃
全塔压降kPa
事件
14:
40
开始操作
14:
45
14:
46出现蒸汽
14:
50
14:
53开始回流
14:
55
15:
00
开始测量
五、误差分析
1、全回流操作时单板效率偏低，可能是以下原因造成的：
1）塔板面积有限；
2）气液在塔板上的接触时间不够充分，使得气液两相在达到平衡前就相互分离；
3）气速偏高，液沫夹带量大，或液量偏大，气泡夹带量大，都对传质不利；
2、全塔效率偏低，可能是以下原因造成的：
全塔效率是板式塔分离性能的综合量度，不单与板效率、点效率有关而且与板效率随组成的变化有关。
3、人为操作所造成的误差，读取数据时的随意性导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差。
4、由于分光仪内光路进入液体，导致系统误差加大，最终导致读数误差加大，使实验结果偏离理论值严重。
六、思考题
1.全回流操作有哪些特点，在生产中有什么实际意义？
1）塔顶产品为零，通常进料和塔底产品也为零，即既不进料也不从塔内取出产品。
2）在精馏塔开车操作时，塔顶、塔釜物料浓度均未达到工艺规定要求，不能采出送往下道工序。
3）通过全回流操作，可尽快在塔内建立起浓度分布，使塔顶、塔釜物料浓度在最短时间达到质量要求。
4）解除全回流，补加物料，调整加热蒸汽量，便于顺利向正常生产过渡。
2.如何确定精馏塔的操作回流比？
当回流比
时精馏塔的运行情况如何？
精馏塔还可以操作，但不能达到分离要求。
操作回流比的确定方法：
可通过调节回流时间、采出时间以及操作费用、设备费用等综合因素来确定操作回流比。
3.精馏塔的常压操作如何实现？
如果要改为加压或减压操作，如何实现？
打开塔顶放气阀。
可以通过调节蒸汽量或者调节塔顶气相采出量来调节塔压进行加压或减压操作。
4.本实验如何控制塔釜液位？
为何要控制？
在连续精馏中，塔釜液位受到4个因素影响：
进料、出料（包括塔顶和塔釜）、蒸发量、回流。
最通常用进料和出料（塔釜）量大小来控制塔釜液位。
如果塔釜液面过低，则再沸器所产生的上升蒸汽不能托住下降液体，使下降液体横过塔板，如此塔板上的汽液传质情况会很差，板效率降低。
同时，也为了防止加热装置被烧坏，使精馏塔的操作稳定，使釜液在釜内有足够的停留时间。
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