化原实验精馏实验报告

北京化工大学学生实验报告学院：化学工程学院姓名：学号：专业：化学工程与工艺班级：同组人员：课程名称：化工原理实验实验名称：精馏实验实验日期北京化工大学1实验五精馏实验摘要：本实验通过测定稳定工作状态下塔顶、塔釜及任意两块塔板的液相折光度，得到该处液相浓度，根据数据绘出x-y图并用图解法求出理论塔板数，从而得到全回流时的全塔效率及单板效率。通过实验，了解精馏塔工作原理。关键词：精馏，图解法，理论板数，全塔效率，单板效率。一、目的及任务①熟悉精馏的工艺流程，掌握精馏实验的操作方法。②了解板式塔的结构，观察塔板上汽-液接触状况。③测定全回流时的全塔效率及单塔效率。④测定部分回流时的全塔效率。⑤测定全塔的浓度（或温度）分布。⑥测定塔釜再沸器的沸腾给热系数。二、基本原理在板式精馏塔中，由塔釜产生的蒸汽沿塔逐板上升与来自塔顶逐板下降的回流液，在塔板上实现多次接触，进行传热与传质，使混合液达到一定程度的分离。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。若塔在最小回流比下操作，要完成分离任务，则需要无穷多塔板的精馏塔。当然，这不符合工业实际，所以最小回流比只是一个操作限度。若操作处于全回流时，既无任何产品采出，也无原料加入，塔顶的冷凝液全部返回塔中，这在生产中午实际意义。但是由于此时所需理论板数最少，又易于达到稳定，故常在工业装置的开停车、排除故障及科学研究时采用。实际回流比常取最小回流比的1.2～2.0倍。在精馏操作中，若回流系统出现故障，操作情况会急剧恶化，分离效果也将变坏。板效率是体现塔板性能及操作状况的主要参数，有以下两种定义方法。2（1）总板效率EE=N/Ne式中E——总板效率；N——理论板数（不包括塔釜）；Ne——实际板数。(2)单板效率EmlEml=(xn-1-xn)/(xn-1-xn*)式中Eml——以液相浓度表示的单板效率；xn，xn-1——第n块板和第n-1块板的液相浓度；xn*——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因数。当物系与板型确定后，可通过改变气液负荷达到最高板效率；对于不同的板型，可以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。若改变塔釜再沸器中加热器的电压，塔内上升蒸汽量将会改变，同时，塔釜再沸器电加热器表面的温度将发生变化，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Q=αA△tm式中Q——加热量，kw;α——沸腾给热系数，kw/(m2*K);A——传热面积，m2;△tm——加热器表面与主体温度之差，℃。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Q=aA(ts-tw)由于塔釜再沸器为直接电加热，则加热量Q为Q=U2/R式中U——电加热的加热电压，V;R——电加热器的电阻，Ω。3三、装置和流程本实验的流程如图1所示，主要有精馏塔、回流分配装置及测控系统组成。1.精馏塔精馏塔为筛板塔，全塔共八块塔板，塔身的结构尺寸为：塔径∮（57×3.5）mm，塔板间距80mm；溢流管截面积78.5mm2,溢流堰高12mm，底隙高度6mm；每块塔板开有43个直径为1.5mm的小孔，正三角形排列，孔间距为6mm。为了便于观察踏板上的汽-液接触情况，塔身设有一节玻璃视盅，在第1-6块塔板上均有液相取样口。蒸馏釜尺寸为∮108mm×4mm×400mm.塔釜装有液位计、电加热器（1.5kw）、控温电热器（200w）、温度计接口、测压口和取样口，分别用于观测釜内液面高度，加热料液，控制电加热装置，测量塔釜温度，测量塔顶与塔釜的压差和塔釜液取样。由于本实验所取试样为塔釜液相物料，故塔釜内可视为一块理论板。塔顶冷凝器为一蛇管式换热器，换热面积为0.06m2，管外走冷却液。图1精馏装置和流程示意图1．塔顶冷凝器2．塔身3．视盅4．塔釜5．控温棒6．支座7．加热棒8．塔釜液冷却器9．转子流量计10．回流分配器11．原料液罐12．原料泵13．缓冲罐14．加料口15．液位计42.回流分配装置回流分配装置由回流分配器与控制器组成。控制器由控制仪表和电磁线圈构成。回流分配器由玻璃制成，它由一个入口管、两个出口管及引流棒组成。两个出口管分别用于回流和采出。引流棒为一根∮4mm的玻璃棒，内部装有铁芯，塔顶冷凝器中的冷凝液顺着引流棒流下，在控制器的控制下实现塔顶冷凝器的回流或采出操作。即当控制器电路接通后，电磁圈将引流棒吸起，操作处于采出状态；当控制器电路断开时，电磁线圈不工作，引流棒自然下垂，操作处于回流状态。此回流分配器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.测控系统在本实验中，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，不仅使实验跟更为简便、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用的体系为乙醇-正丙醇，由于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，故可通过阿贝折光仪分析料液的折射率，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。混合料液的折射率与质量分数（以乙醇计）的关系如下。=58.9149—42.5532Dn式中——料液的质量分数；Dn——料液的折射率（以上数据为由实验测得）。四、操作要点①对照流程图，先熟悉精馏过程中的流程，并搞清仪表上的按钮与各仪表相对应的设备与测控点。②全回流操作时，在原料贮罐中配置乙醇含量20%～25%（摩尔分数）左右的乙醇-正丙醇料液，启动进料泵，向塔中供料至塔釜液面达250～300mm。③启动塔釜加热及塔身伴热，观察塔釜、塔身t、塔顶温度及塔板上的气液接触状况（观察视镜），发现塔板上有料液时，打开塔顶冷凝器的水控制阀。5④测定全回流情况下的单板效率及全塔效率，在一定的回流量下，全回流一段时间，待该塔操作参数稳定后，即可在塔顶、塔釜及相邻两块塔板上取样，用阿贝折光仪进行分析，测取数据（重复2～3次），并记录各操作参数。⑤实验完毕后，停止加料，关闭塔釜加热及塔身伴热，待一段时间后（视镜内无料液时），切断塔顶冷凝器及釜液冷却器的供水，切断电源，清理现场。五、报告要求①在直角坐标系中绘制x-y图，用图解法求出理论板数。②求出全塔效率和单板效率。③结合精馏操作对实验结果进行分析。六、数据处理（1）原始数据操作系数：加热电压104.5V；塔釜温度87.0℃；塔顶温度78.6℃；全塔压降1.33kPa。实验数据：①塔顶：1Dn=1.3632，2Dn=1.3631；塔釜：1Dn=1.3744，2Dn=1.3742。②第四块板：1Dn=1.3655，2Dn=1.3654；第五块板：1Dn=1.3644，2Dn=1.3666。（2）数据处理①由附录查得101.325kPa下乙醇-正丙醇t-x-y关系：表1：乙醇—正丙醇平衡数据（p=101.325kPa）序号液相组成x气相组成y沸点/℃10097.1620.1260.24093.8530.1880.31892.6640.2100.33991.650.3580.55088.3260.4610.65086.2570.5460.71184.9880.6000.76084.1390.6630.79983.06100.8440.91480.59111.01.078.38乙醇沸点：78.38℃，丙醇沸点：97.16℃。6②原始数据处理：表2：原始数据处理名称折光率1Dn折光率2Dn平均折光率Dn质量分数摩尔分率x塔顶1.36321.36311.36320.90850.9283塔釜1.37441.37421.37430.43400.5001第4块板1.36551.36541.36550.81060.8481第5块板1.36641.36661.36650.76600.8102数据计算以塔顶为例：nD=nD1+nD22=1.3632+1.36312=1.3632ω=58.9149−42.5532nD=58.9149−42.5532×1.3632=0.9085x=ωω乙醇ωω乙醇+1−ωω正丙醇=0.9085460.908546+1−0.908560=0.9283③在直角坐标系中绘制x-y图，用图解法求出理论板数。参见乙醇-丙醇平衡数据作出乙醇-正丙醇平衡线，全回流条件下操作线方程为y=x,具体作图如下所示（塔顶组成xD=0.9283，塔釜组成xW=0.5001）：图2：乙醇—正丙醇平衡线与操作线图00.20.40.60.8100.20.40.60.81平衡线操作线0.9280.5001yx7④求出全塔效率和单板效率。由图解法可知，理论塔板数为4.8块（包含塔釜），故全塔效率为EE=NNε×100%=4.88×100%=60.0%使用matlab拟合乙醇—正丙醇平衡数据，得到平衡线拟合方程如下：320.54381.52911.98440.0007yxxx；拟合图线如下：图3：乙醇—正丙醇气液相平衡数据拟合图第5块板的气相浓度为y5=x4=0.8481，则此时，x5∗=0.7335则第5块板单板效率Eml,5=0.8481−0.81020.8481−0.7335×100%=33.1%七、误差分析及结果讨论1.误差分析：（1）实验过程误差：实验过程中操作条件是在不断变化的，无法达到完全稳定状态，启动实验装置1小时后，加热电压波动范围为±0.3，全塔压降波动范围为±0.02，塔顶及塔釜温度波动范围为±0.01，每次取料后会引起短时间的数据起伏；使用阿贝折光仪读数时存在误差。（2）数据处理误差：使用作图法求取理论塔板数存在一定程度的误差，从而求取的全塔效率不够精确。82.结果讨论：①全塔效率:对于一个特定的物系和塔板结构,由于塔的上下部气液两相的组成、温度不同,所以物性也不同,又由于塔板的阻力,使塔的上下部分的操作压强也不同,这些因素使每个塔板的效率不同.所以我们需要用一种全面的效率来衡量整个塔的分离效果的高低.公式E=N/Ne就是一种综合的计算方法.全塔效率反映了全塔各塔板的平均分离效果,它不单与影响点效率、板效率的各种因素有关,而且把板效率随组成等的变化也包括在内.所有的这些因素E的关系难以搞清,所以我们只能用实验来测定,本次实验中测得：E=0.60。由于实验存在误差，我们只是大致的对实验用塔进行粗略的评价，经过实验我们分析了影响塔板效率的一些因素，归结为：流体的物理性质（如粘度、密度、相对挥发度和表面张力等）、塔板结构的因素相当复杂，以及塔的操作条件等。②单板效率:单板效率是评价塔板性能优劣的重要数据.物系的性质、板型及操作负荷是影响单板效率的重要因素.当物系板型确定后,可通过改变气液的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。我们这里应用默弗里板效率公式计算得E5=0.331。从结果来看，本实验全塔效率较好，而单板效率偏低，说明本塔的塔板性能不够好。八、思考题①什么是全回流？全回流操作有哪些特点，在生产中有什么实际意义？如何测定全回流条件下的气液负荷？答：全回流是精馏塔中气相组分完全用于回流到精馏塔中，而无进料和出料的操作状态。全回流在精馏塔的停开车和塔板效率的测定以及理论研究中使用。要测定全回流条件下的气液负荷，可由2UQqrR（其中Q为塔釜加热器加热量，U为加热电压，R为加热器电阻，q为汽化量，r为塔釜混合液的相变焓）计算出塔釜汽化量V=q。而在全回流状态下，液量L=气量V=q。9②塔釜加热对精馏操作的参数有什么影响？塔釜加热量主要消耗在何处？与回流量有无关系？答：塔釜加热对使塔