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1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉精餾工藝流程,了解篩板精餾塔及其附屬設(shè)備的基本結(jié)構(gòu),掌握精餾過程的基本操作方法;2、觀察塔板上氣液接觸狀況,學(xué)會(huì)識(shí)別精餾塔內(nèi)出現(xiàn)的幾種操作狀態(tài),并分析這些操作狀態(tài)對(duì)塔性能的影響;3、學(xué)習(xí)測(cè)定精餾塔全塔效率和單板效率的試驗(yàn)方法,研究回流比對(duì)精餾塔分離效率的影響,掌握測(cè)定塔內(nèi)溶液濃度的實(shí)驗(yàn)方法;4、學(xué)會(huì)測(cè)定部分回流時(shí)的理論板數(shù),全塔效率;5、測(cè)定全塔的濃度(或溫度)分布;6、測(cè)定塔釜再沸器的沸騰傳熱系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理(1)全塔效率全塔效率又稱總板效率,是指達(dá)到指定分離效果所需要理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)的比值,即: 式中:ET總板效率;NT完成一定分離任務(wù)所需要的理論板層數(shù),包括蒸餾釜
2、;NP完成一定分離任務(wù)所需要的實(shí)際板層數(shù),本裝置NP = 8。 全塔效率簡(jiǎn)單地反映了整個(gè)塔內(nèi)塔板的平均效率,說明了塔板結(jié)構(gòu)、物性系數(shù)、操作狀況對(duì)塔分離能力的影響。對(duì)于塔內(nèi)所需要理論塔板數(shù),可以由已知的雙組分物系平衡關(guān)系,以及實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的塔頂塔釜液的組成,回流比和進(jìn)料熱狀況等,用圖解法求得。理論板層數(shù)NT的求法可用M-T圖解法。本實(shí)驗(yàn)是使用乙醇水二元物系在全回流條件下操作,只需測(cè)定塔頂流出液組成xD和釜液組成xw,即可用圖解法求得NT,實(shí)際板層數(shù)Np為已知,所以利用式(4-30)可求得塔效率E.(2)單板效率EM單板效率又稱莫弗利板效率,如圖所示,是指氣相或液相經(jīng)過一層實(shí)際塔板前后的組成變化值與
3、經(jīng)過一層理論板前后的組成變化值之比。按氣相組成變化表示的單板效率為:若相鄰兩塊塔板設(shè)有液體取樣口,則可通過測(cè)定液相組成xn-1和xn求得第n塊板在全回流下的單板效率EmL。 而全回流時(shí),ynxn-1式中:xn-1離開上塊板的液相中易揮發(fā)組分摩爾分率; xn離開下塊板的液相中易揮發(fā)組分摩爾分率;yn離開下塊板的氣相中易揮發(fā)組分摩爾分率;xn*與yn成平衡的液相組成摩爾分率,以xn-1作為氣相組成在平衡線上查得。(3)測(cè)定塔釜再沸器的沸騰傳熱系數(shù) 若改變塔釜再沸器中電加熱器的電壓,塔內(nèi)上升蒸汽量將會(huì)改變,同時(shí),塔釜再沸器電加熱器表面的溫度將會(huì)發(fā)生變化,其沸騰傳熱系數(shù)也將發(fā)生改變,從而可以得到沸騰傳
4、熱系數(shù)與加熱量的關(guān)系。由劉頓冷卻定律,可知:Q = Atm式中 Q-加熱量,kw; -沸騰傳熱系數(shù),kW/m2*K; A-傳熱面積,m3; tm-加熱器表面與溫度主體溫度之差,。若加熱器的壁面溫度為ts,,塔釜內(nèi)液體的主體溫度為tw,則上式可改寫為:Q = A(ts tw)由于塔釜再沸器為直接電加熱,則其加熱量為:式中 U-電加熱器的電加熱電壓,V; R-電熱器的電阻,。(4)圖解法求理論塔板數(shù)圖解法又稱卡勃蒂列法,簡(jiǎn)稱MT法,其原理與逐板計(jì)算法完全相同,只是逐板計(jì)算過程在yx圖上直觀的表示出來。精餾段的操作線方程為:式中精餾段第n+1塊塔板上升的蒸汽組成,摩爾分?jǐn)?shù);精餾段第n塊塔板下流的液體
5、組成,摩爾分?jǐn)?shù);塔頂餾出液的液體組成,摩爾分?jǐn)?shù);泡點(diǎn)回流下的回流比。提餾段的操作線方程為:式中提餾段第m+1塊塔板上升的蒸汽組成,摩爾分?jǐn)?shù);提餾段第m塊塔板下流的液體組成,摩爾分?jǐn)?shù);塔底餾出液的液體組成,摩爾分?jǐn)?shù);提餾段內(nèi)下流的液體量,;釜液流量,加料線(q線)方程可表示為:其中式中進(jìn)料熱狀況參數(shù);進(jìn)料液組成下的汽化潛熱,;進(jìn)料液的泡點(diǎn)溫度,;進(jìn)料液的溫度,;進(jìn)料液在平均溫度下的定壓比熱容,(kmol.);進(jìn)料組成,摩爾分?jǐn)?shù)。回流比R的確定: 式中回流液量,;餾出液兩,。式(4-64)只是用于泡點(diǎn)下回流時(shí)的情況,實(shí)際操作時(shí)為了保證上升氣流能完全冷凝,冷卻水量一般比較大,回流液溫度往往低于泡點(diǎn)溫
6、度,即冷夜回流。如下圖所示,從全凝器出來的溫度為、流量為L的液體回流進(jìn)入塔頂?shù)谝粔K板,由于回流溫度低于第一塊塔板上的液相溫度,離開第一塊塔板的一部分上升蒸汽將被冷凝成液體,這樣,塔內(nèi)的實(shí)際流量回流量。V2L1V1L2對(duì)第一塊板作物料、熱量衡算: 對(duì)(4-47)、(4-48)整理簡(jiǎn)化,近似可得:即實(shí)際回流比: 式中:、離開第1、2塊板的氣相摩爾流量,;塔內(nèi)實(shí)際液流量,;、指對(duì)應(yīng)、下的焓值,;回流組成下的汽化潛熱,;回流液在與平均溫度下的平均比熱容,(kmol.)三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備精 餾 裝 置 流 程 示 意 圖全回流精餾塔圖1 塔釜取樣口;2蒸餾釜;3料液指示計(jì);4塔體;5冷凝器;6流量計(jì);7塔頂取
7、樣口;8不凝氣排放口;9溫度計(jì)四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、配制乙醇質(zhì)量濃度為1619的乙醇水料液,。啟動(dòng)原料泵,向塔中供料至塔釜液面的2/3以上。2、啟動(dòng)塔釜加熱及塔身伴熱,觀察塔釜、塔身、塔頂溫度及塔板上的氣液接觸狀況(觀察視盅),發(fā)現(xiàn)塔頂溫度開始上升時(shí),打開塔頂冷凝器的冷卻水控制閥。3、測(cè)定全回流條件下的單板效率及全塔效率:在不采出的情況下,全回流一段時(shí)間,待該塔操作參數(shù)穩(wěn)定后,即可在塔頂、塔釜及相鄰的塔板上取樣,用折光儀進(jìn)行分析,記錄數(shù)據(jù)及相關(guān)的操作參數(shù),之后測(cè)定部分回流條件下的全塔效率。4、實(shí)驗(yàn)完畢后,停止加料,關(guān)閉塔釜加熱及塔身伴熱,待一段時(shí)間后(視盅內(nèi)無下降料液時(shí)),切斷塔頂冷凝器及塔釜液冷
8、卻器的供水。五、注意事項(xiàng) 1、實(shí)驗(yàn)前,必須手動(dòng)(電壓為100V)給釜中緩緩升溫,30min后再進(jìn)行塔釜溫度手/自動(dòng)控制,否者會(huì)因受熱不均而導(dǎo)致玻璃視盅炸裂。2、塔頂放空閥一定要打開。3、料液一定要加到設(shè)定液位2/3處方可打開加熱管電源,否則塔釜液位過低會(huì)使電加熱絲露出干燒致壞。4、使用阿貝折光儀測(cè)濃度時(shí),一定要按給出的質(zhì)量百分濃度-折光率關(guān)系曲線的要求控制折光儀的測(cè)量溫度,在讀取折光率時(shí),定要同時(shí)記錄其測(cè)量溫度。5、 實(shí)驗(yàn)完畢后,停止加料,關(guān)閉塔釜加熱及塔身伴熱,待一段時(shí)間后,切斷塔頂冷凝器及釜液冷卻器的供水,切斷電源,清理現(xiàn)場(chǎng)。六、數(shù)據(jù)記錄與處理(1)原始數(shù)據(jù)乙醇相對(duì)分子質(zhì)量=46 正丙醇相
9、對(duì)分子質(zhì)量=60乙醇-正丙醇= 1:3常壓下乙醇-正丙醇?xì)庖浩胶鈹?shù)據(jù)x/摩爾分率00.1260.1880.2100.3580.4610.5460.6000.6630.8441.000y/摩爾分率00.2400.3180.3390.5500.6500.7110.7600.7990.9141.000全回流:取樣位置折光率nd質(zhì)量分率m摩爾分率x平均摩爾分率塔釜1.38000.17730.21940.17381.38180.10310.1282塔頂1.36580.77640.81910.81551.36600.76800.8120第三塊板1.36810.67940.73430.70161.36980
10、.60770.6689第二塊板1.36780.69200.74560.74751.31770.69630.6963(2)數(shù)據(jù)處理:計(jì)算過程如下: 混合料液的折光率與質(zhì)量分率的關(guān)系如下: m=58.405-42.194nd 所以 ,塔釜中料液的質(zhì)量分率 m=58.405-42.194×1.3800= 摩爾分率x=m46m46+1-m60=0.1773460.177346+1-0.177360=0.2194、逐板法計(jì)算理論板數(shù)平衡線和梯級(jí)線的計(jì)算:全回流操作時(shí),操作線在y-x圖上為對(duì)角線。常壓下乙醇-正丙醇?xì)庖浩胶鈹?shù)據(jù)繪制平衡線,擬合平衡線方程得y=-0.7035x2+1.6633x+0
11、.0231根據(jù)平衡線與操作線方程可逐板計(jì)算理論板數(shù)如下: 第一塊板 x1=0.1738 相平衡方程 y1=-0.7035×0.1738×0.1738+1.6633×0.1738+0.0231=0.2909 第二塊板 操作線方程 x2=y1=0.2909相平衡方程 y2=-0.7035×0.2909×0.2909+1.6633×0.2909+0.0231=0.4475.依此類推,直到第六塊板液相組成x6=0.8975>塔頂組成0.8155即可由此可知供需理論板數(shù)為(6-1)=5塊。、圖解法計(jì)算理論板數(shù) 根據(jù)化工原理下冊(cè)P.37數(shù)據(jù)
12、,畫出x-y平衡線方程,再根據(jù)XD 和XW,用圖解法求理論板數(shù)NT 對(duì)角線梯級(jí)線010.17380.17380.29090.29090.44750.44750.62650.62650.78900.7890010.17380.29090.29090.44750.44750.62650.62650.78900.78900.8975、計(jì)算全塔效率和單塔效率: 全塔效率 =0.625 單板效率 =0.611、誤差分析以下原因可能造成本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不夠理想: 讀取數(shù)據(jù)的任意性; 回流尚不穩(wěn)定; 實(shí)驗(yàn)器材等本身存在的系統(tǒng)誤差等; 實(shí)驗(yàn)時(shí)未等精餾完全即取液,未等液體冷卻至室溫即稱量等都將造成一定誤差。八、思
13、考題1、測(cè)量全回流和部分回流總板效率與單板效率時(shí)各需測(cè)幾個(gè)參數(shù)?答:全回流:塔頂,塔底取樣,用折光儀測(cè)得其組成。部分回流:各板取樣,用折光儀測(cè)得其組成。2、冷料進(jìn)料對(duì)精餾塔操作有什么影響?答:冷進(jìn)料肯定會(huì)造成塔內(nèi)的溫度、壓力的變化。對(duì)于冷液進(jìn)料,提鎦段內(nèi)回流液量包括三部分,1精餾段的回流量,2原料液流量,3為將原料液加熱到板上溫度,必然會(huì)有一部分自提餾段上升的蒸汽被冷凝下來,冷凝液也成為回流液的一部分,由于這部分的冷凝故上升到精餾段的蒸汽量比提留段少,費(fèi)蒸汽。3、查取進(jìn)料液的汽化潛熱時(shí)定性溫度取何值?答:水和乙醇的最低恒沸溫度。4、若測(cè)得單板效率超過100%,做何解釋?答:在精餾操作中,液體沿精餾塔板面流動(dòng)時(shí),易揮發(fā)組分濃度逐漸降低,對(duì)n板而言,其上液相組成由Xn-1的高濃度降為Xn的低濃度,尤其塔板直徑較大、液體流徑較長時(shí),液體在板上的濃度差異更加明顯,這就使得穿過板上液層而上升的氣相有機(jī)會(huì)與濃度高于Xn的液體相接觸,從而得到較大程度的增濃。Yn為離開第n板上各處液面的氣相平均濃度,而yn*是與離開第n板的最終液相濃度Xn成平衡的氣相濃度,yn有可能大于yn*,致使ynyn+1,此時(shí),單板效率EMV就超過100%九、總結(jié) 這次實(shí)驗(yàn),
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