筛板塔部分回流操作时理论板数的仿真测定

1、青海民族大学毕业论文引言 精馏是化学工业中进行混合物分离的一种单元操作，在化学工业中占有重要地位，这一部分理论较抽象，学生理解起来比较困难。通过仿真实验，学生可以到仿真系统实验室实际操作筛板精馏塔，实验室内精馏流程小巧、简洁，方便学生观察物料的反应。最重要的是，学生可以边操作、边观察、边思索、边讨论，从而达到理论与实践有机结合的目的。1 实验研究1.1实验装置精馏实验装置的流程见图11.1。本实验装置的主体设备是筛板精馏塔（包括塔釜9、塔身3和全凝器5），配套的有加料系统（包括原料液贮罐1和进料转子流量计2）、回流系统（包括集液器4和回流转子流量计6）、产品出料管路（包括产品转子流量计7和产品

2、贮罐8）、残液出料管路（包括釜液转子流量计10和釜液贮罐11）、冷却水转子流量计20、离心泵19和一些测量、控制仪表。本实验料液为乙醇溶液，从高位槽利用位差流入精馏塔内，釜内液体由电加热器加热产生蒸汽并逐板上升2，经与各板上的液体传质后，进入列管式换热器管程，被壳程的冷却水全部冷凝成液体，再从集液器流出，一部分作为回流液从塔顶流入塔内，另一部分作为产品馏出，进入产品贮罐；残液经釜液转子流量计流入釜液贮罐。原料液量、馏出液量、回流液量、釜残液量及冷却水量都由转子流量计测量，整个系统有六个测温点和A、B、C三个采样点。 图1.1 精馏实验装置流程示意图1.2实验原理在板式精馏塔的精馏过程中，每一层

3、塔板的汽、液两相间同时进行着热、质传递，如图1.2。在理想情况下，如果气液两相接触良好，且时间足够长，离开该板的汽液互成平衡，此板称为理论板3。实际情况是，汽液两相在塔板上的接触时间有限，接触不够充分。在未达到平衡状态之前就离开了塔板。要达到某一分离目的，实际塔板数比多于理论板数。 本实验在y-x图中用图解法即可得到理论板数N，但需要知道精馏段操作线方程、提馏段操作线方程、q线方程、回流比R的确定及取样得到的馏出液组成x、塔釜组成x和进料液组成x。 n-1 n n+1 n+2 图1.2 塔板汽液流向示意图1.2.1精馏段操作线方程精馏段的操作线方程4为：y= 其中R=式中 yn+1 精馏段第n

4、+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数； xn 精馏段第n块塔板下流的液体组成，摩尔分数； xD 塔顶馏出液的组成，摩尔分数； L 回流液量，Kmol/s； D 馏出液量， Kmol/s； R 泡点回流下的回流比。1.2.2提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程可表示为；式中 ym+1 提馏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数； xm 提馏段第m块塔板下流的液体组成，摩尔分数； xW 塔底釜液的组成，摩尔分数； L' 提馏段内下流的液体量，Kmol/s； W 釜液流量，Kmol/s。1.2.3 q线方程q线方程可表示为： 其中 式中 q 进料热状况参数； r 进料液组成下的汽化潜热，kJ

5、/kmol； t 进料液的泡点温度， t 进料液温度， c 进料液的平均温度（tS+tF）/2下的比热容，kJ/kmol； x 进料液组成。1.2.4回流比R的确定R=式中 L 回流液量，kmol/s； D 馏出液量，kmol/s。上式只适用于泡点下回流时的情况，而实际操作时为了保证上升汽流能完全冷凝，冷却水量一般都较大，回流液温度往往低于泡点温度，即冷夜回流。从全凝器出来的温度为、流量为L的液体回流进入塔顶第一块板，由于回流温度低于第一块塔板上的液相温度，离开第一块塔板的一部分上升蒸汽将被冷凝成液体，这样，塔内的实际液流量将大于塔外回流量5。对第一块板作物料、热量衡算；V+L=V+LVL+L

6、I=VI+LI 对上式整理、化简后，近似可得； LL1+ 即实际回流比;R= 式中 V、V 离开第1、2块板的汽相摩尔流量，kmol/s; L 塔内实际液流量，kmol/s; I、I、I、I 指对应V、V、L、L下的焓值，kJ/kmol; R 回流液组成下的汽化潜热，kJ/kmol; c 回流液在t与t平均温度下的平均比热熔，kJ/kmol.。1.2.5理论塔板数根据以上计算得到的精馏段操作线方程和q线方程，以及取样得到的馏出液组成x、塔釜组成x和进料液组成x，在y-x图中用图解法即可得到理论塔板数N。1.3实验仿真操作在仿真实验主界面中选择”精馏实验”，双击进入操作界面，输入学号，回车。单击

7、”仿真操作”进入实验操作系统，见图1.3。图1.3筛板精馏塔仿真实验操作界面1.3.1实验装置开车操作单击“开始实验”按钮，实验装置的控制点和测量点进入待命状态。打开进料阀，双击进料转子流量计的流量调节阀，得该阀门开度盘放大图，调节其开度为1，可见釜内液面刚超过出料口时，马上关闭进料流量调节阀6。若加料过多，会产生淹塔现象；加料过少，会使螺旋加热器暴露在液面之上，造成干烧。全开冷却水和回流液转子流量计阀，开总电源，开三相加热电源，双击电压表，得电压表放大图，取电压值为220V，点击灵敏板温度计。待温度计读数恒定在某一值时，说明系统已经处于稳定状态。在加热电压不变情况下，继续进行部分回流操作。双

8、击进料流量调节阀，得该阀门开度盘放大图，再点击进料转子流量计，显示出此时该流量计读书，点“+”号，开大进料流量计的调节阀的开度，使进料流量恒定在某一值，如50ml/min。同样双击馏出液转子流量计阀和回流液转子流量计阀，通过调节两个流量调节阀的开度，使回流比R控制在3-6范围之内。然后马上调节釜液转子流量计，使釜液和馏出液体积流量之和大致等于进料体积流量。部分回流操作时，要求进、出塔的物料保持平衡，操作时可利用观察塔釜液面高度是否保持恒定来判断进出物料是否平衡。当塔釜液面高于出口且恒定在某一液面，并且灵敏板温度计的读数保持不变时，说明系统已经稳定，可以开始取样读数。单击进料取样口，在左上角色谱

9、分析字样下的白条框上，自动显示进料样的摩尔分率，再点击“读取数据”按钮，进料液的组成就被读下。用同样的方法读取馏出液、釜液流量和回流液流量，再分别读取精馏塔中的六个温度7。2 实验结果与讨论 2.1实验数据表1.1筛板塔部分回流操作时实验数据 进料液 回流液 馏出液 釜液 流量（ml/min） 50 31 10 41 温度（） 25 79.0 51.8 91.3 组成 0.1033 0.7612 0.7612 0.0432.2数据处理当部分回流的数据全部测量完毕后，可进入数据处理阶段。点击“数据处理”按钮，进入数据处理界面。点击“部分回流”按钮，在界面下方列表显示在220V 加热电压下，部分回

10、流操作时所测得的原始数据，点击“重画”按钮，选“覆盖”，显示在x-y图中用图解法得到的梯级数、精馏段、提馏段的理论塔板数，如图1.4，点击“确定”，界面右上角显示出全塔效率值。图1.4 部分回流操作时实验数据处理结果2.3实验装置停车操作点击“返回实验室”按钮，返回实验室操作界面。停车操作的顺序是；（1）关闭进料液、馏出液、釜残液的流量调节阀。（2） 关加热器和总电源。（3） 关闭冷却水阀。（4） 点击“EXIT”按钮，退出实验室，结束实验。2.4讨论2.4.1温度控制对精馏的影响 一方面，恒温预热并全回流一定时间，有利于精馏达平衡精馏效果好；另一方面，精馏操作过程中，只有当灵敏板温度计温度恒

11、定时，才表示系统操作已达稳定，方可取样。2.4.2 q值一定，R对理论板数的影响 在、q一定的条件下，当R增大时，也增大，所需理论板数将减少。2.4.3 R值一定，q对理论板数的影响 在、R一定的条件下，当q增大时，提馏段操作线就越远离平衡曲线，所需理论板数将减少。2.4.4 值一定，q对理论板数的影响 在、一定的条件下，当q减小时，精馏段操作线就越远离平衡曲线，所需理论板数将减少。3 结语化工模拟仿真实验结束了，这段时间的实验心情是复杂的。从这里可以看出，这个实验让我学到了很多，获得了很多以前单纯从课堂上无法获得的知识经验。仿真实验是以仿真机为工具，用实施运行的动态数学模型代替真实工厂进行教

12、学实习的一门新技术。仿真机基于电子计算机、网络或多媒体部件，由人工建造的，模型工厂操作与控制或工业过程的设备，同时也是动态数学模型实时运行的环境。仿真实验为学生提供了充分动手的机会，可在仿真机上反复进行开车、停车训练。在仿真机上，学生变成学习的主体，学生可以根据自己的具体情况有选择地学习。例如自行设计，试验不同的开、停车方案，试验复杂控制方案，优化操作方案等。可以设定各种事故和极限运行状态，提高学生分析能力和在复杂情况下的决策能力。在仿真实验过程中能够发挥学习主动性，实验效果突出。 参考文献1 王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.第四版.北京:化学工业出版社，20102 碇醇.化学装置，1979,

13、 21 （2）：483 Wankat P C.Equilibrium Stage Separations. New York:ElsevierScience Publishing Co.，Inc,19884 兰州石油机械研究所.现代塔器技术.北京:烃加工出版社，19905 King C J.Separation Processes.2nd ed. New York:Mc Graw-Hill，19806 吴嘉.化工原理仿真实验.北京:化学工业出版社，20117 何潮洪，冯霄.化工原理.北京:科学出版社，2001致谢 本论文是在导师李磊教授悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲