化工原理精馏实验

实验六精馏实验

一 实验内容

1、 采用乙醇-水物系测定精馏塔全塔效率。 二实验目的 二实验目的 1 了解板式精馏塔的结构及精馏流程。 2 理论连续实际，掌握精馏塔的操作。 3 掌握精馏塔全塔效率的测定方法。 三实验基本原理 精馏塔的效率及测定 塔板效率是精馏塔设计的重要参数之一。有关塔板效率的定义有如下几种： 点效率、Nurphree 板效率、湿板效率和全塔效率。影响塔板效率的因素有很 多，如塔板结构、气液相流量和接触状况以及物性等诸多因素，都对塔板效率 有不可忽视的影响。迄今为止，塔板效率的计算问题尚未得到很好的解决，一 般还是通过实验的方法测定。 由于众多复杂因素的影响，精馏塔内各板和板上各点的效率不尽相同，工程 上有实际意义的是在全回流条件下测定全塔效率。全塔效率的定义如下：

η=

×100%

①

其中N －全回流下的理论板数（包括塔斧的贡献） N－精馏塔的实际塔板数。

只要在全回流条件下测定塔顶和塔底目的的组分浓度X 和X ,即可根据物系 的相平衡关系，在 y-x 图上通过作图法求得N ，并根据式①得出η。 全塔效率是板式精馏塔分离性能的综合度量，它不仅与影响点效率、板效率 的各种因素有关，而且还包括了塔板上气液相组成变化的影响。因此，全塔效 率是一个综合了塔板结构、物性、操作变量等诸多因素影响的参数。

精馏塔的操作及调节

精馏塔操作的目的指标质量和产量指标。质量指标是塔顶产品和塔底产品都 要达到一定的分离要求：产量指标是指在规定时间内要获得一定数量的合格产 品。操作过程中调节的目的是要根据精馏过程的原理，采用相应的控制手段， 调整某些工艺操作参数，保证生产过程稳定连续的进行，并能满足过程的质量 指标和产量指标。 精馏过程的稳定操作 在进料条件和工艺分离要求确定后，要严格维持塔内的总物料平衡和组分物料 平衡，即要满足

F=W+D FX =DX +WX

② ③

当总物料不平衡时，若进料量大于出料量，会引起淹塔；相反，若出料量大于 进料量，则会导致釜干料，最终将破坏精馏塔的正常操作。 由式②和③得到 ④ D/F=(XFi- XWi)/( XDi- XWi) W/F=1-D/F ⑤ D/F、W/F 分别为塔顶、塔底采出率。 显然，在进料量 F、进料组成 XFi 以及产品分离要求 XDi、XWi 一定的情况下， 塔顶和塔底的采出率要受到物料衡算的制约。换而言之，在进料条件一定时， 采出率的变化将一直影响塔顶和塔底产品的组成。如果采出率控制不适当，即 使再增大回流比或增加塔板数，也不能获得合格的产品。 2）回流比是精馏过程重要的设计和操作参数之一。在塔板数一定的情况下，要 保

持足够的回流比或回流量，才能保证精馏分离的效果。回流比的大小可根据 理论计算或直接通过实验测定加以确定。

（2）精馏塔操作过程中的流体力学现象 在精馏塔操作过程中，塔内要维持正常的气液负荷，避免以下不正常操作状况。 1）严重的液体被上升的气流夹带至上层塔板，这种现象叫液沫夹带。液沫夹带 是一种与流体主流方向相反的流动，属返混现象。在一般情况下，液沫夹带会

导致塔板效率降低，严重时会发生夹带液泛，破坏塔的正常操作。一般认为液 沫夹带率小于 10%属于正常。操作气速过大是导致过量液沫夹带的主要原因。 2）严重的漏液现象 在正常操作范围内，液相和气相在塔板上呈错流接触，但是，当操作气速过小 时，部分液体会从塔板开孔处直接漏下，这种漏液现象对精馏过程是不利的， 它使气、液两相不能充分接触。漏液严重时，将使塔板上不能积液而不能正常 操作。 3）溢流液泛 由于降液管通过能力的限制，当气液负荷增大到一定程度，或塔内其塔板的降 液管有堵塞现象时，降液管内的清液层高度增加，当降液管液面升至溢流堰板 上沿时，降液管内的液体流量为其极限流量，若液体流量超过此极限值，塔板 上开始积液，最终会使全塔充满液体，引起溢流液泛，破坏塔的正常操作。 4）塔板压降及塔釜压力 塔板压降是精馏塔一个重要的操作参数，它反映了塔内气液两相的流体力学状 况。一般，以塔釜压力 PB 来表示塔内各板的综合压降： PB=PT+∑△Pi 其中，PT 为塔顶压力，△Pi 为塔板压降。 当塔内发生严重雾沫夹带时，PB 将增大。若 PB 急剧上升，则表明塔内可能发 生液泛；如果 PB 过小，则表明塔内已经发生严重漏液。通常情况下，设计完善 的精馏塔应有适当的操作压降范围， （3）精馏塔操作过程的调节 ） 操作条件的变化或外界扰动，会引起精馏塔操作的不稳定。在操作过程中必须 及时予以调节，否则将影响分离效果，使产品质量不合格。 1）塔顶采出率 D/F 过大所引发的现象及调节方法 前已指出，当进料条件和分离要求已经确定后，在正常情况下，塔顶和塔 底采出率的大小要受到全塔物料衡算的制约，不能随意规定。在操作过程中， 如果塔顶采出率 D/F 过大,则必 DXDi>FXFi-WXWi(i 为轻组分)。随着过程的进行，

塔内轻组分将大量从塔顶馏出，塔内各板上轻组分的浓度逐渐降低，重组分则 逐渐增加，浓度不断增大。最终导致塔顶产品浓度不断降低，产品质量不合格。 由于采出率的变化所引起的现象可以根据塔内的温度分布分析判断。当操 作压力一定时，塔内各板的气、液组成与温度存在着对应

关系。若 D/F 过大， 随着轻组分的大量流失，塔内各板上重组分的浓度逐渐增大，因而各板的温度 也随之升高。由于塔釜中物料绝大部分为重组分，因而塔釜温度没有塔顶温度 高的明显。 对于 D/F 过大造成的不正常现象，在操作过程中应及时发现并采取有效的调 节措施予以纠正。通常的调节方法是：保持塔釜加热负荷不变，增大进料量和 塔釜出料量，减少塔顶采出量。使得精馏塔在 DXDiFXFi-WXWi 的条件下操作。同时，变可 视具体的情况适当减少进料量和塔釜采出量。待塔釜温度升至正常值时，再调 节各有关参数，是过程在 DXDi=FXFi-WXWi 的正常情况下操作。 3）进料条件变化引发的现象及调节方法 当进料中轻组分增加后，塔中各板上浓度和温度的变化同塔底采出率 W/F 过 大的情况相似，而进料中重组分增加后，塔内温度和浓度的变化同塔顶采出率 D/F 过大情况相似。这时，除了要相应调整塔顶或塔底的采出率外，还要适当

减少或增大回流比，并视具体情况，调整进料的位置，合理分配精馏段和提馏 段的塔板数。 进料温度的变化对精馏分离效果也有一定的影响，可通过调节塔釜加热负 荷和塔顶冷凝负荷使得操作正常。 4）分离能力不够引发的现象及调节方法 对于一做设计完善的精馏塔，所谓分离能力不够是指在操作中回流比过小而 导致产品的不合格。其表现为塔顶温度升高，塔釜温度降低，塔顶和塔釜产品 均不合格。 采取的措施通常是通过加大回流比来调节。但应注意，在进料量和进料组成 一定时，若规定了塔顶、塔底产品的组成，则塔顶和塔底产品的流量也被确定。 因此，增大回流比并不意味着塔顶产品流量的

减少，加大回流比的措施只能是 增加塔内的上升蒸汽量，即增大塔釜的加热负荷及塔顶的冷凝量，这是要以操 作成本的增加为代价的。 此外，随着回流比的增大，若塔内上升蒸汽量超过塔内气体的正常负荷，容易 产生严重的雾沫夹带或其他不正常现象。因此，操作中不能盲目增加回流比。 4）精馏塔内的温度分布与温度灵敏度 在以上的操作分析中已经看到，当操作压力一定时，塔顶、塔底产品的组 成和塔内各板上的气液相组成与板上温度存在一定的对应关系。操作过程中塔 顶、塔底产品的组成变化情况可通过相应的温度反映出来。通常情况下，精馏 塔内各板的温度并不是线性分布的，而是呈“S”型分布。在塔内某些塔板之间， 塔板温度差别比较大，当因操作不当或分离能力不够导致塔板上组成发生变化 时，这些塔板上的温度将发生明显的变化。因此，工程上把这些塔板成为温度 灵敏板。在操作过程中，通过灵敏半早期温度的变化，可以预测塔顶和塔底产 品组成的变化趋势，从而可以及早采取有效的调节措施，纠正不正常的操作， 保证产品的质量。

实验设计 实验设计 全塔效率的测定

选用乙醇-水系物作为实验物系。操作压力为常压，在塔釜内预先配置乙醇的 体积分数为 0.07-0.08 的料液，使精馏塔在全回流的条件下操作，待操作状态 稳定后，同时测取塔顶回流液和釜液的浓度、利用作图法求得全塔理论板数， 最后，根据①得出全塔效率。 在部分回流连续精馏操作实验中，需要测定的参数有进料流量 F、进料浓度 X 、塔顶出料流量 D、塔顶产品浓度、回流量、塔釜液位 h、塔釜物料浓度X 、 塔釜加热量（加热电压）V、塔顶温度T 、灵敏板温度T 、塔釜温度T 、塔釜 压力P 等。 根据在分析设置所需的检测点，并选配相应的检测仪表。 进料流量 F、塔顶出料流量 D 和回流量L 用转子流量计计量；塔釜液位 h 有液位计测定。 进料浓度X 和塔釜浓度X 用比重计测定，塔顶产品浓度X 用气相色谱仪测 定。 塔顶温度T 、塔釜温度T 和灵敏板温度T 用铂电阻温度计配数显仪表测定。 塔釜压力P 用压力表测定。 塔釜加热量大小用电压表测定。

实验装置流程 主要设备 精馏塔：塔内径Φ50mm，塔板数 15，板间距 10mm，精馏段开孔率 4%， 提馏段开孔率 5%，将液管管径Φ14mmⅹ2mm 塔顶冷凝器为内置式盘管冷凝器 再沸器：采用塔釜加热方式，以 2 只各 1KW 的电加热器加热，其中 1 只为固 定加热，另 1 只通过自耦变压器在 0-1kw 范围内调节，原料槽，供料泵，产品 罐， 转子流量计

实验装置流程如图

1 塔釜 2 塔节 3 冷凝器 4 回流流量计 6 塔顶取样闸 10 塔底

处料闸

实验操作要点 1 在塔釜内预先配置乙醇浓度为 7%-8%的水溶液，塔釜液位以接近塔釜高度 2/3 为宜。在原料槽内配置乙醇浓度为 15%左右的水溶液作为原料液。 2 开启加热电源预热釜液，及时开启塔顶冷凝器进水阀门，当釜液沸腾后要注 意控制加热量。 3 由于开始前塔内存在不凝性气体（空气），开始后要注意开启塔顶的排气阀 门，利用塔内上升的蒸汽将其排除塔外，以免影响冷凝器的冷凝效果。

同时要说明的是，由于实验的操作压力为常压，因此，塔顶排气阀门的开启 （通大气），并不仅仅是为了排除塔内的不凝性气体，更重要的是作为操作压 力的一个控制点。 4 进行全回流操作（不加料、不出产品），调节加热量，使塔内各板上气液两 相均处于稳定接触状态。待稳定操作 10-15 分钟后，同时取样分析X 、X ， 通过数据处理，求得精馏塔的全塔效率。 数据处理和结果分析讨论部分的要求 1、 2、 3、 4、 在回流操作条件下测得X 和X ，利用乙醇和水儿元相平衡数据，在 y-x 由计算机处理数据，过程略 表 4-1 全塔效率测定实验原始数据记录表 质量百分数 1.269 85.66

图上求得全塔理论板数N ,根据式①得出全塔效率

塔内径 ɸ 50mm ，板间距 10mm ，实际板层数 15 块 t／0C 酒精计示数 容积百分数 密度 g／cm3 29.0 3.0 1.6 0.995846 釜夜组成 28.0 92.0 90.0 0.829237 馏出液组成

表 4-2 全塔效率测定实验数据处理表 乙醇 0.004997 釜夜组成 XW 0.700051 馏出液组成 XD 6、画 的 5、

图

从图中看出，理论板数为 4

η=

×100%=(4-1)/15*100%=20%

实验结果及误差分析 从实验中可以看出，精馏塔效率并不高，可能原因是，塔釜温度过高以及其他 方面原因造成塔顶得到的产品乙醇含量过低，造成精馏塔效率低 效率过低的原因我们认为是在查表的时候，因为得出的结果不是表上的数， 效率过低的原因我们认为是在查表的时候，因为得出的结果不是表上的数，而 是中间数，所以分出十份在进行分配得出数据，误差很大， 是中间数，所以分出十份在进行分配得出数据，误差很大，导致结果不准只冷 却到了 29 度

思考题

㈠ 是否精馏塔越高，产量越大？

答 ：不是，因为产量和塔高无关，采出率 D/F=(xF-xW)/(xD-xW)，产量和 L,D 有关。精馏塔内的总物料必须平衡，塔顶与塔底的采出率受到物料衡算的 制约，不是精馏塔越高，产量越大。

㈡ 精馏塔加高，是否得到无水酒精？

答：不能，虽然增加塔高，一般来说精馏塔越高，分离效果越好；但是水和酒 精会形成最高恒沸物，由 y-x 图可，乙醇-水混合物为正偏差物系，具有最低恒 沸点，在精馏塔内塔顶温度最低，随意不可能从塔顶得

到纯的乙醇，只能得到 乙醇含量高的混合物。况且若要得到无水酒精，则所需的理论塔板数为无穷多， 而精馏塔的塔板数不可能为无穷多，所以，即使精馏塔加高也不能得到无水乙 醇。

㈢ 结合本实验说明影响精馏操作稳定因素有那些？

1 回流比，当回流比增大时，精馏产品质量提高；2 塔釜温度的影响，提高塔 釜温度时，则使塔内液相中易挥发组分减少，同时，并使上升蒸汽的速度增大， 有利于塔顶得到产品，因为塔釜排出难挥发物中，易挥发组分减少，损失减少； 如果塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组分中夹带 的难挥发组分增多，从而增大损失。环境的影响等， 3 总物料不平衡，破坏塔的正常操作； 4 操作气速过大，发生液沫夹带，破坏塔的正常操作； 5 操作气速过小，出现漏液现象，破坏塔的正常操作； 6 当气液负荷增大到一定程度，或塔内其塔板的降液管有堵塞现象时，使全塔 充满液体，引起溢流液泛，破坏塔的正常操作。 7 塔顶采出率或塔底采出率过大； 8 进料条件的变化；

㈣ 操作中加大回流比应如何进行，有何利弊？

答：减少塔顶采出率 D/F 以增大回流比。D 减少，R=L/D，R 变大，加大蒸发 量与冷凝量，使每小时塔顶的千摩尔数减小，提高了对设备的要求，加大了投 资。 增大回流比，则完成一定分离任务所需的理论塔板数减少，及过程的设备费用 减少，但回流比增大将导致冷凝器、再沸器负荷增大，操作费用增加。且随着 回流比的增大，若塔内上升蒸汽量超过塔内气体的正常负荷，容易产生严重的 雾沫夹带或其他不正常现象。 另外，塔板数减少回流比加大，节省资金。 在塔板数固定的情况下 提高塔顶 馏出液组成 xD，加大回流比但能耗也随之增加。 加大塔釜的加热速率和塔顶的 冷凝速率，但塔釜的加热速率和塔顶的冷凝速率在装置中是有限度的。

㈤ 精馏操作过程中，由于塔顶采出率太大，而造成产品不合格，要恢复正常的

最快有效方法？ 答：保持塔釜加热负荷不变，增大进料量和塔釜出料量，减少塔顶采出率，使 得精馏塔在 DXd