乙醇-水不同精餾分離操作過程塔效率的確定

乙醇——水不同精餾分離操作過程塔效率的確定李春鵬金麗軍

(沈陽化工學(xué)院，材料學(xué)院高分子材料0406，110142)摘要精餾是分離均相混合液的重要方法之一，化工生產(chǎn)中常用的精餾設(shè)備主要有填料塔和板式塔兩大類，本文主要研究的是用板式塔中的篩板塔分離乙醇——水二元混合物，根據(jù)不同操作條件即精餾塔全回流和部分回流(R=3,R=5)條件下，確定理論塔板數(shù)，進(jìn)而由公式E=N/N*100%確定塔效率。結(jié)論:加熱電壓為121VTTP的全回流條件下塔效率為82.86%，加熱電壓為129V的全回流條件下塔效率為97.14%；R=3時(shí)，塔效率為98.14%,R=5時(shí)，塔效率為95.14%。關(guān)鍵字:精餾乙醇——水塔效率回流比Ethanol——waterdistillationtowerefficiencyofthedifferentoperatingprocessLichunpengJinLijun(shenyanginsitiuteofchemicaltechnology,polymermaterial0406ofschoolofmaterialscienceandengineering110142)AbstractDistillationisoneoftheimportantwaysoftheseparationofthemixture，Chemicalproductionequipmentusedinthemaindistillationtowersistwokinds.Thispaperstudiestheplatetoweristhesievetowerethanol--watermixtures.Underthedistillationoftheentirereturnandreturn(R=3,R=5)conditions.Identifiedanumberoftheoreticalplates,byET=NT/NP*100%todeterminetheefficiencyoftower,Conclusion:whenheatingvoltageis121Vundertheconditionsoftotalreflux,thetowerefficiencyis82.86%,whenitis129V,thetowerefficiencyis97.14%,whenR=3,thetowerefficiencyis98.14%,andwhenR=5,thetowerefficiencyis95.14%Keywords:DistillationEthanol--watertowerefficiencyRefluxRatio引言蒸餾是借助液體混合物中各組分的揮發(fā)性的不同而進(jìn)行分離的化工單元操作，若將混合物加熱到沸騰（只令其部分汽化），沸點(diǎn)低的組分（易揮發(fā)組分或輕組分）在氣相中的濃度比在液相中的濃度要高，沸點(diǎn)高的組分（難揮發(fā)組分或重組分）在液相中濃度比在汽相中的高。同理，混合物的蒸氣部分冷凝，則冷凝液中難揮發(fā)組分的濃度要比汽相中高，反之亦然。精餾是多次進(jìn)行部分汽化或冷凝以后，最后可以在汽相中得到較純的易揮發(fā)組分，在液相中得到較純的難揮發(fā)組分的過程［1］。研究精餾塔的分離效率，是當(dāng)前傳質(zhì)與分離研究的熱點(diǎn)［2］本文主要研究的是用板式塔中的篩板塔分離乙醇——水二元混合物，根據(jù)不同操作條件即精餾塔全回流和部分回流（R=3,R=5）條件下，確定理論塔板數(shù)，進(jìn)而確定塔效率。分析影響塔效率的因素，繪圖得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)部分1實(shí)驗(yàn)所用的儀器藥品表2.1實(shí)驗(yàn)原料藥品名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家乙醇CH3CH2OH工業(yè)級市售水H2O工業(yè)級市售表2.2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備儀器設(shè)備名稱型號精餾裝置實(shí)驗(yàn)室用篩板精餾塔天津大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠阿貝折光儀WYA—2S數(shù)字阿貝折射儀汕頭科儀儀器有限公司2實(shí)驗(yàn)原料的性質(zhì)乙醇（CH3CH20H或C2H5OH）：無色、透明，具有特殊香味的液體（易揮發(fā)）密度比水小，能跟水以任意比互溶（一般不能做萃取劑）。是一種重要的溶劑，能溶解多種有機(jī)物和無機(jī)物。外觀與性狀： 無色液體，有酒香。熔點(diǎn)（°C）：-114.1沸點(diǎn)（C）：78.3相對密度（水=1）：0.79相對蒸氣密度（空氣=1）：1.59飽和蒸氣壓（kPa）：5.33（19C）。水（H2O）：在常溫常壓下為無色無味的透明液體。水通常多是酸、堿、鹽等物質(zhì)的溶液，習(xí)慣上仍然把這種水溶液稱為水。水是一種可以在液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。在20C時(shí)，水的熱導(dǎo)率為0.006J/s?cm?K,冰的熱導(dǎo)率為0.023J/s?cm?K,水的密度在3.98C時(shí)最大，為1X103kg/m3,溫度高于3.98C時(shí)，水的密度隨溫度升高而減小，在0?3.98C時(shí)，水不服從熱脹冷縮的規(guī)律，密度隨溫度的升高而增加。水在0°C時(shí)，密度為0.99987X103kg/m3,冰在0°C時(shí)，密度為0.9167X103kg/m3。3實(shí)驗(yàn)流程4實(shí)驗(yàn)中相關(guān)公式精餾塔總板效率[3]E=N/N*100％TTPN——精餾塔理論塔板數(shù)TN——精餾塔實(shí)際塔板數(shù)P精餾塔部分回流時(shí)，進(jìn)料熱狀況參數(shù)(q值)q=(C*(t-t)+r)/rpmBPFmmt——進(jìn)料溫度；°CFt——進(jìn)料泡點(diǎn)溫度；CBPC——進(jìn)料液體在平均(t+t)/2的比熱；KJ*Kmol-*°C-pm FBPr——進(jìn)料液體在其組成和泡點(diǎn)溫度下的汽化潛熱；KJ/KmolmC=CMx+CMxKJ*Kmol-*C-pmp111p222r=rMx+rMxKJ/Kmolm111 222C,C——純組分1和2在平均溫度下的比熱；KJ*Kg-*C-p1p2r,r——純組分1和2在泡點(diǎn)溫度下的汽化潛熱；KJ*Kg-12M,M——純組分1和2的質(zhì)量；Kg/Kmol12x,x——純組分1和2在進(jìn)料中的分率12質(zhì)量濃度與折光指數(shù)的關(guān)系(30C)W=31.9425n-42.5565W——質(zhì)量濃度n――折光指數(shù)摩爾濃度x=n1/(n1+n2)x——摩爾濃度n1——組分1的物質(zhì)的量濃度n2——組分1的物質(zhì)的量濃度⑸q線方程y=qx/（q-1）-xF/（q-1）結(jié)果與討論表3.1全回流條件（1）下精餾塔原始數(shù)據(jù)表加熱電壓V加熱電流A塔釜壓力KPa塔頂溫度°C第5塊塔板溫度C第6塊塔板溫度C塔釜溫度C1214.020.575.878.879.490.8折光指數(shù)測樣溫度C塔頂1.361030塔釜1.332930表3.2全回流條件（2）下精餾塔原始數(shù)據(jù)表加熱電壓V加熱電流A塔釜壓力KPa塔頂溫度C第5塊塔板溫度C第6塊塔板溫度C塔釜溫度C1294.210.576.579.781.796.7折光指數(shù)測樣溫度C塔頂1.361330塔釜1.333030表3.3進(jìn)料條件（1）下精餾塔原始數(shù)據(jù)表加熱電壓V加熱電流A塔釜壓力KPa塔頂溫度C第5塊塔板溫度C第6塊塔板溫度C塔釜溫度C進(jìn)料溫度C進(jìn)料流量ml/min1304.310.477.479.680.597.819.520折光指數(shù)測樣溫度C塔頂1.360530塔釜1.332830進(jìn)料1.345330

表3.4進(jìn)料條件（2）下精餾塔原始數(shù)據(jù)表加熱電壓V加熱電流A塔釜壓力KPa塔頂溫度°C第5塊塔板溫度C第6塊塔板溫度C塔釜溫度C進(jìn)料溫度C進(jìn)料流量ml/min1284.210.477.479.781.797.819.620折光指數(shù)測樣溫度C塔頂1.360530塔釜1.332630進(jìn)料1.345330表3.5全回流條件下精餾塔數(shù)據(jù)處理表電壓質(zhì)量分?jǐn)?shù)％摩爾分?jǐn)?shù)％塔板效率％121塔頂91.7281.2482.86塔釜1.9660.7781129塔頂92.6883.2097.14塔釜2.2850.9062表3.6部分回流條件下精餾塔數(shù)據(jù)處理表回流比質(zhì)量分?jǐn)?shù)％摩爾分?jǐn)?shù)％汽化潛熱KJ/Kmol比熱KJ*Kmol-C-q值塔板效率％R=3塔頂90.1378.124.12*10487.281.13498.14塔釜1.6460.6502進(jìn)料41.5721.71R=5塔頂90.1378.124.12*10487.281.13495.14塔釜1.0080.3966進(jìn)料41.5721.71板式塔的分離效率主要全塔效率（塔效率E），影響塔效率E的因素很多，TT主要有操作因素，設(shè)備因素和物系因素三類［4］。某塔在不同操作條件得出的塔效率，只能代表該次試驗(yàn)的全部條件同時(shí)存在時(shí)的全塔效率的值。當(dāng)塔的結(jié)構(gòu)因素固定，物系相同，影響的最主要因素是操作因素，而回流比是諸多操作因素最主要的影響因素，當(dāng)精餾塔全回流操作時(shí)，理論塔板數(shù)最少，當(dāng)改變回流比會對塔效率產(chǎn)生影響［5］。板式塔的分離效率的研究是當(dāng)今傳質(zhì)與分離研究的熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外在精餾領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了許多科研成果和全新的研究方向，已經(jīng)由二組分分離向多組分分離發(fā)展，出現(xiàn)了許多像催化精餾，加鹽精餾等新課題，對這些精餾過程塔效率的研究已經(jīng)成為研究焦點(diǎn)［6］。圖3.1乙醇-水t-x-y圖3.2條件1全回流條件下理論塔板數(shù)圖圖3.3條件1全回流條件下理論塔板數(shù)圖圖3.4回流比R=3條件下理論塔板數(shù)圖圖3.5回流比R=5條件下理論塔板數(shù)圖結(jié)論加熱功率不同，精餾塔的分離效率（塔效率）不同，不同操作方式的精餾塔的塔效率不同。全回流操作時(shí)，加熱電壓為121V的全回流條件下塔效率為82.86%，加熱電壓為129V的全回流條件下塔效率為97.14%。3?不同回流比時(shí)，塔效率不同，R=3時(shí)，塔效率為98.14%,R=5時(shí)，塔效率為95.14%。參考文獻(xiàn)陳敏恒等.化工原理.下冊.第二版。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000劉家祺等.化工傳質(zhì)與分離過程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995王志愧等.化工原理.第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004蘭州石油機(jī)械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù).北京：烴加工出版社，1990劉家祺等.分離過程.北京：化