（化學(xué)工藝專業(yè)論文）非均相共沸間歇精餾控制回流操作的研究.pdf

沈m 化t 學(xué)院碩= j 學(xué)位論文 摘要 非均相共沸間歇精餾控制回流操作的研究 摘要 本文針對(duì)非均相共沸問(wèn)歇精餾控制回流操作的特點(diǎn)，對(duì)非均相共沸間 歇精餾體系進(jìn)行深入的研究。提出將牛頓一拉普森法和兩點(diǎn)隱含法相結(jié)合 的訓(xùn)算模型。非均相共沸體系具有強(qiáng)非理想性，氣液相平衡模型及液液相 平衡均采用u n i f a c 模型，采用切平面判據(jù)法對(duì)進(jìn)入液體分層器的液體進(jìn) 行液相穩(wěn)定性測(cè)試，提供液液相分離計(jì)算的初值，再結(jié)合牛頓拉普森迭 代法運(yùn)算求得分層率，根據(jù)物料平衡求出各相組成，經(jīng)循環(huán)迭代可以求得 分層各組分相關(guān)數(shù)據(jù)，共沸問(wèn)歇精餾模擬計(jì)算采用兩點(diǎn)隱含法進(jìn)行迭代計(jì) 算。 本文以乙醇一水一正己烷( 夾帶劑) 所組成的共沸精餾體系為例進(jìn)行研 究。以實(shí)驗(yàn)室的操作數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用這套算法對(duì)該非均相共沸體系進(jìn) 行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，證明了該算法的可靠性。同 時(shí)可以得：隨著塔頂共沸物回流溫度的增加，水相中水的含量與乙醇的含 量的比值先增加后減小，水相結(jié)束的時(shí)間先減小后增加，綜合考慮各種因 素，本實(shí)驗(yàn)物系的回流溫度為2 7 時(shí)，分離效果較好。 通過(guò)調(diào)節(jié)塔頂共沸物的溫度可以有效地控制共沸間歇精餾過(guò)程。通過(guò) 對(duì)不同目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析：隨著塔頂共沸物溫度的增加，：分離效果先提高 后降低。 利用v i s u a l b a s i c 語(yǔ)言的可靠性，對(duì)文中物性參數(shù)的擬合、液相穩(wěn)定性 測(cè)試、液液相平衡分離、模擬計(jì)算的程序進(jìn)行了編寫。 烷 關(guān)鍵詞：共沸精餾，間歇，液液相平衡，模擬計(jì)算，乙醇，水，正己 陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s t u d yo nt h eo p e r a t i o no fr e f l u ef o r h e t e r o g e n o u sa z e o t r o p i cb a t c hd i s t i l l a l l i o n a b s t r a c t h e t e r 0 2 e n o u sa z e o t r o p i cb a t c hd i s t i l l a t i o ni sc h a r a c t e r e d lf o rt h eo p e r a t i o n o fr e f l u x 。t h e a z e o t r o p i c d i s t i l t a t i o no ft h e s y s t e m i ss t u d i e d ，d u et ot h e n o n i d e a lb e h a v i o r ，u n i f a cm o d e lisu s e dt o d e p i c ty a p o r l i q u i d a n d l i q u i d l i q u i de q u i l i b r i u mb e h a v i o ro ft h es y s t e m c o n c e r n i n gt h el i q u i di nt h e d e c a n t e r ，t h es t a b i l i t y i sc h e c k e db yt a n g e n tp l a n es t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n dt h e i n i t i a l i z a t i o no fp h a s es p l i t t i n gc a l c u l a t i o ni sp r o d u c e d ag o o de s t i m a t eo ft h e p h a s ef r a c t i o ni sg o t t e nb ys u c c e s s i v es u b s t i t u t i o nw i t hn e w t o n sm e t h o d a n d e v e r yc o m p o n e n to f t w op h a s e si sg o t t e nb ym a s se q u i l i b r i u me q u a t i o n f i n a l l y ， t h es o l u t i o no ft h is e q u a t i o n i s p r o d u c e d w i t hs u c c e s s i v es u b s t i t u t i o n c a l c u l a t i o n t h ec o n n o t a t i o no ft w op i o n t sm e t h o di su s e dt os i m u l a t i o no f a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o n n e w t o n sm e t h o da n dc o n n o t a t i o no ft w op i o n t sm e t h o d i sc o m b i n e d t h ea z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o no ft h es y s t e me t h a n o l w a t e r h e x a n e ( a g e n t ) i s s t u d i e d b yv i r t u e o ft h i sc o m b i n e dc a l c u l a t i o nm e t h o d t h es i m u l a t i o ni s b e g u nw i t he x p e r i m e n td a t aa sb a s i c a ld a t a t h er e s u l t s0 fs i m u l a t i o na c c o r d w i t ht h ee x p e r i m e n td a t a w h i c hp r o v e dt h a tt h ec o m b i n e dc a l c u l a t i o nm e t h o d i sc r e d i b l e t h et e m p e r a t u r ei s 2 7 ( 2 ，t h ee f f e c to fs e p a r a t i o ni sp r e f e r a b ef o r t h es y s t e m h e t e r o g e n o u sa z e o t r o p i cb a t c hd i s t i l l a t i o ni sc o n t r o l l e db yo p e r a t i n gt h e t e m p e r a t u r eo ft h er e f l u x b ya n a l y z i n gd i f f e r e n tg o a lf u n c t i o n ，t h e r ei s a o p t i m i z a t i o nv a l u e ，a st h ei n c r e a s i n gt h et e m p a r t u r eo fr e f l u k b yv i r t u e o fak i n d o fc o m p u t e r l a n g u a g e v i s u a l b a s i c ，t h eb i n a r y p a r a m e t e r sa n dt e r n a r yp a r a m e t e r si sc o r r e l a t e d ，s t a b i l i t yo fo r i g i n a ll i q u i di s c h e c k e d ，l i q u i d p h a s es p l i t t i n g c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o no f h e t e r o g e n o u s a z r o t r o p i cb a t c hd i s t i l l a t i o na r ep e r f o r m e d k e yw o r d s ：a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o n ，b a t c h ，l l e ，s i r e u l a t i o n ，e t h a n o l w a t e r ，h e x a n e 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得研究成果。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所作的貢 獻(xiàn)也已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謂十意。 研究生簽名：日期 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 沈陽(yáng)化工學(xué)院有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可 以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì) 論文的內(nèi)容相一致。在保密期外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包 括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 報(bào)刊刊登) 授權(quán)沈陽(yáng)化工 學(xué)院研究生部辦理。 研究生簽名 導(dǎo)師簽名：日期： 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 第一章文獻(xiàn)綜述 間歇精餾是把特定量的液體混合物精餾成產(chǎn)品的過(guò)程。間歇精餾給人們的印象是一 個(gè)古老的分離過(guò)程。2 0 世紀(jì)5 0 年代，化學(xué)工程師的任務(wù)之一是將間歇精餾過(guò)程變成連 續(xù)過(guò)程。的確，煉油和石油化工生產(chǎn)的特點(diǎn)是大噸位、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此開(kāi)發(fā)連續(xù)精餾過(guò) 程是合適的。但是化學(xué)工業(yè)發(fā)展到今天，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)從大宗石油化工生產(chǎn)向精細(xì)化工 進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。精細(xì)化工生產(chǎn)把注意力放在創(chuàng)新上，要求快速生產(chǎn)出市場(chǎng)上急需的新產(chǎn) 品，其特點(diǎn)是小批量、多品種、產(chǎn)值高、以同一種過(guò)程采用不同操作條件得到系列產(chǎn) 品。因此，許多產(chǎn)品生產(chǎn)不采用連續(xù)過(guò)程，而且也有許多產(chǎn)品生產(chǎn)由連續(xù)改成間歇方法 更為經(jīng)濟(jì)，使生產(chǎn)安排上更具有彈性。間歇精餾是應(yīng)用最多的一神間歇過(guò)程，所以對(duì)這 一古老過(guò)程應(yīng)當(dāng)刮目相看，應(yīng)用近代化學(xué)工程的成就進(jìn)一步研究間歇精餾過(guò)程“】。 間歇精餾是精細(xì)化工、制藥領(lǐng)域廣泛采用的分離方式，尤其適用于處理量少，經(jīng)常 改變分離任務(wù)的場(chǎng)合。間歇精餾主要有以下特點(diǎn)n 】： 1 、小規(guī)模、小批量生產(chǎn)； 2 、在同一設(shè)備中完成不同的分離任務(wù)，如根據(jù)季節(jié)不同處理不同的進(jìn)料得到不同 的產(chǎn)品； 3 、進(jìn)料組成時(shí)常變化，難以進(jìn)行有效的連續(xù)操作； 4 、處理含固體或易形成固體沉淀、焦油等污垢的物料。 由于間歇精餾的適用性強(qiáng)，操作靈活，投資少，適于處理原料成分復(fù)雜的多元物系， 在精細(xì)化工等部門得到了廣泛的應(yīng)用。又因?yàn)殚g歇精餾過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性可以推廣到連續(xù) 精餾的開(kāi)工過(guò)程中去，具有實(shí)際意義，所以眾多學(xué)者對(duì)如何提高間歇精餾的分離能力， 如何使間歇精餾的設(shè)計(jì)和操作做到最合理進(jìn)行了大量的研究工作。 1 1 間歇精餾 1 1 1 間歇精餾操作策略的研究 1 、對(duì)于間歇精餾操作策略的研究，近年來(lái)研究最多的是優(yōu)化變回流比操作，從優(yōu) 化變回流比操作的目標(biāo)函數(shù)來(lái)看，學(xué)者們做了大量的工作。 研究最早的是最大產(chǎn)量目標(biāo)函數(shù)。c o n v e r s e o “1 等在六十年代初期就對(duì)二元物系的 產(chǎn)品餾出速率策略進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化變回流比策略比常用的恒回流比 操作策略及恒塔頂濃度操作策略的目標(biāo)函數(shù)最大可提高5 。k e i t h “：| 等對(duì)二元無(wú)持液間 歇精餾填料塔的回流比策略及氣速策略以最大產(chǎn)量目標(biāo)函數(shù)同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算 結(jié)果表明回流比和氣速的同時(shí)優(yōu)化可進(jìn)一步提高產(chǎn)品的獲得量。 c o w a r d “1 將現(xiàn)代控制理論中的龐特里雅金( p o n t r y a g i n ) 最大值原理應(yīng)用于間歇精 餾的優(yōu)化計(jì)算中，解決了以最短操作時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)的回流比優(yōu)化策略問(wèn)題，使操作時(shí) 間縮短了5 左右。不久m a y u r ”等將這個(gè)問(wèn)題推廣到多組分物系，分別對(duì)多元無(wú)持液和 二元有持液的體系進(jìn)行了研究，在其多組分計(jì)算條件下，最優(yōu)分段恒回流比操作比整個(gè) 沈陽(yáng)化t 學(xué)院碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 過(guò)程恒回流比操作時(shí)間節(jié)省1 2 。而最優(yōu)連續(xù)變化回流比操作比最優(yōu)分段恒回流比操作 節(jié)省時(shí)間2 5 。楊志才等* 1 對(duì)變氣速的全回流操作進(jìn)行了最小時(shí)間優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化 變氣速操作策略可使操作時(shí)間比恒氣速操作縮短5 0 。 k e r k h o f 0 1 等提出最大經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)，考慮了過(guò)程開(kāi)停車所需的時(shí)間和產(chǎn)品、原料、 能源等的價(jià)值，對(duì)二元無(wú)持液間歇精餾過(guò)程的回流比策略進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表 明在二元無(wú)持液間歇精餾過(guò)程的條件下，優(yōu)化變回流比操作策略比優(yōu)化恒回流比操作策 略的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)可高出2 5 到1 0 0 ，比優(yōu)化塔頂組成變回流比操作策略的經(jīng)濟(jì)效 益目標(biāo)函數(shù)高出0 到4 0 。余國(guó)琮、王宇新“”在二元物系的最優(yōu)回流比問(wèn)題研究中，綜 合考慮了塔身各板持液量及板效率，在計(jì)算條件下，使最大經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)比常規(guī)操 作提高了2 0 0 以上。 2 、楊志才n ”。3 在采用綜合回流比操作策略的同時(shí)，提出了變壓強(qiáng)操作，并對(duì)這種 操作方式進(jìn)行了模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了間歇精餾變參數(shù)操作的微機(jī)控制。結(jié)果表 明，該操作方式所獲得的經(jīng)濟(jì)效益比常規(guī)操作有較大的提高。邵百祥“”在變壓強(qiáng)綜合回 流比操作的基礎(chǔ)上考慮氣體負(fù)荷的變化，并對(duì)這種多參數(shù)協(xié)變操作方法進(jìn)行了模擬計(jì)算 及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在計(jì)算條件下，多參數(shù)協(xié)變操作比常規(guī)操作的經(jīng)濟(jì)效益提高2 2 6 。 3 、李文秀“”提出了控制持液量的操作方法，通過(guò)在適當(dāng)時(shí)刻從塔身抽走適量的的 中間餾分，減弱了濃度拖尾現(xiàn)象，明顯的提高了生產(chǎn)效率，并對(duì)多參數(shù)控制持液量操作 進(jìn)行了模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在該實(shí)驗(yàn)條件下，多參數(shù)控制持液量操作與常規(guī)操作相比， 總經(jīng)濟(jì)效益提高了7 4 2 。 1 1 2 設(shè)備參數(shù)的研究 間歇精餾塔的設(shè)備參數(shù)對(duì)分離效果的影響是相當(dāng)大的。 k e r k h o f 。1 在不考慮塔內(nèi)持液量的情況下提出了固定分離任務(wù)分離難度因子的概念 q 值不僅在定程度上描述了間歇精餾塔設(shè)備完成一定分離任務(wù)的難易程度，同時(shí) 它也反映了精餾塔的理論板數(shù)對(duì)分離效果所起的重要作用。l u y b e n “5 = 也曾對(duì)生產(chǎn)能力受 理論板數(shù)的影響做了大量的討論，總的結(jié)論是增加理論板數(shù)對(duì)分離能力的影響有雙重作 用。 所謂設(shè)備參數(shù)包括理論板數(shù)、塔徑、塔高、單位填料體積中的持液量以及塔釜和塔 頂?shù)某忠毫?。本文針?duì)理論板數(shù)和持液量的影響作一些簡(jiǎn)單的討論。 1 、理論板數(shù) 一定量的理論板數(shù)是完成分離任務(wù)的保證，理論板數(shù)較少，達(dá)不到一定的濃縮倍數(shù)， 對(duì)組分的收率影響很大。隨著板數(shù)的增加，組分收率的增加由快變慢，當(dāng)板數(shù)大到一定 程度時(shí)，組分收率基本保持在一個(gè)小于1 0 0 的極限值。此時(shí)，無(wú)論怎樣提高理論板數(shù)， 對(duì)于輕組分總存在著一個(gè)極限消耗量。它只能作為過(guò)渡餾分返鍋進(jìn)行再一次分離，因此 理論板數(shù)過(guò)高并無(wú)益處。 2 、持液量 對(duì)于外回流式精餾設(shè)備，塔頂持液對(duì)液相出料起到儲(chǔ)存的作用，同時(shí)有利于回流比 的調(diào)節(jié)，當(dāng)操作出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，有穩(wěn)定濃度的作用。但是，它的存在對(duì)分離效果有很大的 影響，會(huì)降低產(chǎn)品收率，提高過(guò)渡段損耗率。 一 i l q 沈mi c h 丁學(xué)腕碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 塔身持液加長(zhǎng)了開(kāi)工時(shí)間，增加了過(guò)渡餾分的量，使塔內(nèi)濃度變化趨于遲鈍，助長(zhǎng) 了輕組分濃度的拖尾。但對(duì)于即將結(jié)束的產(chǎn)品餾出段來(lái)說(shuō)，可以使塔頂在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi) 維持較高的產(chǎn)品濃度。因此，在塔身持液量較少時(shí)，適當(dāng)增加持液量有利于組分收率的 提高。 1 1 3 設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究 l 、提餾式糖餾塔 提餾式間歇精餾塔的塔頂設(shè)有儲(chǔ)液罐，塔釜基本不存料液，它適用于多元溶液中難 揮發(fā)組分是所要產(chǎn)品的情況，減少了過(guò)渡段數(shù)，也減少了塔內(nèi)物料成分的變化，因?yàn)楦?沸點(diǎn)的產(chǎn)品可直接從塔底餾出，改變了用精餾式間歇精餾塔時(shí)必須逐個(gè)從塔頂餾出易揮 發(fā)組分，經(jīng)過(guò)多個(gè)過(guò)渡段才能蒸出難揮發(fā)產(chǎn)品的情況，節(jié)省了能源，提高了分離效率。 2 、反向間歇精餾塔 在間歇精餾塔中，當(dāng)某些重組分是被提取的主要對(duì)象，且該組：分還有一定熱敏性， 經(jīng)不起高溫操作，這種情況下可采用反向間歇精餾塔。這種塔不同二f 常規(guī)塔，被處理物 料存于塔頂，產(chǎn)品從塔底餾出，首先餾出重組分，開(kāi)工過(guò)程所需時(shí)間短，操作周期短， 能耗低。這種塔最早是由r o b i n s o n “”于1 9 5 0 年提出，s p r e n s e n 和s k o g e s t a d “”對(duì)常規(guī) 塔和反向塔的動(dòng)態(tài)特性及最優(yōu)操作進(jìn)行了比較 較高時(shí)，使用反向塔比常規(guī)塔節(jié)省一半的時(shí)間 省的時(shí)間越明顯。 3 、中間罐間歇精餾 結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)料混合物中重組分含量 而且處理量越大，相對(duì)揮發(fā)度越小，節(jié) 該塔的塔頂、塔底同時(shí)餾出產(chǎn)品，而料液基本儲(chǔ)存于塔中部的儲(chǔ)罐內(nèi)。在該塔內(nèi)進(jìn) 行間歇精餾過(guò)程時(shí)，綜合了精餾式與提餾式間歇精餾塔的雙重作用，生產(chǎn)能力提高，節(jié) 能效果明顯，并對(duì)某些熱敏物料的分離有特殊有益的效果，是一種有潛在優(yōu)勢(shì)的間歇精 餾塔結(jié)構(gòu)。這種塔最早是由r o b i n s o n 和g i l l i l a n d “”于1 9 5 0 年提出的，h a s e b e “認(rèn)為 這種塔比較適用于中間組分的提純，并可表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。d i w e k a r “”對(duì)塔頂和塔 底這兩個(gè)控制級(jí)之間的相互影響進(jìn)行了分析，提出變回流比和變?cè)俜新什呗?，并指出?餾段和提餾段上升速率之比是另一個(gè)重要的控制參數(shù)。 1 1 4 特殊精餾的研究 隨著間歇生產(chǎn)形式的擴(kuò)展，間歇精餾的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，派生出許多間歇精餾新 過(guò)程，例如：熱敏物料的間歇精餾，高凝固點(diǎn)物料的間歇精餾。這些被分離物料本身的 特點(diǎn)，是間歇精餾過(guò)程必須滿足一定的特殊要求，遵循一定的分離規(guī)律，形成了間歇精 餾過(guò)程的特殊分支。此外，共沸精餾，萃取精餾采用間歇操作的日益增多，它們也形成 了間歇精餾的特殊分支。一般的精餾操作是以液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同為依據(jù) 的，組分間揮發(fā)度差別越大，越容易分離。但若溶液中兩組分的揮發(fā)度非常接近，為完 成一定分離任務(wù)，所需塔板數(shù)就非常多，故經(jīng)濟(jì)上不合理或操作上難于實(shí)現(xiàn)。又若待分 離的為共沸物( 指在一定溫度壓力下，汽液相組成和沸騰溫度恒定不變的液體混合物) 則根本不能用普通方法進(jìn)行分離。上述兩種情況可采用共沸精餾或萃取精餾來(lái)處理。這 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 兩種特殊精餾的基本原理都是在混合液中加入第三組分，以提高各組分間相對(duì)揮發(fā)度的 差別，使其得以分離。共沸精餾相對(duì)于萃取精餾來(lái)說(shuō)，雖然能耗較：，但操作溫度低， 且?jiàn)A帶劑與被分離組分形成最低共沸物，汽化后從塔頂蒸出，消耗潛熱，宜分離含量較 少的雜質(zhì)。而且共沸精餾既適用于連續(xù)操作，又適用于間歇操作，并且宣于實(shí)驗(yàn)室及小 規(guī)模生產(chǎn)。所以很多學(xué)者都致力于研究共沸精餾的過(guò)程。 1 2 共沸精餾 i 2 i 共沸精餾的原理 對(duì)存在共沸物的系統(tǒng)應(yīng)用糖餾過(guò)程進(jìn)行分離時(shí)其結(jié)果取決于物系的性質(zhì)，操作條件 及物料各組分的相對(duì)含量等各因素。根據(jù)這類物系的氣液相平衡關(guān)系，可以了解這種系 統(tǒng)共沸精餾時(shí)的行為。 根據(jù)精餾過(guò)程的規(guī)律，當(dāng)任何組成的三組分系統(tǒng)進(jìn)行精餾時(shí)，第一餾分總是得到雙 組分共沸物。但是組成不同的混合物的精餾過(guò)程行為是不同的，通過(guò)三角形相圖i 1 表 示。a 和c 為純組分。當(dāng)原溶液組成為f 點(diǎn)，加入共沸劑s 以后，物系的組成將沿著f s 線向著s 點(diǎn)方向移動(dòng)，當(dāng)加入共沸劑的量適當(dāng)時(shí)，物系的總組成移動(dòng)到m 點(diǎn)，塔底采出 不含共沸劑，同時(shí)被分離的共沸組分a 完全和共沸劑形成共沸物由塔頂蒸出。因此，塔 釜液幾乎是純組分c ，餾出液的組成幾乎等于或接近于共沸物組成。若加入的共沸劑數(shù) 量不足，不能將組分a 完全以共沸物的形式從塔頂蒸出，則釜液中也有一定量的組分 a ( 圖1 2 1 所示) ，若加入的夾帶劑過(guò)量時(shí)，則塔底產(chǎn)品中含有一定數(shù)量的共沸劑( 圖 1 2 2 所示) ，顯然這兩種情況都是不適宜的。 。念。企c 。眾。 圖i 1 三角形相圖圖i 2 1 共沸劑不足圖1 2 2 共沸劑過(guò)量 1 2 2 共沸點(diǎn)的熱力學(xué) 對(duì)多組分的氣液系統(tǒng)中某一組分的平衡常數(shù)k i 定義為： 畢妻= 特l l mz ， 其中，y i 和x i 為組分i 在氣液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。體系非理想的程度表示為液相活度系數(shù)一。 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 最高共沸點(diǎn)出現(xiàn)在與r a o u l t 定律發(fā)生負(fù)偏離的情況下( ，- 1 0 ) 。與r a o u l t 定律發(fā)生正偏離非常大的情況 l ( 一1 0 ) ，可能發(fā)生液液分層，形成非均相最低共沸點(diǎn)。 共沸物組成與壓力有關(guān)，隨著壓力的改變，共沸物的組成發(fā)生變化，甚至有可能在整個(gè) 濃度范圍內(nèi)不再出現(xiàn)共沸點(diǎn)。如圖1 3 所示，平衡線的壓力1 令h ，= l n ( x ) ，y l a = h l ，y 2 b _ h 2 ，y 2 a = l e 一9 ，y 3 a = 1 e 9 ；y l b = l e 9 ；y 3 b = = 1 e 9 ( 2 ) d ，= l n y i + i n y i h 。( y i = y i a 或y i = y i b ) 建立d 。= l n y i + l n 2 ，一h i 對(duì)y i 的雅可比矩陣j j y = 一d y ( t 州) = y ( i ) + y 用牛頓一拉普森循環(huán)迭代法求解 ( 3 ) g ( y ) = 1 + y i d n x + i n y i h 一1 】 l = l r ( y ) = 2 9 + 1 3 c 其中= ( y l z ；) ( o g + o y 。) i = 1 如果r o 8 ，則認(rèn)為原來(lái)的混合物穩(wěn)定。 如果兩個(gè)根收斂在同一值，或者y i i ，則認(rèn)為混合物不穩(wěn)定。 1 = 1 ( 4 ) 得到收斂根y i a ，y m ( 2 2 1 7 ) ( 2 2 1 8 ) ( 2 2 1 9 ) ( 2 2 2 0 ) ( 2 2 2 1 ) ( 2 2 2 2 ) 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 第二蘋非均相共沸問(wèn)歇精餾的模擬計(jì)算 結(jié)束 2 5 主程序的計(jì)算框圖 2 l 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 第二章非均相共沸間歇精餾的模擬汁算 圖2 6 液相分離計(jì)算的計(jì)算框圖 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩?！疽粚W(xué)位論文 第二章非均相共 弗間歇精餾的模擬計(jì)算 x 。：甚馮。：善 y 認(rèn)b i = 1 悼】 s 作為液液分層計(jì)算中向分層系數(shù)的初值。 2 3 熱力學(xué)的分析與計(jì)算 2 3 1 活度系數(shù)的計(jì)算 在研究實(shí)際溶液的，一x 關(guān)系中，不管是什么溶液模型，無(wú)論得出什么樣的y “半 經(jīng)驗(yàn)公式，都是以過(guò)剩自由焓g 。模型不同為基礎(chǔ)，將活度系數(shù)的模型分為三類： 1 、正規(guī)溶液 這類溶液的s 5 = 0 或s 5 很小，可以忽略不計(jì)，其所以非理想的原因是因?yàn)閔 6 0 ， 即g 6 = h 。w o h l 型方程就是在正規(guī)溶液的基礎(chǔ)上獲得的，其中包括熟知的v a nl a a r 方程和m a r g u l e s 方程。初看起來(lái)似乎用w o h l 方程可以解決所用實(shí)際溶液的活度系數(shù)與 組成間的定量關(guān)系，實(shí)際上用w o h l 型方程是基于正規(guī)溶液這一基礎(chǔ)之上的。而要研究 的氣液平衡關(guān)系是多種多樣的，特別是對(duì)于強(qiáng)極性物質(zhì)、非理想性很高的組分，如組分 是含有氫鍵的物質(zhì)，需要用另外的過(guò)剩自由焓模型。 2 、無(wú)熱溶液 這類實(shí)際溶液的h 6 2 0 或h 5 很小，可以忽略不計(jì)，其所以非理想的原因是因?yàn)?s 。0 。由于h 6 是溶解過(guò)程的熱效應(yīng)，故稱這類溶液為無(wú)熱溶液?，F(xiàn)在用得比較廣泛 的w i l s o n 方程，n r t l 方程以及u n i q u c 方程都是在無(wú)熱溶液的基礎(chǔ)上獲得的。其缺 點(diǎn)是此方程不能用在不互溶區(qū)：如果要表達(dá)整個(gè)濃度區(qū)間的數(shù)據(jù)，其方程參數(shù)不能呈負(fù) 值：在參數(shù)擬合時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多峰性。后兩者具有前者的優(yōu)點(diǎn)，而且能用于不互溶的 濃度區(qū)間。 3 、基于官能團(tuán)概念的活度系數(shù)模型 除了上述基于局部組成概念的方程式之外，在化工計(jì)算中比較廣泛采用的還有 a s o g 和u n i f a c 兩種基團(tuán)貢獻(xiàn)模型?；鶊F(tuán)貢獻(xiàn)模型的優(yōu)點(diǎn)是是物性的預(yù)測(cè)大為簡(jiǎn)化， 在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，如不進(jìn)行專門的測(cè)定，前兩類模型的參數(shù)值將無(wú)法確定。而 通過(guò)利用含用同種基團(tuán)的其它體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未知體系的活度系數(shù)可以解決這 個(gè)問(wèn)題。 沈陽(yáng) t i 學(xué)院碩十學(xué)位論文第二章非均相共沸間歇精餾的模擬計(jì)算 本文采用了u n i f a c 模型校正液相非理想性”“。 l n y = l n ，l ( 組音) + l n y ( 剩余) n h = h ( 詈 + ( 三 。一n ( 岳) “一( 詈 喜x 1 j = ( r j = n ：r 。 q 。= n ：q 。 n ) 一( r j 一，) l n = 芝n ：0 嘰 氧：盟 q 。x 。 n 沌 n ：x i 1 1k = l 吼p ( 半 式中口j k 可以查得 7 2 7 3 。 2 3 2 焓值的計(jì)算 島中j k j = l 已m 止 瓦m 。 ( 2 ，2 2 3 ) ( 2 ，2 2 4 ) ( 2 ，2 2 5 ) ( 2 2 2 6 ) ( 2 2 2 7 ) ( 2 2 2 8 ) ( 2 2 2 9 ) ( 2 2 ，3 0 ) ( 2 2 3 1 ) ( 2 2 3 2 ) 1 、氣相焓的計(jì)算 以o k 、系統(tǒng)壓力下純組分理想氣體為焓值的基準(zhǔn)狀態(tài)，則純組分理想氣體在溫度t 時(shí)的焓值可由下列積分求得： ，。l 。h ，。l n一 一 一 kq = k rn 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩= 1 學(xué)位論文 第二章非均相共沸間歇精餾的模擬計(jì)算 h ：= c 。d t 式中t o = 0 k 。 理想氣體的焓具有加和性，混合物的焓等于各組分焓之和 h 1 = y ，h = l 式中y i 為氣相的摩爾分率。 對(duì)真實(shí)氣體混合物，還需加上由狀態(tài)方程求得的焓偏差。 式中a h 為溫度t , n l 壓, g j p 下真實(shí)氣體摩爾焓對(duì)同一溫度和組成下理想氣體摩爾焓的修 正項(xiàng)。 塒2 r 覯 p 式中v 為氣體摩爾體積，可用維里方程求出。 姐2 嘻窆m = l 。b t 魯j l = 【 u 2 、液體焓的計(jì)算 液相焓和氣相焓取同樣的基準(zhǔn)： h l = h + 窆x 。_ 。 h l 的求法與h v 的方法相同，其中y 由x 代替；a h i 為組分i 在溫度t 、 x 下，相對(duì)于純理想蒸汽i 在同溫度下摩爾焓的偏摩爾焓 每一組分i 的偏摩爾焓由吉布斯一赫姆霍茲方程求出： f 塑生1 ：一坐 l 訂j 。 r t 2 壓力p 及組成 ( 2 2 3 9 ) 帕，x 觸x p 剝 弦。 式中擎是液相混合物中組分i 的逸度，中。純液體i 在溫度t 時(shí)校正到零壓的逸度。 將式( 2 2 3 5 ) 代入到( 2 2 3 3 ) 中得： 毒r t 2 爿。毒盯( 、d n e ，l 。啪卜崎d v l ) ( 2 z t - ， 對(duì)于中低壓力，式( 2 2 3 6 ) 中最后一項(xiàng)可以忽略不計(jì)。 式( 2 2 3 6 ) 中第三項(xiàng)給出的是與同溫摩同紹成殫摁蒸汽相對(duì)府的彈梗諦蝕滑合物f 協(xié) 沈陽(yáng)化t 學(xué)院碩士學(xué)位論文第二章非均相共沸問(wèn)歇精餾的模擬汁算 正到零壓后) 的焓。第二項(xiàng)給出了過(guò)剩焓，即液體混合焓。但一般沒(méi)有條件計(jì)算第二項(xiàng)。 好在與第一、第三項(xiàng)相比，它占的比例不大，可以忽略。 純液體標(biāo)準(zhǔn)逸度可以寫成下列形式： l n f p 。= c 】i + c 2 i t _ 1 + c3 ，t + c 4 i l n t + c 5 。t 2 式中c 。液體i 的常數(shù)，從有關(guān)資料口”中可查到。 式( 2 ，2 3 6 ) 的第三項(xiàng)為： 喜x f ( 等 = r 豁( - c 2 i - - | - c 3 i t 2 + c 4 , t + 2 c s i t 3 ) 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文第三章非均相共沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 第三章非均相共沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3 1 物系的選擇 由于乙醇一永共沸體系較普遍，而且原料廉價(jià)易得，故選用乙醇一：7 k 共沸體系。就工業(yè) 乙醇制備無(wú)水乙醇而言，適用的夾帶劑有苯、正己烷、環(huán)己烷、乙酸乙酯等。它們都能 與水一乙醇形成多種共沸物，而且其中的三元共沸物在室溫下又可分為兩相，一相富含 夾帶劑，另一相富含水。前者可以循環(huán)使用，后者又很容易分離出來(lái)，這樣使得整個(gè)分 離過(guò)程大為簡(jiǎn)化。表3 1 給出了幾種常用的夾帶劑及其形成三元共沸物的有關(guān)數(shù)據(jù)o “： 關(guān)于夾帶劑的選擇，晟近發(fā)展了用烷烴做夾帶劑脫除醇中水的方法，有研究表明，用 烷烴做夾帶劑，生產(chǎn)無(wú)水乙醇的成本可降低1 2 。當(dāng)正己烷被加入乙醇一水系統(tǒng)以后可 以形成四種共沸物，一是乙醇一水一正己烷三者形成一個(gè)三元共沸物，二是它們之間又 可形成三個(gè)二元共沸物。它們的共沸物性質(zhì)如表3 2 所示o “： 表3 1 常壓下夾帶劑與水、乙醇形成三元共沸物的數(shù)據(jù) 物系 乙醇水 永一正己烷 乙醇一正己烷 z 目 1 k 一正已烷 共沸點(diǎn) ( ，) 7 8 1 7 4 6 1 5 s 5 8 6 8 5 6 0 0 共沸組成( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 乙醇 9 5 5 7 水 4 4 3 5 6 2 1 0 2 1 1 9 8 3 0 0 正己烷 9 44 0 7 8 9 8 8 5 0 2 在共沸點(diǎn)分 相液的相態(tài) 均相 非均相 均相 非均相 3 1 2 決定精餾區(qū) 具有共沸物系統(tǒng)的精餾進(jìn)程與普通精餾不同，表現(xiàn)在精餾產(chǎn)物不僅與塔的分離能力 有關(guān)，而且與進(jìn)塔總組成落在哪個(gè)濃度區(qū)域有關(guān)。因?yàn)榫s塔中的溫度沿塔向上是逐板 降低，不會(huì)出現(xiàn)極值點(diǎn)。只要塔的分離能力( 回流比、塔板數(shù)) 足夠大，塔頂產(chǎn)物可為 溫度曲線的最低點(diǎn)，塔底產(chǎn)物可為溫度曲線上的最高點(diǎn)。因此，當(dāng)溫度曲線在全濃度范 圍j 內(nèi)出現(xiàn)極值點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)將成為精餾路線通過(guò)的障礙。于是，精餾產(chǎn)物按混合液的總組 2 7 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩士學(xué)位論文 第三章非均相共沸問(wèn)歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 精餾區(qū)。 當(dāng)添加一定數(shù)量的正己烷于工業(yè)乙醇蒸餾塔時(shí)，整個(gè)精餾過(guò)程可以用圖3 1 加以說(shuō) 明。圖上a 、b 、w 分別表示乙醇、正己烷、和水的純物質(zhì)，c 、d 、e 點(diǎn)分別代表三個(gè) 二元共沸物，t 點(diǎn)為a b w 三元共沸物。曲線b n w 為三元混合物在2 5 時(shí)的溶解度曲 線。曲線以下為兩相共存區(qū)，以上為均相區(qū)，該曲線受溫度的影響而上下波動(dòng)。圖中的三 元共沸物組成點(diǎn)t 室溫下是處在兩相區(qū)內(nèi)。 5 8 6 8 | c b 6 8 7 4 a7 8 3 圖3 1 共沸精餾原理圖 以t 點(diǎn)為中心，連接三種物質(zhì)a 、b 、w 和三個(gè)二元共沸組成點(diǎn)c 、d 、e ，則該三 角形相圖被分成六個(gè)小三角形。當(dāng)塔頂混相回流( 既回流液組成與塔頂上升蒸汽組成相同) 時(shí)，如果原料液的組成落在某個(gè)小三角形內(nèi)，那么間歇精餾的結(jié)果只能得到這個(gè)小三角形 三個(gè)頂點(diǎn)所代表的物質(zhì)。為此要想得到無(wú)水乙醇，就應(yīng)保證原料液總組成落在包含頂點(diǎn)a 在內(nèi)的小三角形內(nèi)。但由于乙醇一水的二元共沸點(diǎn)與乙醇沸點(diǎn)相差極小，僅僅0 1 5 ，很 難將兩者分開(kāi)，而乙醇一正己烷的共沸點(diǎn)與乙醇的沸點(diǎn)相差1 9 6 2 ，很容易將它們分開(kāi)， 所以只能將原料液的總組成配制在三角形a t d 內(nèi)。 圖中f 代表乙醇一水混合物的組成，隨著夾帶劑正己烷的加入，原料液的總組成將沿 著f b 線而變化，并將與a t 線相交于g 點(diǎn)。這時(shí)，夾帶劑的加入量稱為理論夾帶劑用量， 它是達(dá)到分離目的所需晟少的夾帶劑用量。如果塔有足夠的分離能力，則間歇精餾時(shí)三元 共沸物從塔頂餾出( 5 6 ) ，釜液組成就沿著a t 線向a 點(diǎn)移動(dòng)。但實(shí)際操作時(shí)，往往總 將夾帶劑過(guò)量，以保證塔釜脫水完全。這樣，當(dāng)塔頂三元共沸物t 出完以后，接著餾出 沸點(diǎn)略高于它的二元共沸物，最后塔釜得到無(wú)水乙醇，這就是間歇操作特有的效果。 倘若將塔頂三元共沸物( 圖中t 點(diǎn)，5 64 c ) 冷凝后分成兩相。一相為油相富含正己 烷，一相為水相，利用分層器將油相回流，這樣正己烷的用量可以低于理論夾帶劑的用量。 分層回流也是實(shí)際生產(chǎn)中普遍采用的方法。它的突出優(yōu)點(diǎn)是夾帶劑用量少，夾帶劑提純的 費(fèi)用低。 3 1 3 夾帶劑用量的確定 沈陽(yáng)化t 學(xué)院碩七學(xué)位論文 第三章非均相共沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 夾帶劑理論用量的計(jì)算可利用三角形相圖按物料平衡式求解。若原溶液的組成為f 點(diǎn)，加入夾帶劑b 以后，物系的總組成將沿f b 線向著b 點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)物系的總組成移到g 點(diǎn)時(shí)，恰好能將水以三元共沸物的形式帶出，以單位原料液f 為基準(zhǔn)，對(duì)水作物料衡算 得： d x d j = f x f m ( 3 1 1 ) d = f x f m d m ( 3 1 2 ) 夾帶劑b 的理論用量為： b = d x d b ( 3 1 3 ) 式中f 一進(jìn)料量。 d 一塔頂三元共沸物的量。 b 一夾帶劑的理論用量。 x f f 一組分的原料組成。 x d i 一塔頂共沸物中i 組成。 3 1 4 夾帶劑的加入方式 夾帶劑一般可隨原料一起加入精餾塔中，若夾帶劑的揮發(fā)度比較低，則應(yīng)在加料板的 上部加入，若夾帶劑的揮發(fā)度比較高，則應(yīng)在加料板的下部加入。目的是保證全塔各板上 均有足夠的夾帶劑濃度。本文將夾帶劑與原料一起加入塔釜。 3 2 實(shí)驗(yàn)裝置概述及實(shí)驗(yàn)分析 3 2 1 實(shí)驗(yàn)裝置概述 該實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備根據(jù)非均相共沸間歇精餾的特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成的。實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)自如，操 作方便。改造后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可分為以下幾個(gè)部分t 1 、塔底部分：塔底采用加熱套加熱，為防止釜內(nèi)液體局部過(guò)熱，塔底加入硅膠鋁板。 加熱套的加熱由數(shù)字控制器( s h i m a d e n ，s r s 3 ) 調(diào)節(jié)，以保證體系壓力為定值。由于 精餾過(guò)程的塔釜蒸發(fā)溫度與操作壓力、釜液組成有關(guān)，利用數(shù)字控制器調(diào)節(jié)加熱溫度，使 操作穩(wěn)定。同時(shí)數(shù)字控制器也可以顯示塔釜的溫度。 2 、塔釜：塔釜為1 0 0 0 m l 的三口瓶，其中位于中間的一個(gè)口與塔身相連，側(cè)面的 口為測(cè)溫口，用于測(cè)量塔釜液相溫度，另一個(gè)口作為測(cè)壓口和取樣口，用于測(cè)量塔釜液相 的濃度及壓力。 3 、塔體部分：塔體是由中2 5 x 1 5 0 0 的玻璃管制成，內(nèi)裝中2 5 2 5 的0 網(wǎng)環(huán)散堆填 料，因?yàn)? 網(wǎng)環(huán)填料的空隙率和比表面積都較大有利于傳質(zhì)。為了防止上升蒸汽在塔壁上 冷凝影響傳質(zhì)效果，塔體外面有電加熱保溫層，使塔體與外界基本上無(wú)熱交換。保溫層外 沈陽(yáng)化工學(xué)院碗= b 學(xué)位論文 第三章非均相共沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 相的濃度及壓力。 3 、塔體部分：塔體是由中2 5 x1 5 0 0 的玻璃管制成，內(nèi)裝0 2 5 2 5 的e 網(wǎng)環(huán)散堆填 料，因?yàn)? 網(wǎng)環(huán)填料的空隙率和比表面積都較大有利于傳質(zhì)。為了防止上升蒸汽在塔壁 上冷凝影響傳質(zhì)效果，塔體外面有電加熱保溫層，使塔體與外界基本上無(wú)熱交換。保溫 層外套保溫帶，利用保溫帶中的電阻進(jìn)行電加熱。填料層的兩端設(shè)有u 型管壓差計(jì)，可 供隨時(shí)觀察壓降值。 4 、塔頂部分：該塔采用外回流立式冷凝器和自制的回流控溫器?；亓骺販仄魇窃?回流管上安裝一個(gè)自制橡膠袋，橡膠袋兩端同恒溫水浴相接，以保證回流溫度與恒溫水 浴溫度一致。塔頂設(shè)有二級(jí)方式冷凝器保證上升氣體全部冷凝下來(lái)，減少蒸汽損失。其 中上邊的冷凝管通自來(lái)水，下邊的冷凝管同恒溫水浴相接，通過(guò)調(diào)節(jié)水浴溫度來(lái)控制冷 卻水溫度。塔頂溫度由高精度的數(shù)顯溫控儀測(cè)量。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 2 所示。 3 2 2 色譜分析 圖3 2 實(shí)驗(yàn)裝置圖 1 加熱套2 蘭口瓶3 塔身q 加熱帶5 球形冷凝囂 6 液體分層器7 回瀛控溫囂8u 形曹壓差計(jì) 本實(shí)驗(yàn)分析部分，采用氣相色譜法。 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩學(xué)位論文第三章非均相菇沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 色譜儀型號(hào)為g s 7 8 9 0 一i i 。 色譜工作站為浙江大學(xué)信息功自& 研究所研發(fā)的雙通道色譜工作站。 選g d x 一1 0 1 作色譜固定相，流動(dòng)相為h 2 ，采用程序升溫，從1 1 0 。c 升到1 7 0 ( 2 。 采用面積校正歸一法測(cè)定各個(gè)組分的含量。其中各個(gè)組分的質(zhì)量校正因子見(jiàn)表3 3 ”： 表3 3 各組分質(zhì)量校正因子 3 3 預(yù)實(shí)驗(yàn) 3 3 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝 在精餾塔的安裝過(guò)程中，填料的填充最為重要。首先要對(duì)填料的表面進(jìn)行處理，一 般用洗滌液去掉表面污垢，目的在于提高填料表面對(duì)處理介質(zhì)的親合力，保證填料的充 分潤(rùn)濕。在填料的填充過(guò)程中，塔應(yīng)斜放操作，避免垂直加入填料是撞斷支撐架。填料 需少量分多次加入，便裝填料用手或軟物體輕輕的拍打塔體，以避免填料架橋。裝填完 畢后繼續(xù)拍打一段時(shí)間，直至填料位置不再下移為止。 填料裝好后，即進(jìn)行塔的整體安裝，首先是塔身段的安裝。安裝時(shí)，要注意塔身的 垂直，如果不垂直，則下降液體會(huì)偏流，嚴(yán)重時(shí)液體將某一側(cè)壁面流下，造成另一側(cè)填 料出現(xiàn)干區(qū)，氣、液兩相接觸面積變小，這將大大降低精餾塔的分離效率。各個(gè)接口用 凡士林封好。抽空試漏，堵漏點(diǎn)。直到不漏氣為止。其次要在塔釜、塔身等物料最易冷 凝的添加保溫層。采用加熱帶和保溫棉進(jìn)行保溫，加熱帶通過(guò)固態(tài)調(diào)壓器控制電壓，以 調(diào)節(jié)加熱量，塔釜用保溫棉罩住加熱器進(jìn)行保溫。 3 3 2 流體力學(xué)特性及分離性能的測(cè)定 做正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)該對(duì)所用設(shè)備的性能作充分的了解和鑒定。這樣可以對(duì)所 用設(shè)備有切合實(shí)際的認(rèn)識(shí)，所以對(duì)塔流體力學(xué)性能測(cè)定為本實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容。如壓差跟 流量的關(guān)系，理論塔板數(shù)跟壓差的關(guān)系等等。具體參數(shù)的測(cè)定如下： 1 、壓差跟流量之間的關(guān)系： 在精餾操作中，塔內(nèi)上升氣體的流量是重要的操作參數(shù)，合理的上升氣速是精餾塔 正常操作的必要條件，并且它影響分離組分的濃縮倍數(shù)。氣流負(fù)荷通過(guò)填料層壓降來(lái)得 知，對(duì)間歇精餾塔操作，由于操作的時(shí)變性，得到的塔內(nèi)上升氣速要! 為研究者所關(guān)切。 對(duì)于一定的填料形式，壓差和流量間存在著確定的關(guān)系： v = a p + b( 3 3 1 ) 其中，a 、b 為常數(shù)，與具體的填料及它的尺寸有關(guān)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)尚需進(jìn)一步的測(cè)定。 沈陽(yáng)化工學(xué)院碩l 學(xué)位論文第三章非均相共沸間歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 本實(shí)驗(yàn)用乙醇和異丙醇為原料液進(jìn)行蒸餾，在全回流狀態(tài)下使壓降穩(wěn)定于某一數(shù) 值，測(cè)定塔頂餾出物的體積流量，取不同的壓降重復(fù)操作，可測(cè)出不同的體積流量。再 由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪圖，可以看出，壓降和流速間基本呈線性關(guān)系，用最小二乘法進(jìn)行線 性回歸，得出： a = 0 0 3 l ，b = 一0 0 8 7 5 所以，壓降和流量之間的關(guān)系式為： v = 0 0 3 l p - - 0 0 8 7 5( 3 3 2 ) 2 、理論塔板數(shù)的測(cè)定： 精餾塔的理論塔板數(shù)是標(biāo)志塔中分離效率的主要參數(shù)，對(duì)于一定的填料，它主要受 上升蒸汽的影響。 選用乙醇一異丙醇物系，在全回流下使操作穩(wěn)定于某一壓降，觀察其塔頂及塔底溫 度，待到溫度基本不變時(shí)，說(shuō)明物系的分離已達(dá)到平衡，分別從塔頂及塔底取樣，并分 析其中各組分的含量。按芬斯克( f e n s k e ) 公式計(jì)算理論塔板數(shù)： v 1 一 l o g ( ? l ) ( 生) n 。= 土上l 一 ( 3 3 3 ) l o g 口。 因?yàn)橐掖己彤惐紴橥滴?，可以?dāng)作理想體系，相對(duì)揮發(fā)度為組分的飽和蒸汽壓之比。 根據(jù)a n t o n i e 方程： 日 l n p 5 = a 一 ( 3 3 4 ) 乙醇和異丙醇的a n t o n i e 常數(shù)如表3 4 所示。 表3 4 乙醇、異丙醇的a n t o n i e 常數(shù) 取不同的壓降重復(fù)上面的操作，可測(cè)出不同壓降下的理論塔板數(shù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì) 算所得數(shù)據(jù)列表，如表3 5 ，表3 6 所示。 表35 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析表 沈加化工學(xué)院碩士學(xué)位論文第三章非均相共沸問(wèn)歇精餾操作模擬計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 可知對(duì)于該填料在一定汽速變化范圍內(nèi)理論塔板數(shù)與壓降之間基本成線性關(guān)系。用最小 二乘法對(duì)其進(jìn)行線性回歸，得： n t = 1 6 7 1 5 1 p 一0 1 3 6 1 9 表3 6 理論板數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)表 ( 3 3 5 ) 壓降p m l 5 p # 5p ，8p # 8 a 頂口釜 n 醪 4 74 7 6 7 44 0 0 1 48 6 7 1 47 4 3 7 11 1 9 1 41 1 6 6 01 7 8 6 1 0 3 4 14 7 6 7 44 0 0 1 48 7 7 2 87 5 2 7 01 1 9 1 41 1 6 5 5】1 7 8 4 1 07 3 l4 7 6 7 44 0 0 1 48 9 0 9 67 6 4 8 31 1 9 1 4 1 1 6 4 91 1 7 8 11 2 8 2 54 7 6 7 44 0 0 1 48 8 7 5 27 6 1 7 81 1 9 1 4 1 1 6 5 01 1 7 8 11 3 7 1 94 7 6 7 44 0 0 1 48 7 7 2 87 6 1 7 81 1 9 1 4 1 1 6 5 01 1 7 8 11 4 4 n 1 44 3 74 63 6 5 9 78 6 0 2 87 3 7 7 7 1 1 9 5 31 1 6 6 31 1 8 0 71 4 4 n 1 04 7 6 7 44 0 0 1 48 5 3 7 87 3 1 8