乙醇―水萃取精餾實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)及AspenPlus軟件的應(yīng)用

1、乙醇一水萃取精f留實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)及aspen plus軟件 的應(yīng)用摘要：萃取精餛是化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的綜合性實(shí)驗(yàn)。目前萃 取精憾實(shí)驗(yàn)存在一些問題，針對(duì)這些問題提出了改進(jìn)建議。通過改進(jìn)，在 教學(xué)過程中可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)萃取精憾這一復(fù)雜工程問題的理解，提高學(xué)生 的工程實(shí)踐能力。關(guān)鍵詞：萃取精憎；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；工程實(shí)踐一、刖呂精憾是化工原理中重要的傳質(zhì)單元操作之一，其基本原理是根據(jù)被分 離混合物中各組分相對(duì)揮發(fā)度的差異，通過多次冷凝和汽化將其分離1。 但在實(shí)際生產(chǎn)過程中常遇到各組分沸點(diǎn)相差很小或者具有恒沸點(diǎn)的混合 物，用普通精憾的方法難以完全分離，此吋需要采用特殊精憾，如恒沸精 錨、萃取精飾、加鹽精飾等

2、2。雖然萃取精鐳原理與普通精鐳一致，但 其復(fù)雜程度、操作難度、計(jì)算難度又遠(yuǎn)高于普通精憾，且萃取精憾己經(jīng)被 廣泛的應(yīng)用于化工分離，因此開展萃取精憎實(shí)驗(yàn)對(duì)本科生利用所學(xué)知識(shí)分 析和處理復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)有重要意義。萃取精餛實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用乙醇一水體系為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并以乙二醇為萃 取精憾劑。然而在實(shí)際教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)存在一些問題：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 記錄簡(jiǎn)單，相對(duì)揮發(fā)度是影響萃取精憎塔分離效果最為關(guān)鍵的因素，而塔 內(nèi)液相溶劑相對(duì)含量乂是影響相對(duì)揮發(fā)度的關(guān)鍵，因此實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)溶劑在塔內(nèi)的濃度變化顯得尤為重要。但在實(shí)驗(yàn)中并沒有考慮這一點(diǎn)，僅測(cè) 量塔頂和塔釜處乙醇的含量；理論板數(shù)計(jì)算也不夠嚴(yán)謹(jǐn)，教材中一般以

3、芬 斯克方程計(jì)算理論板數(shù)，但由于體系復(fù)雜，為了計(jì)算方便，相對(duì)揮發(fā)度通 過經(jīng)驗(yàn)估算得到，這可能使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差很大，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)萃取 精憎過程的計(jì)算產(chǎn)生誤解，即沒有有效的手段計(jì)算待分離體系的相對(duì)揮發(fā) 度。另外，萃取精憾實(shí)驗(yàn)平衡時(shí)間較長：對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置少、實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多 的大班而言，如果考察不同參數(shù)對(duì)萃取精憾效果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間會(huì)顯得 不足，降低了實(shí)驗(yàn)效果。為了提高實(shí)驗(yàn)的目的性和效果，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生真止懂得如何運(yùn)用 現(xiàn)有知識(shí)去處理萃取精憾，并可舉一反三應(yīng)用到這一類復(fù)雜的工程問題 上，就有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)提出將實(shí)驗(yàn)與現(xiàn) 代仿真模擬手段相結(jié)合，通過軟件對(duì)不同實(shí)驗(yàn)因素的萃取精

4、憎進(jìn)行模擬分 析比較，加深學(xué)生對(duì)萃取精憾的理解，引導(dǎo)學(xué)生以合理的方法來解決實(shí)際 工程問題，最終提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。二、萃取精館實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議萃取精憾不同于一般的常規(guī)精徭。由于在原體系中引入了第三組，使 得原本就復(fù)雜的體系更加復(fù)雜。由于萃取精館本身的特點(diǎn)，使得待分離體 系的相對(duì)揮發(fā)度在塔板上可能變化很大，因此合理估算萃取精憾塔內(nèi)體系 的相對(duì)揮發(fā)度是得到可靠實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象合理解釋的基礎(chǔ)。為了估算塔內(nèi)的相對(duì)揮發(fā)度，需耍知道各塔板上的液相組成和氣相組 成，然后根據(jù)組成計(jì)算得到每塊塔板上的相對(duì)揮發(fā)度。全塔平均相對(duì)揮發(fā) 度即為各塊塔板上相對(duì)揮發(fā)度的幾何平均。然而如果對(duì)每塊塔板上的汽一 液組成進(jìn)行分

5、析，工作量較大；其次，塔板上氣相產(chǎn)品很難采集，這加大 了實(shí)驗(yàn)難度。為此，本文建議通過對(duì)萃取精幗裝置的取樣位置進(jìn)行改進(jìn)以 得到溶劑和組分的濃度分布，并利用aspen plus軟件計(jì)算得到相對(duì)揮發(fā) 度。1連續(xù)萃取精憾裝置。除了塔頂和塔釜設(shè)有取樣口外，分別在萃取精 憾裝置萃取劑進(jìn)料板上以及精憾段最后一塊板和原料進(jìn)料板上增設(shè)液相 取樣口。通過這種手段得到進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)精館段和提憎段中溶劑組成影響 的情況，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。2全回流萃取精憾裝置。除了塔頂和塔釜設(shè)有取樣口外，需在溶劑進(jìn) 料板上增設(shè)液相取樣口。通過增設(shè)取樣口，對(duì)溶劑在塔內(nèi)精憾段和提館段 的分布情況進(jìn)行檢測(cè)，從而可根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的組成，再

6、通過軟件估算 出相對(duì)揮發(fā)度，見下文介紹。三、aspen plus流程模擬軟件的應(yīng)用（-）萃取精憾體系相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算的方法對(duì)于相對(duì)揮發(fā)度接近于1或存在共沸的二元體系，在引入第三種組分 作為萃取劑后，變得高度非理想，因此整個(gè)計(jì)算過程也變得復(fù)雜繁冗。然 而相對(duì)揮發(fā)度乂是計(jì)算理論板數(shù)最為關(guān)鍵的參數(shù)，顯得非常重要?？紤]到 非理想體系的計(jì)算在化工中比較常見，以此實(shí)驗(yàn)為契機(jī)，通過理論與實(shí)踐 的結(jié)合幫助學(xué)生掌握此類問題的計(jì)算方法，對(duì)學(xué)生能力的拓展意義重大。對(duì)于這類計(jì)算常借助于相關(guān)軟件,如aspen plus proii、hysys等, 由于aspen plus具?澡瞰？的數(shù)據(jù)庫、物性模型和數(shù)據(jù)，但包含完整的化

7、 工單元模塊，易于組建化工流程，因此這里選擇使用aspen plus軟件對(duì) 此體系的相對(duì)揮發(fā)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)乙醇一水一乙二醇體系可選擇unifac 活度系數(shù)模型作為描述體系的物性方程3。對(duì)于氣體滿足理想狀態(tài)時(shí)的體系相對(duì)揮發(fā)度可通過此式計(jì)算：ci =y xyx二,顯然通過實(shí)驗(yàn)分析我們可以知道液相中的各組分含量，但 氣相中組分未知。為了可以使用上式進(jìn)行計(jì)算，這里使用泡點(diǎn)原理進(jìn)行求 解，如圖1所示。假設(shè)某汽一液混合物組成在a點(diǎn)，在達(dá)到平衡時(shí)，其汽一液兩相組成 為b和c點(diǎn)。顯然對(duì)于塔板上b點(diǎn)和c指離開某塊塔板的液相組成和氣相 組成。但在實(shí)際測(cè)量過程中，只釆集了液相，與之平衡的氣相并未采集。 但我們發(fā)現(xiàn)，

8、b點(diǎn)和c點(diǎn)是成相平衡的關(guān)系，也就意味著b點(diǎn)的泡點(diǎn)氣相 組成與c點(diǎn)是一樣的。換言之，可通過計(jì)算采集得到的液相組成的泡點(diǎn)得 到氣相組成，再利用兩相組成計(jì)算相對(duì)揮發(fā)度。而泡點(diǎn)的計(jì)算可利用模擬 軟件計(jì)算得到，具體計(jì)算步驟如下。1從aspen操作單元庫中選取閃蒸罐，并連接好物流，輸入采集/分 析得到的液相組成數(shù)據(jù)。為了便于說明，以此組成為例：x水=0.3, x乙 醇二0.3, x 乙二醇=0. 4o2.進(jìn)入閃蒸罐參數(shù)輸入窗口見圖2ao在參數(shù)輸入窗口中輸入操作壓力 為latm,另外規(guī)定vapor fraction為10-5,通過這個(gè)設(shè)置運(yùn)行軟件，計(jì) 算的結(jié)果即為該液相組成下的泡點(diǎn)。3點(diǎn)擊results查看

9、閃蒸罐計(jì)算結(jié)果，進(jìn)入計(jì)算結(jié)果顯示窗口圖2b, 再點(diǎn)擊phase equilibrium,得到汽一液相平衡計(jì)算結(jié)果，窗口顯示k （水） 二1.049、k （乙醇）二2. 262,將此數(shù)據(jù)帶入到上式中計(jì)算得到相對(duì)揮發(fā)度為:二二2. 1560按照上述方法可以計(jì)算得到不同采集點(diǎn)的相對(duì)揮發(fā)度，則全塔實(shí)際相對(duì)揮發(fā)度即為各測(cè)量點(diǎn)計(jì)算值的幾何平均。此時(shí)， 可用此值并結(jié)合芬斯克方程計(jì)算全回流條件下的全塔理論板數(shù)。通過此方 法計(jì)算得到的理論板數(shù)比較準(zhǔn)確，同時(shí)計(jì)算得到的理論板數(shù)可作為后續(xù)仿 真模擬屮的模型參數(shù)。應(yīng)該說利用軟件計(jì)算揮發(fā)度可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知 識(shí)和流程模擬軟件的靈活運(yùn)用能力，同時(shí)也拓展了學(xué)牛思維。（二）

10、萃取精館的模擬仿真當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)時(shí)間不足時(shí)，通？八實(shí)驗(yàn)詳細(xì)考察不同因素對(duì)萃取精 謂效果的影響顯得不太現(xiàn)實(shí)，這時(shí)可通過模擬仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教 學(xué)。為了與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行匹配，所使用的模擬參數(shù)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)條件一致。為了便 于說明，這里列舉一組實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)，總結(jié)見表1。這里分別以溶劑溫度和回流比作為影響因素，考察了這兩個(gè)因素對(duì)產(chǎn) 品乙醇含量的影響，最終結(jié)果見圖3&、圖3b。從圖3a中可以看出，加入溶劑后塔頂乙醇產(chǎn)品的質(zhì)量分率為98. 1%- 98. 6%,高于乙醇一水共沸組成的95. 6%,這表明萃取精憎確實(shí)可以打破共 沸點(diǎn)。另外，隨著溶劑溫度的增加，通過模擬結(jié)果可清晰地發(fā)現(xiàn)塔頂產(chǎn)品 乙醇濃度降

11、低，塔釜乙醇濃度升高；從圖3b可以看出，隨著回流比的增 加，塔頂產(chǎn)品乙醇濃度先升高后降低，塔釜乙醇濃度先降低后升高。四、結(jié)論通過在萃取精館塔合適的位置增設(shè)液相采樣口和aspen plus中的閃 蒸罐模型以及泡點(diǎn)原理可計(jì)算得到萃取精f留各取樣點(diǎn)的相對(duì)揮發(fā)度，進(jìn)一 步可得到全塔相對(duì)揮發(fā)度。實(shí)驗(yàn)過程中包含了樣本采集、分析、軟件建模、 模擬計(jì)算等過程，這對(duì)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力有 重耍意義。此外，利用流程模擬軟件建立萃取精憾塔的仿真模型以考察不同因素 對(duì)萃取精憾效果的影響是可行的。通過模擬可快速反映出精憎結(jié)果隨著變 量變化的規(guī)律，這大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本。此外，將實(shí)驗(yàn)與模擬

12、相結(jié)合的方式進(jìn)行萃取精憾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，可加深學(xué)牛對(duì)這一過程的理解， 同時(shí)也提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。參考文獻(xiàn)：1 陳敏恒，從德滋，方圖南，齊鳴齋，潘鶴林化工原理(下)m 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.2 尹芳華，鐘?z,葉青，王龍耀，馬江權(quán)現(xiàn)代分離技術(shù)m.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.3 夏姍姍，裘兆蓉，葉青隔離壁精憾塔萃取精憾制無水乙醇j江 蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009, 21 (1)： 34-37.improvement of ethanol-water extractive distillation experiment and application of aspen plus sof

13、twarewang jun, leng yi-xin, shao hui(school of petrochemical engineering, changzhou university, changzhou, jiangsu 213100, china)abstract： extractive distillation is an important comprehensive experiment in the teaching of chemical engineering principles. at present, there are some problems in the experiment of extractive distillation, and the improvement suggestions are put forward for these problems through the improvement, students can strengthen the understanding of the