篩板塔部分回流操作時理論板數(shù)的仿真測定

1、青海民族大學(xué)畢業(yè)論文引言 精餾是化學(xué)工業(yè)中進行混合物分離的一種單元操作，在化學(xué)工業(yè)中占有重要地位，這一部分理論較抽象，學(xué)生理解起來比較困難。通過仿真實驗，學(xué)生可以到仿真系統(tǒng)實驗室實際操作篩板精餾塔，實驗室內(nèi)精餾流程小巧、簡潔，方便學(xué)生觀察物料的反應(yīng)。最重要的是，學(xué)生可以邊操作、邊觀察、邊思索、邊討論，從而達到理論與實踐有機結(jié)合的目的。1 實驗研究1.1實驗裝置精餾實驗裝置的流程見圖11.1。本實驗裝置的主體設(shè)備是篩板精餾塔（包括塔釜9、塔身3和全凝器5），配套的有加料系統(tǒng)（包括原料液貯罐1和進料轉(zhuǎn)子流量計2）、回流系統(tǒng)（包括集液器4和回流轉(zhuǎn)子流量計6）、產(chǎn)品出料管路（包括產(chǎn)品轉(zhuǎn)子流量計7和產(chǎn)品

2、貯罐8）、殘液出料管路（包括釜液轉(zhuǎn)子流量計10和釜液貯罐11）、冷卻水轉(zhuǎn)子流量計20、離心泵19和一些測量、控制儀表。本實驗料液為乙醇溶液，從高位槽利用位差流入精餾塔內(nèi)，釜內(nèi)液體由電加熱器加熱產(chǎn)生蒸汽并逐板上升2，經(jīng)與各板上的液體傳質(zhì)后，進入列管式換熱器管程，被殼程的冷卻水全部冷凝成液體，再從集液器流出，一部分作為回流液從塔頂流入塔內(nèi)，另一部分作為產(chǎn)品餾出，進入產(chǎn)品貯罐；殘液經(jīng)釜液轉(zhuǎn)子流量計流入釜液貯罐。原料液量、餾出液量、回流液量、釜殘液量及冷卻水量都由轉(zhuǎn)子流量計測量，整個系統(tǒng)有六個測溫點和A、B、C三個采樣點。 圖1.1 精餾實驗裝置流程示意圖1.2實驗原理在板式精餾塔的精餾過程中，每一層

3、塔板的汽、液兩相間同時進行著熱、質(zhì)傳遞，如圖1.2。在理想情況下，如果氣液兩相接觸良好，且時間足夠長，離開該板的汽液互成平衡，此板稱為理論板3。實際情況是，汽液兩相在塔板上的接觸時間有限，接觸不夠充分。在未達到平衡狀態(tài)之前就離開了塔板。要達到某一分離目的，實際塔板數(shù)比多于理論板數(shù)。 本實驗在y-x圖中用圖解法即可得到理論板數(shù)N，但需要知道精餾段操作線方程、提餾段操作線方程、q線方程、回流比R的確定及取樣得到的餾出液組成x、塔釜組成x和進料液組成x。 n-1 n n+1 n+2 圖1.2 塔板汽液流向示意圖1.2.1精餾段操作線方程精餾段的操作線方程4為：y= 其中R=式中 yn+1 精餾段第n

4、+1塊塔板上升的蒸汽組成，摩爾分數(shù)； xn 精餾段第n塊塔板下流的液體組成，摩爾分數(shù)； xD 塔頂餾出液的組成，摩爾分數(shù)； L 回流液量，Kmol/s； D 餾出液量， Kmol/s； R 泡點回流下的回流比。1.2.2提餾段的操作線方程提餾段的操作線方程可表示為；式中 ym+1 提餾段第m+1塊塔板上升的蒸汽組成，摩爾分數(shù)； xm 提餾段第m塊塔板下流的液體組成，摩爾分數(shù)； xW 塔底釜液的組成，摩爾分數(shù)； L' 提餾段內(nèi)下流的液體量，Kmol/s； W 釜液流量，Kmol/s。1.2.3 q線方程q線方程可表示為： 其中 式中 q 進料熱狀況參數(shù)； r 進料液組成下的汽化潛熱，kJ

5、/kmol； t 進料液的泡點溫度， t 進料液溫度， c 進料液的平均溫度（tS+tF）/2下的比熱容，kJ/kmol； x 進料液組成。1.2.4回流比R的確定R=式中 L 回流液量，kmol/s； D 餾出液量，kmol/s。上式只適用于泡點下回流時的情況，而實際操作時為了保證上升汽流能完全冷凝，冷卻水量一般都較大，回流液溫度往往低于泡點溫度，即冷夜回流。從全凝器出來的溫度為、流量為L的液體回流進入塔頂?shù)谝粔K板，由于回流溫度低于第一塊塔板上的液相溫度，離開第一塊塔板的一部分上升蒸汽將被冷凝成液體，這樣，塔內(nèi)的實際液流量將大于塔外回流量5。對第一塊板作物料、熱量衡算；V+L=V+LVL+L

6、I=VI+LI 對上式整理、化簡后，近似可得； LL1+ 即實際回流比;R= 式中 V、V 離開第1、2塊板的汽相摩爾流量，kmol/s; L 塔內(nèi)實際液流量，kmol/s; I、I、I、I 指對應(yīng)V、V、L、L下的焓值，kJ/kmol; R 回流液組成下的汽化潛熱，kJ/kmol; c 回流液在t與t平均溫度下的平均比熱熔，kJ/kmol.。1.2.5理論塔板數(shù)根據(jù)以上計算得到的精餾段操作線方程和q線方程，以及取樣得到的餾出液組成x、塔釜組成x和進料液組成x，在y-x圖中用圖解法即可得到理論塔板數(shù)N。1.3實驗仿真操作在仿真實驗主界面中選擇”精餾實驗”，雙擊進入操作界面，輸入學(xué)號，回車。單擊

7、”仿真操作”進入實驗操作系統(tǒng)，見圖1.3。圖1.3篩板精餾塔仿真實驗操作界面1.3.1實驗裝置開車操作單擊“開始實驗”按鈕，實驗裝置的控制點和測量點進入待命狀態(tài)。打開進料閥，雙擊進料轉(zhuǎn)子流量計的流量調(diào)節(jié)閥，得該閥門開度盤放大圖，調(diào)節(jié)其開度為1，可見釜內(nèi)液面剛超過出料口時，馬上關(guān)閉進料流量調(diào)節(jié)閥6。若加料過多，會產(chǎn)生淹塔現(xiàn)象；加料過少，會使螺旋加熱器暴露在液面之上，造成干燒。全開冷卻水和回流液轉(zhuǎn)子流量計閥，開總電源，開三相加熱電源，雙擊電壓表，得電壓表放大圖，取電壓值為220V，點擊靈敏板溫度計。待溫度計讀數(shù)恒定在某一值時，說明系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在加熱電壓不變情況下，繼續(xù)進行部分回流操作。雙

8、擊進料流量調(diào)節(jié)閥，得該閥門開度盤放大圖，再點擊進料轉(zhuǎn)子流量計，顯示出此時該流量計讀書，點“+”號，開大進料流量計的調(diào)節(jié)閥的開度，使進料流量恒定在某一值，如50ml/min。同樣雙擊餾出液轉(zhuǎn)子流量計閥和回流液轉(zhuǎn)子流量計閥，通過調(diào)節(jié)兩個流量調(diào)節(jié)閥的開度，使回流比R控制在3-6范圍之內(nèi)。然后馬上調(diào)節(jié)釜液轉(zhuǎn)子流量計，使釜液和餾出液體積流量之和大致等于進料體積流量。部分回流操作時，要求進、出塔的物料保持平衡，操作時可利用觀察塔釜液面高度是否保持恒定來判斷進出物料是否平衡。當塔釜液面高于出口且恒定在某一液面，并且靈敏板溫度計的讀數(shù)保持不變時，說明系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，可以開始取樣讀數(shù)。單擊進料取樣口，在左上角色譜

9、分析字樣下的白條框上，自動顯示進料樣的摩爾分率，再點擊“讀取數(shù)據(jù)”按鈕，進料液的組成就被讀下。用同樣的方法讀取餾出液、釜液流量和回流液流量，再分別讀取精餾塔中的六個溫度7。2 實驗結(jié)果與討論 2.1實驗數(shù)據(jù)表1.1篩板塔部分回流操作時實驗數(shù)據(jù) 進料液 回流液 餾出液 釜液 流量（ml/min） 50 31 10 41 溫度（） 25 79.0 51.8 91.3 組成 0.1033 0.7612 0.7612 0.0432.2數(shù)據(jù)處理當部分回流的數(shù)據(jù)全部測量完畢后，可進入數(shù)據(jù)處理階段。點擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕，進入數(shù)據(jù)處理界面。點擊“部分回流”按鈕，在界面下方列表顯示在220V 加熱電壓下，部分回

10、流操作時所測得的原始數(shù)據(jù)，點擊“重畫”按鈕，選“覆蓋”，顯示在x-y圖中用圖解法得到的梯級數(shù)、精餾段、提餾段的理論塔板數(shù)，如圖1.4，點擊“確定”，界面右上角顯示出全塔效率值。圖1.4 部分回流操作時實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果2.3實驗裝置停車操作點擊“返回實驗室”按鈕，返回實驗室操作界面。停車操作的順序是；（1）關(guān)閉進料液、餾出液、釜殘液的流量調(diào)節(jié)閥。（2） 關(guān)加熱器和總電源。（3） 關(guān)閉冷卻水閥。（4） 點擊“EXIT”按鈕，退出實驗室，結(jié)束實驗。2.4討論2.4.1溫度控制對精餾的影響 一方面，恒溫預(yù)熱并全回流一定時間，有利于精餾達平衡精餾效果好；另一方面，精餾操作過程中，只有當靈敏板溫度計溫度恒

11、定時，才表示系統(tǒng)操作已達穩(wěn)定，方可取樣。2.4.2 q值一定，R對理論板數(shù)的影響 在、q一定的條件下，當R增大時，也增大，所需理論板數(shù)將減少。2.4.3 R值一定，q對理論板數(shù)的影響 在、R一定的條件下，當q增大時，提餾段操作線就越遠離平衡曲線，所需理論板數(shù)將減少。2.4.4 值一定，q對理論板數(shù)的影響 在、一定的條件下，當q減小時，精餾段操作線就越遠離平衡曲線，所需理論板數(shù)將減少。3 結(jié)語化工模擬仿真實驗結(jié)束了，這段時間的實驗心情是復(fù)雜的。從這里可以看出，這個實驗讓我學(xué)到了很多，獲得了很多以前單純從課堂上無法獲得的知識經(jīng)驗。仿真實驗是以仿真機為工具，用實施運行的動態(tài)數(shù)學(xué)模型代替真實工廠進行教

12、學(xué)實習(xí)的一門新技術(shù)。仿真機基于電子計算機、網(wǎng)絡(luò)或多媒體部件，由人工建造的，模型工廠操作與控制或工業(yè)過程的設(shè)備，同時也是動態(tài)數(shù)學(xué)模型實時運行的環(huán)境。仿真實驗為學(xué)生提供了充分動手的機會，可在仿真機上反復(fù)進行開車、停車訓(xùn)練。在仿真機上，學(xué)生變成學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生可以根據(jù)自己的具體情況有選擇地學(xué)習(xí)。例如自行設(shè)計，試驗不同的開、停車方案，試驗復(fù)雜控制方案，優(yōu)化操作方案等。可以設(shè)定各種事故和極限運行狀態(tài)，提高學(xué)生分析能力和在復(fù)雜情況下的決策能力。在仿真實驗過程中能夠發(fā)揮學(xué)習(xí)主動性，實驗效果突出。 參考文獻1 王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理.第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，20102 碇醇.化學(xué)裝置，1979,

13、 21 （2）：483 Wankat P C.Equilibrium Stage Separations. New York:ElsevierScience Publishing Co.，Inc,19884 蘭州石油機械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù).北京:烴加工出版社，19905 King C J.Separation Processes.2nd ed. New York:Mc Graw-Hill，19806 吳嘉.化工原理仿真實驗.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，20117 何潮洪，馮霄.化工原理.北京:科學(xué)出版社，2001致謝 本論文是在導(dǎo)師李磊教授悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨