板式精馏塔性能的测定

一、实验目的

1、熟悉精馏工艺流程，了解筛板精馏塔及其附属设备的基本结构，掌握精馏过程的基本操作方法；

2、观察塔板上气液接触状况，学会识别精馏塔内出现的几种操作状态，并分析这些操作状态对塔性能的影响；

3、学习测定精馏塔全塔效率和单板效率的试验方法，研究回流比对精馏塔分离效率的影响，掌握测定塔内溶液浓度的实验方法；

4、学会测定部分回流时的理论板数，全塔效率；

5、测定全塔的浓度（或温度）分布；

6、测定塔釜再沸器的沸腾传热系数。

二、实验原理

（1）全塔效率

全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离效果所需要理论板数与实际板数的比值，即：

p

T T N N E 1

-=

式中：E T —总板效率；

N T ———完成一定分离任务所需要的理论板层数，包括蒸馏釜； N P ———完成一定分离任务所需要的实际板层数，本装置N P = 8。

全塔效率简单地反映了整个塔内塔板的平均效率，说明了塔板结构、物性系数、操作状况对塔分离能力的影响。对于塔内所需要理论塔板数，可以由已知的双组分物系平衡关系，以及实验中测得的塔顶塔釜液的组成，回流比和进料热状况等，用图解法求得。

理论板层数N T 的求法可用M-T 图解法。本实验是使用乙醇－水二元物系在全回流条件下操作，只需测定塔顶流出液组成x D 和釜液组成x w ，即可用图解法求得N T ，实际板层数N p 为已知，所以利用式(4-30)可求得塔效率E .

（2）单板效率E M

单板效率又称莫弗利板效率，如图所示，是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化值与经过一层理论板前后的组成变化值之比。

按气相组成变化表示的单板效率为：

1

*1

n n MV n n y y E y y ++-=

-

若相邻两块塔板设有液体取样口，则可通过测定液相组成x n-1和x n 求得第n 块板在全回流下的单板效率E mL 。

*

11n

n n

n mL x x x x E --=

-- 而全回流时，y n ＝x n-1

式中：x n-1—离开上块板的液相中易挥发组分摩尔分率；

x n ―离开下块板的液相中易挥发组分摩尔分率；

y n ―离开下块板的气相中易挥发组分摩尔分率； x n *―与y n 成平衡的液相组成摩尔分率，以x n-1作为 气相组成在平衡线上查得。

（3）测定塔釜再沸器的沸腾传热系数

若改变塔釜再沸器中电加热器的电压，塔内上升蒸汽量将会改变，同时，塔釜再沸器电加热器表面的温度将会发生变化，其沸腾传热系数也将发生改变，从而可以得到沸腾传热系数与加热量的关系。由刘顿冷却定律，可知：

Q = αA Δt m

式中 Q ------加热量，kw ；

α-----沸腾传热系数，kW/m 2*K ； A ----传热面积，m 3；

Δt m ----加热器表面与温度主体温度之差，℃。

若加热器的壁面温度为ts,，塔釜内液体的主体温度为tw ，则上式可改写为：

Q = αA(t s – t w )

由于塔釜再沸器为直接电加热，则其加热量为：

2

U Q R

=

式中 U ----电加热器的电加热电压，V ； R ----电热器的电阻，Ω。 （4）图解法求理论塔板数T N

图解法又称卡勃—蒂列法，简称M —T 法，其原理与逐板计算法完全相同，只是逐板计算过程在y —x 图上直观的表示出来。

精馏段的操作线方程为：

111D n n x R

y x R R +=-++

式中1n y +——精馏段第n+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

n x ——精馏段第n 块塔板下流的液体组成，摩尔分数； D x ——塔顶馏出液的液体组成，摩尔分数；

R ——泡点回流下的回流比。

提馏段的操作线方程为：

'

1''W m m Wx L y x L W L W

+=---

式中1m y +——提馏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

m x ——提馏段第m 块塔板下流的液体组成，摩尔分数；

W x ——塔底馏出液的液体组成，摩尔分数；

'L ——提馏段内下流的液体量，/kmol s ；

W ——釜液流量，/kmol s

加料线（q 线）方程可表示为：

11

F x q

y x q q =-

-- 其中

()

1pF S F F

c t t q r -=+

式中q ——进料热状况参数；

F r ——进料液组成下的汽化潜热，/kJ kmol ； S t ——进料液的泡点温度，℃；

F t ——进料液的温度，℃；

pF c ——进料液在平均温度()2S F t t -下的定压比热容，/kJ （kmol.℃）；

F x ——进料组成，摩尔分数。

回流比R 的确定：

L

R D

=

式中L ——回流液量，/kmol s ；

D ——馏出液两，/kmol s 。

式（4-64）只是用于泡点下回流时的情况，实际操作时为了保证上升气流能完全冷凝，冷却水量一般比较大，回流液温度往往低于泡点温度，即冷夜回流。 如下图所示，从全凝器出来的温度为R t 、流量为L 的液体回流进入塔顶第一块板，由于回流温度低于第一块塔板上的液相温度，离开第一块塔板的一部分上升蒸汽将被冷凝成液体，这样，塔内的实际流量回流量。