系别：化学与环境科学系班级：09应用化学（1）班姓名：***学号：*********采用乙醇—水溶液的精馏实验赖雪梅摘要：双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。
在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。
液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。
对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。
进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。
两段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。
本文介绍了精馏实验的基本原理以及填料精馏塔的基本结构，研究了精馏塔在全回流条件下，塔顶温度等参数随时间的变化情况，测定了全回流和部分回流条件下的理论板数，分析了不同回流比对操作条件和分离能力的影响。
关键词：精馏；精馏段；提馏段；全回流；部分回流；等板高度；理论塔板数1.引言欲将复杂混合物提纯为单一组分，采用精馏技术是最常用的方法。
尽管现在已发展了柱色谱法、吸附分离法、膜分离法、萃取法和结晶法等分离技术，但只有在分离一些特殊物资或通过精馏法不易达到的目的时才采用。
从技术和经济上考虑，精馏法也是最有价值的方法。
在实验室进行化工开发过程时，精馏技术的主要作用有：(1)进行精馏理论和设备方面的研究。
(2)确定物质分离的工艺流程和工艺条件。
(3)制备高纯物质，提供产品或中间产品的纯样，供分析评价使用。
(4)分析工业塔的故障。
(5)在食品工业、香料工业的生产中，通过精馏方法可以保留或除去某些微量杂质。
2.精馏实验部分2.1实验目的(1)了解填料精馏塔的基本结构，熟悉精馏的工艺流程。
(2)掌握精馏过程的基本操作及调节方法。
(3)掌握测定塔顶、塔釜溶液浓度的实验方法。
(4)掌握精馏塔性能参数的测定方法，并掌握其影响因素。
(5)掌握用图解法求取理论板数的方法。
(6)通过如何寻找连续精馏分离适宜的操作条件，培养分析解决化工生产中实际问题的能力、组织能力、实验能力和创新能力。
2.2实验原理精馏塔一般分为两大类：填料塔和板式塔。
实验室精密分馏多采用填料塔。
填料塔属连续接触式传质设备，塔内气液相浓度呈连续变化。
常以等板高度(HETP)来表示精馏设备的分离能力，等板高度越小，填料层的传质分离效果就越好。
(1)等板高度(HETP)HETP 是指与一层理论塔板的传质作用相当的填料层高度。
它的大小，不仅取决于填料的类型、材质与尺寸，而且受系统物性、操作条件及塔设备尺寸的影响。
对于双组分体系，根据其物料关系x n ，通过实验测得塔顶组成x D 、塔釜组成x W 、进料组成x F 及进料热状况q 、回流比R 和填料层高度Z 等有关参数，用图解法求得其理论板N T 后，即可用下式确定：HETP=Z/N T(2)图解法求理论塔板数N T精馏段的操作线方程为：y n+1=1+R Rx n +1D x +R 上式中, y n+1---精馏段第n+1块塔板伤身的蒸汽组成,摩尔分数；x n ---精馏段第n 块塔板下流的液体组成,摩尔分数；x D ---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：y m+1=W L L -''x m -L'-Ww x W上式中, y m+1---提镏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成,摩尔分数； x m ---提镏段第m 块塔板下流的液体组成,摩尔分数；x W ---塔釜的液体组成，摩尔分数；L ′--提镏段内下流的液体量,kmol/s ；W----釜液流量, kmol/s ；加料线(q 线)方程为：y =1q q -x -1q x -F，其中q=1+FF F r t t )(c s p -上式中，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, ℃；t---进料温度,℃；Fc---进料液在平均温度(S t-F t)/2的比热容,kJ/(kmol.℃)；Fpx---进料液组成,摩尔分数；FL回流比R为：R=D上式中, L---回流流量,kmol/s;D---馏出流量,kmol/s①全回流操作在精馏全回流操作时，操作线在y-x图上为对角线，如下图1所示，根据塔顶、塔釜的组成在操作线和平衡线间作梯级，即可得到理论塔板数。
图1.全回流时理论板数的确定图2.部分回流时理论板数的确定②部分回流操作部分回流操作时，如上图2，图解法的主要步骤为：A.根据物系和操作压力在y-x图上作出相平衡曲线，并画出对角线作为辅助线；B.在x轴上定出x=x D、x F、x W三点，依次通过这三点作垂线分别交对角线于点a、f、b；C.在y轴上定出y C= x D /(R+1)的点c，连接a、c作出精馏段操作线；D.由进料热状况求出q线的斜率q/(q-1)，过点f作出q线交精馏段操作线于点d；E.连接点d、b作出提馏段操作线；F.从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；G.所画的总阶梯数就是全塔所需的理论踏板数(包含再沸器)，跨过点d的那块板就是加料板，其上的阶梯数为精馏段的理论塔板数。
2.3实验装置流程示意图1-塔釜排液口；2-电加热管；3-塔釜；4-塔釜液位计；5-θ填料；6-窥视节；7-冷却水流量计；8-盘管冷凝器；9-塔顶平衡管；10-回流液流量计；11-塔顶出料流量计；12-产品取样口；13-进料管路；14-塔釜平衡管；15-旁管换热器；16-塔釜出料流量计；17-进料流量计；18-进料泵；19-产品、残液储槽；20-料槽液位计；21-料液取样口。
2.4实验操作步骤2.4.1全回流槽操作(1)配料：在料液桶中配制浓度10%-20%(酒精的体积百分比)的料液。
取料液少许用比重仅分析浓度，达到要求后把料液装入原料罐中。
(2)打开仪器控制箱电源、仪表开关，仪表开始自检，完毕，按功能键调整显示界面到所需工作界面。
(3)进料：常开所有料罐放空阀，打开泵出口的旁路阀D，打开进料阀C和阀A，关闭阀B，启动泵，把料液打入塔釜中。
当液位至釜容积的2/3处时，停泵，关闭阀A。
(4)加热：关闭进料阀C、塔釜出料流量计阀门、塔顶出料流量计阀门，全开回流液流量计阀门，启动电加热管电源。
(5)调节冷却水流量，建立全回流：全开冷却水转子流量计阀门，当塔釜温度缓慢上升至窥视节内刚有蒸汽上升时即78.2左右时，微开冷却水水龙头控制阀，使冷却水流量为80m3/h，每两分钟才一次数据，直至三者温度均稳定后，待回流液流量计流量稳定后，再通过调节冷却水转子流量使之为40m3/h左右，进行全回流操作20分钟左右。
(6)读数、取样分析：当塔顶温度、回流量和塔釜温度稳定后，先记录加热电压、电流、冷却水流量、回流量、塔顶温度和塔釜温度，再分别取塔顶样品、塔底样品分析其塔顶浓度x D和塔釜浓度x W。
2.4.2部分回流操作(1)把原料储罐中的料液添够。
(2)待塔全回流操作恢复稳定后，打开进料阀C，在旁路阀D开通状态下，启动泵。
再慢慢打开进料阀B，调节进料量至7-8L/h左右，后打开塔釜出料流量计，保持塔釜液位恒定在安全处。
待塔顶全回流流量恢复稳定后，打开塔顶产品流量计阀门，调节某一回流比4,同时调小塔釜出料量，使进料、出料量基本平衡，维持釜内液位不变。
(3)当塔顶、塔釜温度稳定，各转子流量计读书稳定后，先记录加热电压、电流、各流量计流量、塔顶温度和塔釜温度，再分别取塔顶样品、塔底样品、原料液分析其浓度。
(4)重复做三种不同的回流比3，2,1. 同时调小塔釜出料量，使进料、出料量基本平衡，维持釜内液位不变。
当塔顶、塔釜温度稳定，各转子流量计读书稳定后，先记录加热电压、电流、各流量计流量、塔顶温度和塔釜温度，再分别取塔顶样品、塔底样品、原料液分析其浓度。
(5)实验结束时，先关掉加热电源，关闭进料泵、进料阀。
待塔内没有回流液时，关闭冷凝水进水阀、冷却水水龙头和精馏塔仪表电源。
清理实验装置。
2.4.3取样操作(1)进料、塔顶、塔釜从各相应的取样阀放出。
(2)取样前应先放空取样管路中残液，再用取样液润洗试瓶，最后取100ml 左右样品，并给该瓶盖标号以免出错，各个样品尽可能同时取样。
(3)将样品用液体比重计分析。
2.5 实验注意事项(1)塔顶放空阀一定要打开，否则容易因塔内压力过大导致危险。
(2)料液一定要加到设定液位2/3处方可打开加热管电源，否则塔釜液位过低会使电加热丝露出干烧致坏。
(3)冷凝水流量以水龙头调节为主，流量计调节为辅。
(4)数据的测定必须在稳定条件下进行，实验中要密切观察塔顶、塔釜温度，各流量计流量、电流表和电压表示数是否异常。
(5)全回流塔釜取样时要注意避免烫伤。
(6)部分回流时，进料罐原料要及时补充，因为液位低于2/3处浮子流量计不能正常工作。
(7)实验中F、D、W的调节一定要注意使进料、出料量基本平衡，维持釜内液位不变。
3.实验结果与讨论3.1基本参数3.1.1大气参数3.1.2设备参数填料精馏塔主要结构参数:塔内填料高度Z=2m。
3.1.3物料参数乙醇—水体系，比重为0.960g3.2全回流条件下,塔顶温度等参数随时间的变化情况据上表可绘出如下图形:从上图可以看出,在刚开始加热的前22分钟，塔釜温度逐步升高，回流温度和塔顶温度基本不变，此后塔釜温度趋于稳定；在22分钟至26分钟时，塔顶温度急剧上升，回流温度也逐渐上升，这是因为塔顶刚开始有蒸气出现；之后，继续加热，塔顶温度基本不变，回流温度缓慢上升。
直至66分钟时，塔釜温度、塔顶温度和回流温度都趋于稳定，此时全回流操作已经稳定，时间约为66分钟，比理论值20分钟偏高。
3.3全回流条件下等板高度及理论塔板数的确定表一、全回流操作条件下理论板数测定原始数据表二、常压下乙醇—水的气液相平衡数据表三、全回流产品比重原始数据表四、温度升高1℃时不同质量分数区间的比重转量表五、全回流产品比重整理计算塔釜产品W 0.972 23.2 0.974 0.173 0.0757 数据计算过程举例：由表三知：塔顶产品比重dD=(0.811+0.811)/2=0.811，温度T=（23.0+23.3）/2≈23.2℃塔釜产品比重dW=(0.971+0.972)/2≈0.972，温度T=(23.0+23.5)/2=23.2℃由表四知：质量分数在85%--95%区间里,温度升高1℃，转化量= (d′85%-d85%)+(d′95%-d95%)/2/(95%-85%)=-0.000665同理可得,质量分数在85%--95%区间里,温度升高1℃，转化量=-0.000280质量分数在10%--20%区间里,温度升高1℃，转化量=0.000302质量分数在0%--10%区间里,温度升高1℃，转化量=-0.000965则转换为在30℃下的比重：塔顶产品dD′=0.811-(23.2-30) ×(-0.000665)=0.806塔釜产品dW′=0.972-(23.2-30) ×(0.000302)=0.974转化为质量分数: 塔顶产品WD=0.977+3.54734*0.806-4.48986*0.806^2=0.919 塔釜产品WW=0.977+3.54734*0.974-4.48986*0.974^2=0.173转化为摩尔分数: 塔顶产品XD=(0.919/46)/(0.919/46+(1-0.919)/18)=0.815 塔釜产品XW=(0.173/46)/(0.173/46+(1-0.173)/18)=0.0757根据上述数据可绘出如下图:X FX D由上图可知知，图上的梯级数为8，故在全回流操作条件下的理论塔板数N=8，T=2/8=0.25m则在此条件下的等板高度HEPT=Z/NT3.4部分回流条件下等板高度及理论塔板数的确定3.4.1原始数据表表六、部分回流下理论塔板数测定及不同回流比下对操作条件及分离能力的影响表七、部分回流产品比重3.4.2求解精馏段的操作线方程表八、精馏段的操作线方程确定数据计算过程举例：（以R=3为例）结合表七中数据,同在全回流条件下的塔顶产品摩尔分数计算方法，塔顶产品比重dD=(0.816+0.815)/2≈0.816，温度T=（23.0+23.2）/2=23.1℃则转换为在30℃下的比重：塔顶产品dD′=0.816-(23.1-30) ×(-0.000665)=0.811转化为质量分数: 塔顶产品WD=0.977+3.54734*0.811-4.48986*0.811^2=0.901 转化为摩尔分数: 塔顶产品XD=(0.901/46)/(0.901/46+（1-0.901）/18)=0.78回流比：R=L/D=3.60/1.20=3.00，则精馏段操作线方程为：y=R/(R+1)*X+XD/(R+1) =3.00/4.00X+0.781/4.00=0.75X+0.20 3.4.3求解q线方程表九、进料热状况参数的确定4 0.244 0.112 82.3 68.7 75.50 0.980 457.4 1.03表十、q线方程的确定项目q X F q线方程1 1.03 0.110 y=34.3x-3.672 1.04 0.110 y=26.0x-2.753 1.04 0.110 y=26.0x-2.754 1.03 0.112 y=34.3x-3.73由乙醇-水混合液在常压下汽液平衡数据表可绘出如下曲线:数据计算过程举例：（以项目2即回流比为3的数据为例）原料液比重Df=（0.963+0.963）/2=0.963温度T=（23.0+23.8）/2=23.4则转换为在30℃下的比重：原料液 df′=0.963-(23.4-30) ×(-0.000280)=0.961转化为质量分数:原料液Wf=0.977+3.54734*0.961-4.48986*0.961^2=0.240转化为摩尔分数:原料液Xf=(0.240/46)/(0.240/46+（1-0.240）/18)=0.110=0.240时，t S=82.2℃由上图可知WF+t S)/2=(64.2+82.2)/2=73.2℃则温度t=(tF比热Cp=1.01+[3.1949tlog(x)-5.5099x-3.0506t]×10-3=1.01+[3.1949×73.2×log(24.0)-5.5099×24.0-3.0506×73.2]×10-3=0.978kcal/(kg·℃)=4.745×10-4x2-3.315x+5.3797×102汽化潜热rF=4.745×10-4×24.02-3.315×24.0+5.3797×102=458.7kcal/kg故进料热状况参数q=1+Cp(t S-t F)/r F=1.04所以q线方程为:y=q/(q-1)*x- X F/(q-1)=26.0x-2.75即y=26.0x-2.753.4.4 提馏段操作线方程表十一、提镏段操作线方程的确定数据计算过程举例:（以项目2即R=3时为例）塔釜产品比重dW=(0.971+0.972)/2≈0.972，温度T=(22.9+23.4)/2=23.2℃则转换为在30℃下的比重：塔釜产品dW′=0.972-(23.2-30) ×0.000302=0.974 转化为质量分数: 塔釜产品WW=0.977+3.54734*0.974-4.48986*0.974^2=0.173 转化为摩尔分数: 塔釜产品XW=(0.173/46)/(0.173/46+（1-0.173）/18)=0.0757 提镏段下流的液体量q L′= q L+ q* q F=3.6+1.04*7.4=3.6+7.70=11.30L/h由表六知:塔釜出料1：体积V=30.0ml,出料时间t=20.0s塔釜出料2：体积V=42.0ml,出料时间t=29.8s塔釜流量q W1=V/t=30.0/20.0=1.5O ml/s=5.40L/hq W2=V/t=42.0/29.8=1.41ml/s=5.08L/hq W= (q W1+ q W2 )/2=5.24 L/h故提镏段操作线方程为:y= q L′/(q L′-q W)X - q W Xw/(q L'-q W)=11.3/(11.3-5.24)X-5.24*0.0757/(11.3-5.24)=1.86X-0.0653.4.5图解法确定部分回流条件下的等板高度及理论塔板数表十二常压下乙醇—水的气液相平衡数据综上所述，可得下表：回流比项目R1=4.00 R2=3.00 R3=2.00 R4=1.00 X D0.810 0.781 0.766 0.745 X F0.110 0.110 0.110 0.112 X W0.0655 0.0757 0.0655 0.0506 精馏段操作线方程y=0.80x+0.16 y=0.75x+0.20 y=0.67X+0.25y=0.50x+0.37q线方程y=34.3x-3.67 y=26.0x-2.75 y=26.0x-2.75y=34.3x-3.73 提馏段操作线方程y=2.46x-0.096 Y=1.86x-0.065y=4.80X-0.25y=2.39x-0.07由上表数据可绘出下图：由上图可知，回流比R1=4.00时，理论塔板数NT=9,则等板高度HEPT=2/9=0.22mX DX W X F q线由上图可知，回流比R 2=3.00时，理论塔板数N T =9，则等板高度HEPT=2/9=0.22m由上图可知，回流比R 3=2.00时，理论塔板数N T =9，则等板高度HEPT=2/9=0.22mX DX DX W X Fq 线 X DX FX W q 线由上图可知，回流比R4=1.00时，理论塔板数NT=11，则等板高度HEPT=2/11=0.18m4.结论(适宜回流比的选择)根据实验结果，当R=4.00时，需要的理论塔板数为9，等板高度为0.22m；当R=3.00时，需要的理论塔板数为9，等板高度为0.22m；当R=2.00时，需要的理论塔板数为9，等板高度为0.22m；当R=1.00时，需要的理论塔板数为11，等板高度为0.18m。