乙醇-正丙醇体系的精馏实验研究

乙醇-正丙醇体系的精馏实验研究

摘要：在常压操作条件下，利用筛板塔对乙醇-正丙醇体系进行了实验研究，采用间歇精馏与连续精馏结合的方法，得到了摩尔分数达97.41%(乙醇)的塔顶产品，实现了较为高效的分离效果，实验考察了回流比、加热电压、进料量等操作参数对精馏过程的影响，测定了塔内温度分布曲线，确定了第八块塔板为灵敏板，并根据实验提出了创新性建议。

关键词：筛板塔，连续精馏，间歇精馏，乙醇-正丙醇体系

Experimental S tudy on D istillation of Ethanol-n-propanol

S ystem

Abstract:The experiment was carried out in ethanol-n-propanol system at normal pressure by using sieve-tray.When adopt the method of combination of continuous distillation and batch distillation,the mole fraction of product in the top of tower was obtained up to97.41%(ethanol). In this study,a more efficient separation was achieved.The effects of operating parameters including reflux ratio,heating voltage and velocity of feed on the distillation process was investigated，and the temperature distribution curve of the sieve-tray tower was measured.It was found that the eighth block tray was the sensitive plate.Also,some innovative proposals were presented for the experiment.

Key Words:Sieve-tray;Continuous Distillation;Batch Distillation;Ethanol-n-propanol System

精馏是化工生产中常用的分离方法，是利用液体混合物中各组分的挥发度差异进行分离的操作过程，在化工等领域有广泛的应用。在连续精馏中，料液自塔的中部某适当位置连续加入塔内。塔顶设有冷凝器将塔顶蒸汽冷凝为液体，冷凝液的一部分回入塔顶，成为回流液，其余作为馏出液连续排出。在塔内上半部，上升蒸汽和回流液体之间进行着逆流接触和物质传递。塔底部装有再沸器以加热液体产生蒸汽，蒸汽沿塔上升，与下降的液体逆流接触并进行物质传递，塔底连续排出部分液体作为塔底产品[1]。间歇精馏又称分批精馏，是小批量、高附加值化工产品生产中常用的分离技术[2]。间歇精馏为非定态过程，全塔均为精馏段，釜液组成降至一定值后一次性排出。本文采用精馏实验装置对乙醇-正丙醇体系的分离进行了相关研究。

1实验部分

1.1研究方法

本实验采用乙醇-正丙醇体系，在常压操作条件下，利用精馏分离装置，通过间歇精馏、连续精馏过程和改变加热电压、回流比等操作条件，得到了纯度和产量都很高的产品，实现了较为高效的分离，实验考察了加热电压、回流比等操作参数对精馏过程的影响。

1.2试剂与仪器

1.2.1试剂

无水乙醇(分析纯，北京化工厂)，正丙醇（分析纯，北京化工厂)

1.2.2仪器

WYA-2D型阿贝折光仪（上海光学仪器厂）；

501A型超级数显恒温水浴（上海浦东跃欣科学仪器厂）；

501-温度调节仪；

ARD110型电子精密天平（美国奥豪斯）；

DES-Ⅱ计算机控制精馏实验装置；

本实验的流程如图1所示，主要由精馏塔、回流分配装置及测控系统组成。

图1精馏实验装置

1、塔顶冷凝器；

2、回流比分配器；

3、塔身；

4、视盅；

5、塔釜；

6、控温加热器；

7、冷却水转子流量计；8、塔釜液位计；9、塔釜加热器；10、进料流量计；11、放空阀；12、π形管；

13、塔釜产品冷却器；14、进料罐进料口；15、进料罐；16、进料泵；

17、进料罐液位计；18、旁路调节阀

精馏塔主要参数[3]：精馏塔为筛板塔，全塔共12块塔板，塔身的结构尺寸为：塔径φ（57×3.5）mm，塔板间距80mm；溢流管截面积78.5mm2，溢流堰高12mm，底隙高度6mm；每块塔板开有43个直径为1.5mm的小孔，正三角形排列，孔间距为6mm，在塔身第9块板和第8块板之间的区域是视盅蒸馏釜尺寸为φ108mm×4mm×400mm。塔釜装有液位计、电加热器（1.5KW）、控温电加热器（200W）、温度计接口、测压口和取样口。塔顶冷凝器为一蛇管式换热器，换热面积0.06m2，蒸汽通过管外，冷凝水通过管内。

回流分配装置[3]：回流分配装置由回流分配器与控制器组成。操作者可以在控制器上设置采出时间和回流时间，回流分配器依据电磁原理工作。

测控系统：在本实验装置中，利用人工智能仪表可以分别测定全塔压降、加热电压、回流比、塔釜温度、塔身伴热温度、塔釜加热温度、进料温度，以及第1、3、5、7、11块板的温度，测量简便、快捷。

物料浓度分析[3]:由于乙醇和正丙醇的折射率存在差异，且其混合物的质量分数与折射率有良好的线性关系，故可用阿贝折光仪分析料液的折射率，从而得到质量浓度，进而得到摩尔浓度。

1.3实验操作

1.3.1实验准备

（1）对乙醇和正丙醇溶液进行标定，得到计算公式：w=59.4051-43.1034n

（2）配好50%的（以乙醇摩尔分数表示，下同）的乙醇-正丙醇料液，进料，使塔釜液面达250～300mm。

1.3.2全回流

（1）启动塔釜加热及塔身伴热，塔板上有料液时，打开冷却水控制阀；

（2）进行全回流操作，操作稳定后，在塔顶、塔釜取样分析，记录各操作参数。

1.3.3第一次间歇精馏

调节回流比为2，收集塔顶馏出液，过程中不断调节回流比，使塔顶馏出液维持在较高纯度，直至回流比为4都不能维持塔顶浓度。

1.3.4连续精馏

间歇精馏一段时间后，改用连续精馏，进料量在40mL/min左右，塔底釜液采出，调节回流比和加热电压，使塔顶产品维持在较高浓度。

1.3.5第二次间歇精馏

料液进完后，关闭进料泵和进料阀等相关阀门，进行间歇精馏操作，操作过程和3相同。

上述实验操作中，全回流操作是为了使精馏塔内达到稳定状态；第一次间歇精馏主要有两个优点，一是全塔都为精馏段，易得到浓度很高的塔顶产品，二是可以调整塔内浓度分布，使连续精馏部分的加料位置更趋于合理；连续精馏可以获得较高的产量，塔釜浓度不会一直下降，操作稳定；第二次间歇精馏在时间剩余的情况下进行，可获得更多的塔顶馏出液。

2分析与讨论

2.1实验前期分析

2.1.1实验中的限制因素

本实验目的是提取尽可能多的高浓度塔顶产品，实验中的限制因素主要有四个：理论板数、进料位置、加热电压和操作时间。理论板数和进料位置的限制导致产品浓度和产量难以同时达到最高；加热电压和操作时间主要限制塔顶产品采出量。

2.1.2实验中可直接控制的条件

主要有以下六项：回流比、塔釜加热电压、进料量、进料位置、冷却水流量和塔釜液位。进料热状态q不能选择。

（1）回流比R

当塔釜加热量和进料量一定时，由物料衡算可知，增大回流比，将导致产量的下降，同时，操作的推动力增大，精馏段和提馏段的液量增大。但在本实验操作范围内，气量和液量增大的结果会使塔顶产品浓度下降，塔顶温度上升，精馏塔板效率下降。因此，在不考虑能耗时，回流比的选择就已经是个调优的问题，需要在以上三方面进行权衡。

（2）塔釜加热电压U

在回流比、进料量一定时，增大塔釜加热电压，可使塔顶产品产量增大，同样会使塔内气量与液量增大，板效率下降，从而影响塔顶产品浓度。因此塔釜加热电压的选择需要在以上两方面进行权衡。

（3）进料量

在回流比和塔釜加热量一定时，增大进料量F，会使精馏段气量降低（冷液进料），从而塔顶产量减小，塔釜产量增大，釜浓度x w增大，精馏段气量V减小，在实验操作范围内，精馏段的板效率会适当提高。因此进料量的选择主要是在以上三方面进行权衡。

（4）进料位置

对于实验所用精馏塔，只能从第五块或第七块板进料。经过作梯级图分析，可知第七块板进料，已是过早进料，因此本实验选择第七块进料。

（5）冷凝水流量

实验中，需保证提供的冷凝水能够将塔顶蒸汽全部冷凝。

（6）塔釜液位

对于塔釜液位，需打开π型管上端两个阀门中的一个，使塔釜液位处于适当的位置（塔釜高度1/2-2/3高处）。

通过以上分析可知，回流比R、塔釜加热电压U、进料量F的选择是调优问题，直接决定着操作工况。在实验操作范围内，可选择一个最佳（R,U,F）组合，使产品浓度和产量达到最大化。

2.2实验结果讨论

2.2.1灵敏板的确定以及操作工况优劣的判断

实验在全回流稳定后，有一段间歇精馏过程，在采出轻组分的同时还能用于灵敏板的确定。间歇精馏时，将回流比（外回流比）从2上升至4，在各回流比下，得到3组塔板序号-温度的分布图（第13块板表示塔釜），如图2所示。

图2间歇精馏时各板的温度变化

由图2可看出，第8块板的温度对操作工况最为敏感,第9块也较敏感,但第7块板温度变化较小。但第8、9块板为视盅所在位置，并没有测温计，且散热量较大，有较多蒸汽在此冷凝并回流。因此无法依靠测量灵敏板的温度来监测塔的工况。

本实验目的是为了获得高浓的轻组分，第一块板指示的温度是产品的露点温度，此处温度可直接测得，读数方便，因此只要测量元件足够精确，就能根据第一块板所指示的温度来判断产品组成和塔操作工况的优劣。实验发现第一块板的指示温度对回流比、塔釜加热量和加料量都很敏感，变化速度快，且总是朝着预期的方向变化，为说明此点，摘抄部分实验数据于表1。表1不同工况下第一块板液层温度的变化

据此分析，第一块板虽不如灵敏板对温度敏感，但在本实验中可起到指示作用，且其能直接指示产品的组成，选择其作为塔操作工况优劣的判断指标之一是可行的。

2.2.2连续精馏过程板效率

实验过程中最重要的一部分是连续精馏，这部分采出量大，同时塔顶浓度也达到要求。实验过程中，回流液有一个自然冷却的过程，为冷液回流。回流液温度取为50℃，此时回流液的热状况参数q′=1.11，基于此值和实验测量的数据，做出了连续精馏两种工况稳定下的梯级图，如图3、图4所示。

表2连续精馏时，2个稳定工况下的塔顶组成与塔釜组成

进料流量

F/ml min -1

加热电压U/V 回流比R 第一块板温度T 40

100379.240

93379.2-79.140

87379.140

93379.1-79.240

93479.2-79.340

87379.14587379.1-79.2

图3

连续精馏梯级图（R=3,U=87V,F=50ml/min ）

图4连续精馏梯级图（R=4,U=116V,F=50ml/min ）

由图3、图4可得以下结论：

（1）在R=3,U=87V,F=50ml/min 的连续精馏工况（工况1）下，精馏段有5.7块理论板，提馏段有3.8块理论板；实际精馏段有6块板，提馏段有6块板和塔釜。由此得出全塔效率约为70.83%，说明工况控制较好；精馏段效率为95%，提馏段效率为46.6%。提馏段的气量进料流量F/ml min -1加热电压U/V 回流比R 塔顶组成x D 塔釜组成x W 工况1

408730.97410.3224工况24011640.98080.3654

和液量均大于精馏段，说明气量和液量过高的时侯，板效率会下降，且影响较大。

（2）在R=4,U=116V,F=50ml/min 的连续精馏工况（工况2）下，精馏段理论板数均为5.7块，提馏段为3.3块，全塔效率为66.67%，精馏段效率为95%，提馏段效率为38.33%，精馏段效率高于提馏段效率。

（3）比较上述两种工况，工况2相对于工况1回流比和加热电压大，这样工况2精馏塔内的气量和液量都大于工况1，工况2的操作推动力更大，而板效率却较小。从表2中得到，前者，后者，所以综合结果是推0.3224,0.9741W D x x ==0.3652,0.9808W D x x ==动力的增大影响更大，最终使塔顶浓度增大，但是根据物料衡算，采出率却减小了。

（4）两种工况均是过早加料，降低了塔板分离能力。对于工况1，假设理论板数保持不变，仅将加料位置下降一块板而其余操作条件都不变，塔顶浓度仍为97.41%，作梯级图如图5所示，可知此时将从0.3224至降低至0.210，提高了塔顶采出率，据物料衡算，W x 相对于实际加料板，稳态时的塔顶产品采出率从55.83%增加到了76.00%。

图5加料板降低一块理论板条件下的梯级图（R=3,U=87V,F=50ml/min ）

（5）如在加料板上一块板进料，其余条件不变，同样要求使塔顶组成达到97.41%。从图5可以发现在加料位置处，提馏段操作线都已经位于平衡线之上了，这说明此分离要求在该条件下是不可能达到的。这意味着当精馏段板效率过低而使精馏段理论板数过少时，塔顶产品浓度必然下降。若相对于原来的工况2，保持其塔釜浓度不变，进行操作型计算，可得出其梯级图如图6所示，塔顶浓度为，组成变化得很小。

0.9724D x =

图6加料板上升一块理论板条件下的梯级图（R=3,U=87V,F=50ml/min）

3创新性建议

3.1对实验设备的建议

3.1.1进料罐料液出口位置下移

进料罐料液出口位置下移可使进料罐中的料液得到充分利用。

3.1.2预热原料液

为得到不同的进料热状态参数值，可在进料阀前加一个预热装置，这样就可以得到不同的进料温度和q值，可探索冷液进料、泡点进料等不同工况对精馏实验的影响。

也可以将原料液用于塔顶蒸汽的冷凝，通过调节管路中的料液量，使原料液达到不同的热状态，既节省了能量，又可用于实验研究。

3.1.3视盅下移

由结果讨论的2.2.1可知，第8块板附近是温度灵敏板，而此处由于是视盅所在处而不能测温，在视盅处有部分蒸汽被冷凝而回流，建议将视盅放在最后一块板上，使视盅冷凝下的液体回到塔釜，同时减小了散热造成的内回流对精馏操作的影响。

3.1.4减小视盅散热

关于视盅，还应尽量较小此处的散热量。因为视盅应该准确反映塔内提馏段的汽液接触状况，而散热会造成视盅内上升的气相部分会冷凝为液相，然后回到板上，这样视盅内的汽量和液量就会比提馏段其它板的大，其汽液接触状况就不能真实反映其它板的接触状况。因此要尽量减少散热量，减少气相冷凝量。为做到此，可以采用真空玻璃[4]，能大大降低散热量，或者在玻璃外层贴上透明隔热膜，例如ITO透明隔热薄膜、铟锡氧化物透明隔热膜。

对于视盅处的法兰，其热导率大，散热量很大，造成的上升蒸汽被冷凝的量也很大，因此对法兰的保温措施也很重要，例如可以在外面包裹一层石棉材料。

此外，塔身其它部分的法兰散热量也应尽量减小，而化工过程中40％一70％的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95％[5]。因此对各处法兰进行保温。

3.1.5利用气相色谱进行浓度分析

本实验浓度分析采用的是阿贝折光仪测定折射率的方法，有一定的实验误差，如采用气相色谱法进行分析，所得浓度准确度高，也可提高学生使用气相色谱进行浓度分析的能力。

3.1.6在塔顶回流处设置温度测量计

由结果讨论的2.2.2可知，回流液是呈冷液回流的状态。例如工况1，外回流比为3，内回流比为3.3，分析得出的板效率结果相差较大。图7是未考虑冷液回流时的梯级图。相对于图3考虑冷液回流时的分析结果，提馏段多出2.5块理论板，全塔效率误差很大。因此建议在塔顶回流处设置温度测量计，准确测量回流液温度，以确定实际内回流比，能够准确测定全塔效率。

图7未考虑冷液回流时的梯级图

3.2创新性精馏实验

在各种分离技术中，精馏在工业应用和技术发展方面都最为成熟，但面对工业发展的挑战，精馏仍期待有更大的技术突破[6]。

3.2.1采用具有回流段精馏柱的小型精馏装置

袁海宽[7]等采用具有回流段精馏柱的小型精馏装置，省去了回流控制与回流操作，对乙醇-水及丙醇-异丙醇进行了间歇精馏，发现该装置操作控制简单容易、产品质量稳定、精馏速度快，有良好的应用前景。本实验装置可以改造成有回流段的小型内回流装置，将精馏段上部改为回流段，回流段采用精馏柱外部设置夹套的方法，夹套通冷却介质，精馏柱内装分离填料，进行相关的探索和研究。

3.2.2超重力精馏研究

栗秀萍[8]等在常压操作条件下，以乙醇-水为物系，通过正交试验，进行了超重力连续精馏的传质性能研究，但目前超重力精馏技术的工业化尚缺乏充足的理论基础与应用研究。为此，我们可以利用北京化工大学超重力工程研究中心在超重力技术方面的优势进行相关研究。

参考文献：

[1]陈敏恒,丛德滋,方图南等.化工原理(上)：第三版[M]．北京：化学工业出版社，2006:49,60.

[2]时均,余国琮,等.化学工程手册:第二版[M]．北京：化学工业出版社，1996:13.

[3]杨祖荣.化工原理实验[M]，北京：化学工业出版社，2004:77-78.

[4]缪宏，张瑞宏等.真空玻璃传导和对流传热机理研究[J].玻璃,2007,2:7-12.

[5]Humphrey J L,Seibert A F.Separation technologies:an opportunity for energy savings[J]. Chem Eng Prog,1992,88(3):32?41.

[6]?.Olujic,M.J?decke．Equipment improvement trends in distillation[J].Chem.Eng.Prog.2009, 48:1089-1104．

[7]袁海宽,韦藤幼等.采用回流段的小型精馏装置[J].化工设计,2004,14(30):26-27.

[8]栗秀萍,刘有智等.超重力连续精馏过程初探[J].现代化工,2008,28:75-79