比较法在精馏实验教学中的应用

阳超琴， 张 权， 顾丽莉， 李艳红， 彭 健

（昆明理工大学化学工程学院，昆明650500）

0 引 言

我院化工原理实验面向化学工程与工艺、能源化学与工程、过程装备与控制、轻化工程、环境工程、环境科学与工程、制药工程、生物工程等专业开设，可开出流体流动阻力、机械能转换、离心泵性能与流量计校正、过滤、传热、吸收、精馏、萃取、干燥等实验，覆盖面广。从教化工原理20 多年以来，总是在思考如何能够更好地教好这门实践课程，尤其是精馏实验的教学。精馏实验是化工实验竞赛的现场实做4 套装置之一，并且是难度最大的实验，操作容易出现不正常现象。为了让学生在学习过程中主动观察、思考、发现新问题，并能独立分析问题和解决问题，逐步培养学生的创新综合素质、团队协作和奉献精神［1］。为了提高实验室利用效率、提高实践教学质量，应不断加大实验室开放力度，鼓励和支持学生在课余时间积极参加各类学科竞赛和自主创新活动，在培养学生创新精神和创业能力上做一些探索［2-4］。比较教学法［5-12］已在高等教育教学中广泛采用，可以从以下几方面着手来提高精馏实验教学质量。

1 分别采用理想物系和非理想物系，比较两种物系的主要区别

化工原理教材中讲到的精馏是分离混合溶液的单元操作，而混合液分理想物系和非理想物系。理想物系可考虑乙醇-丁醇物系，而非理想物系可考虑乙醇-水物系。理想物系和非理想物系最大的区别在于：不同温度下，理想物系的相对挥发度相差较小，可确定平均相对挥发度，从而可写出相平衡方程，而非理想物系的相对挥发度相差较大，不能取平均值。因此，理想物系确定理论塔板数时，可采用逐板计算法和图解法，而非理想物系只能采用图解法。

2 改变回流比，比较不同回流比下的精馏结果

精馏塔的回流分全回流和部分回流2 种，精馏实验最基本的内容是确定全回流及部分回流时的全塔效率。我院精馏实验装置如图1 所示。

以乙醇-水物系为例，进行了比较全面的摸索。全回流时原始数据见表1，先将体积分数换算为质量分数，再换算为摩尔分数，数据处理后的浓度（摩尔分数）见表2。

乙醇-水物系的相平衡数据见参考文献［2］（昆明大气压＜0.1 MPa，相平衡曲线应修正，但条件有限，仍参考0.1 MPa下的数据）。全回流时的精馏段及提馏段操作线均为对角线，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。理论塔板数的确定见图2。增大回流比，精馏段操作线斜率增大，操作线远离相平衡线，推动力增大，每块塔板的提浓度增大，从而使得塔顶馏出液浓度增大，塔釜残液浓度减小［13］。

图1 连续精馏实验装置

表1 全回流及部分回流的原始数据

表2 数据处理后的浓度

3 改变进料位置，比较不同进料位置下的精馏结果

图2 全回流时理论塔板数的确定

精馏实验装置有3 个进料位置，分别为T7、T8 和T9块板，可以比较不同进料位置下的精馏结果。在原料组成不变的情况下，先将进料位置定在T8 块，再将进料位置上移至T7 块板，比较两种情况下的精馏结果；其结果见图3、4。也可将进料位置下移至T9 块板，比较两种情况下的精馏结果［14］。

图3 部分回流Ⅰ理论塔板数的确定

图4 部分回流Ⅱ理论塔板数的确定

T8 块塔板为加料板的部分回流标记为Ⅰ，T7 块塔板为加料板的部分回流标记为Ⅱ，T9 块塔板为加料板并增大原料组成的部分回流标记为Ⅲ。3 种部分回流时的原始数据见表1。数据处理后的浓度见表2。

部分回流时要确定精馏段操作线及提馏段操作线。

精馏段的操作线方程为：

式中：yn＋1为精馏段第n ＋1 块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；xn为精馏段第n 块塔板下流的液体组成，摩尔分数；xD为塔顶馏出液的液体组成，摩尔分数；R为泡点回流下的回流比。

提馏段的操作线方程为：

式中：ym＋1为提馏段第m ＋1 块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；xm为提馏段第m 块塔板下流的液体组成，摩尔分数；xW为塔底釜液的液体组成，摩尔分数；L′为提馏段内下流的液体量，kmol/s；W为釜液流量，kmol/s。

加料线（q线）方程可表示为：

该装置为冷液进料，q的计算公式为：

式中：rF为进料液组成tS下的汽化潜热，kJ/kmol；tS为进料液的泡点温度，℃；tF为进料液温度，℃；cpF为进料液在平均温度（tS＋tF）／2 下的比热容，kJ/（kmol·℃）；xF为进料液组成，摩尔分数。

部分回流时确定理论塔板数的步骤如下：

（1）作出相平衡曲线，并画出对角线作为辅助线；

（2）在x轴上定出x ＝xD、xF、xW3 点，依次通过这3 点作垂线分别交对角线于点a、f、b；

（3）在y轴上定出yC ＝xD／（R ＋1）的点c，连接a、c作出精馏段操作线；

（4）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；

（5）连接点d、b作出提馏段操作线；

（6）从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画直角梯级，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画直角梯级，直至梯级跨过点b为止；

（7）所画的总梯级数就是全塔所需的理论塔板数（包括再沸器），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。

由图3 和图4 比较可知，在原料组成为0.065 9时，精馏塔进料位置提高，精馏分离效果更好。这与文献［14］中讲到的精馏段及提馏段操作线的交点所在塔板为最佳进料板相一致。

4 改变进料组成，比较不同进料组成下的精馏结果

取T8 块塔板为进料板，在进料位置相同的情况下，改变原料组成，精馏结果势必发生变化。增大原料组成，维持回流比不变，塔顶馏出液组成将增大，塔釜残液浓度增大；减小原料组成，维持回流比不变，塔顶馏出液组成将降低，塔釜残液浓度减小［15］。增大原料组成，其精馏结果见图5。

图5 部分回流Ⅲ理论塔板数的确定

由图3 和图5 比较可知，原料组成增大，馏出液组成增大，釜残液组成增大，精馏结果与文献［5］相一致。

5 结 语

为适应新工科的发展需要，培养复合型工程人才，深化改革化工高等教育势在必行。将理论与实践有机结合，加强工科学生解决复杂工程问题的能力是大势所趋。启发学生思考，让学生在比较中巩固已学理论知识，让学习变得轻松而不枯燥。希望形成化工实验竞赛与学生综合素质全面提高双赢的新局面。