篩板塔中乙醇-水精餾板效率的研究

齊 濟(jì)，王 歡

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116605)

精餾是在汽液兩相逐級(或連續(xù))流動和接觸時,進(jìn)行穿越界面的質(zhì)量和熱量傳遞，并實現(xiàn)混合物分離純化的化工單元操作過程。精餾技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類化學(xué)品的生產(chǎn)中，它不僅用于最終產(chǎn)品的精制，還用于原料的提純等方面。精餾作為常用的分離方法，占整個化工生產(chǎn)能耗的大部分，比例超過了80%[1]。在化工生產(chǎn)中，選用最合理的精餾條件，提高精餾水平，對于降低化工過程的能耗，提高生產(chǎn)效率有重要意義。乙醇是環(huán)境友好的生物能源之一，乙醇可以與汽油和柴油混合使用，被廣泛地應(yīng)用于交通領(lǐng)域。石油能源和燃油被生物乙醇代替，將在許多其他領(lǐng)域得到拓展和應(yīng)用。在國外，生物乙醇在不同地區(qū)以不同規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量也不大相同，提高乙醇質(zhì)量是新能源生產(chǎn)尤其需要的生產(chǎn)技術(shù)。對于生物乙醇，前期發(fā)酵部分基本成熟，然而后期的蒸餾技術(shù)還存在一定提高的空間[2]。國內(nèi)對于乙醇-水系統(tǒng)的研究，涉及平衡數(shù)據(jù)的測定，萃取精餾和軟件模擬，分離工藝以及進(jìn)展等[3-6]。本研究利用實驗室規(guī)模的篩板塔，通過精餾實驗，探索乙醇-水精餾過程的效率，分析全塔、精餾段和提餾段板效率的分布，為生物乙醇的蒸餾提純提供理論方法和依據(jù)。

1 實驗裝置與方法

利用實驗室規(guī)模篩板精餾塔，在穩(wěn)定回流比和釜壓的條件下，精餾不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇-水溶液。通過改變進(jìn)料板位置，改變精餾段和提餾段的實際板數(shù)分配，測定并采集進(jìn)料和產(chǎn)品含量數(shù)據(jù)，記錄相應(yīng)溫度，處理數(shù)據(jù)，計算并繪圖分析塔板效率的分布。

1.1 實驗裝置

實驗采用篩板精餾實驗裝置(萊帕克(北京)科技有限公司)，如圖1。結(jié)構(gòu)參數(shù)：塔內(nèi)徑D=68 mm，塔總高H=3 000 mm，塔內(nèi)采用篩板及弓形降液管，共有15塊板。進(jìn)料管位置有三種選擇，F(xiàn)5、F6、F7。板間距HT=70 mm，板上孔徑d=3 mm，篩孔數(shù)N=50，開孔率9.73%。塔頂為列管式冷凝器，內(nèi)管換熱面積為0.296 m2，冷卻水走管外，蒸汽在管內(nèi)冷凝。儀表參數(shù)：回流流量計量程16～160 ml·min-1，塔頂產(chǎn)品流量計量程2.5～25 ml·min-1，進(jìn)料流量計量程16～160 ml·min-1，塔頂冷卻水流量計25～250 L·h-1，塔釜冷卻水流量計量程16～160 ml·min-1，塔釜加熱總功率6 kW，原料預(yù)熱功率2 kW，塔釜壓力表量程0～10 kPa。操作參數(shù)：P釜=1.5～3.0 kPa；T靈=77～83 ℃；T頂=75～78 ℃；T釜=97～99℃?？刂品椒ǎ夯亓鞅葹榛亓髁颗c塔頂產(chǎn)品采出量之比，通過回流管上的轉(zhuǎn)子流量計與塔頂產(chǎn)品采出管道上的轉(zhuǎn)子流量計數(shù)值手動控制；料液由泵從原料罐中經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計，手動控制計量后加入塔內(nèi)；塔釜液位由流體力學(xué)自動控制。

(1)T1～T12為測溫點；(2)L1～L5為流量計(分別為冷卻水、冷卻水、原料液、回流液、塔頂產(chǎn)品)；(3)AF、AD、AW分別為原料、塔頂、塔底產(chǎn)品酒度測定槽；(4)P為塔釜壓力表；(5)F為管道,其中F5、F6、F7為進(jìn)料管。

1.2 實驗方法

室溫下配制35%～60%的不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇-水溶液。對所配制的乙醇-水溶液進(jìn)行精餾實驗，回流比控制為6∶1(R= 6)，室溫條件下進(jìn)料，維持釜壓2 000 Pa，塔頂冷卻水用量150 L·h-1，塔底冷卻水用量120 L·h-1。在不同進(jìn)料濃度下，改變進(jìn)料板的位置，穩(wěn)定后，用酒度計分別測定塔頂、塔釜和原料罐的酒精度以及所有取樣點的溫度。處理實驗數(shù)據(jù)，計算出精餾段操作線方程、進(jìn)料方程和提餾段操作線方程，根據(jù)乙醇-水系統(tǒng)的平衡數(shù)據(jù)，利用McCabe-Thiele逐板計算法，繪制并求解所需理論板數(shù)。根據(jù)進(jìn)料板位置，分別計算精餾段和提餾段的板效率，綜合分析得出實驗范圍內(nèi)塔板效率在精餾段和提餾段的分布規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

35%～60%的不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇-水溶液在篩板塔中精餾，改變進(jìn)料板位置，所采集的數(shù)據(jù)見表1。酒度計測出的是體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)不同溫度下，體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對照表，將乙醇-水溶液的體積分?jǐn)?shù)換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后根據(jù)乙醇和水的摩爾質(zhì)量，計算出摩爾分?jǐn)?shù)。

表1 不同進(jìn)料位置精餾數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]乙醇-水溶液的相平衡數(shù)據(jù)繪出相圖，如圖2。

圖2 乙醇-水溶液相平衡圖

在圖上找出泡點溫度。在物性數(shù)據(jù)表中查出純乙醇和純水溶液在不同溫度下的比熱容和汽化潛熱[8-10]，利用插值法分別估算出進(jìn)料和泡點溫度下的比熱容和汽化潛熱。取進(jìn)料溫度和泡點溫度的平均值為定性溫度。

計算定性溫度下乙醇-水溶液的平均摩爾熱容：

rm=r1x1+r2(1-x1) 。

(1)

式中：rm為乙醇-水溶液平均汽化潛熱(kJ·kmol-1)；r1和r2分別為乙醇和水的汽化潛熱(kJ·kmol-1)；x1為乙醇的摩爾分率。

計算泡點溫度下乙醇-水溶液的汽化潛熱：

cpm=cp1x1+cp2(1-x1) 。

(2)

式中：cpm為乙醇-水溶液平均比熱容(kJ·kmol-1·℃-1)；cp1、cp2分別為乙醇和水的比熱容(kJ·kmol-1·℃-1)。

物性數(shù)據(jù)與相關(guān)計算結(jié)果見表2。

表2 乙醇-水溶液的物性數(shù)據(jù)

計算進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q[11]：

(3)

式中：tB為泡點溫度；tF為進(jìn)料溫度。實驗條件下進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 乙醇-水溶液進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)

2.2 板效率

根據(jù)操作參數(shù)和測定結(jié)果，計算精餾段操作線方程：

(4)

式中：R為回流比；xD為塔頂產(chǎn)品中乙醇摩爾分率；xn為第n塊板下降液體中乙醇摩爾分率；yn+1為第n+1塊板上升汽體中乙醇摩爾分率。

進(jìn)料線方程：

(5)

式中：q為進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)；xF為進(jìn)料中乙醇摩爾分率；(xq，yq)為精餾段操作線和提餾段操作線交點的軌跡。

式(4)和式(5)的交點與(xw,xw)連線構(gòu)成提餾段操作線方程。繪出精餾段操作線方程、進(jìn)料線方程、提餾段操作線方程、平衡線方程，繪出理論版數(shù)；計算和擬合并繪出有效平衡線。進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)為40%，進(jìn)料板分別為N=8，12，14，如圖3、圖4、圖5(其他進(jìn)料濃度所繪出的15張圖略)。

圖3 進(jìn)料板N=8時理論板數(shù)

圖4 進(jìn)料板N=12時理論板數(shù)

圖5 進(jìn)料板N=14時理論板數(shù)

根據(jù)塔中精餾段和提餾段的實際板數(shù)，圖中已繪出的精餾段和提餾段的理論板數(shù)，分段擬合出有效平衡線，塔中實際板數(shù)為15塊板，提餾段中塔釜汽液界面相當(dāng)于一塊塔板，因此擬平衡線下的實際板數(shù)為16塊。理論板數(shù)除以實際板數(shù)，算出全塔板效率和分段板效率，如圖6、圖7。

圖6 全塔板效率

圖7 分段板效率

進(jìn)料位置為第12塊板時，在實驗范圍內(nèi)全塔效率最高。進(jìn)料位置為第14塊板時，精餾段和提餾段的板效率比較接近，進(jìn)料位置為第8塊板時，精餾段和提餾段的板效率相差最大，分段塔板效率最高的為第8塊板進(jìn)料時的精餾段。圖3、圖4、圖5比較可知，有效平衡線最接近平衡線的塔段是圖3中的第8塊板進(jìn)料的精餾段；有效平衡線與平衡線之間距離，在全塔范圍內(nèi)比較平均的是圖5中的第14塊板進(jìn)料。

3 結(jié) 語

在精餾中，基于理論板數(shù)和最適宜進(jìn)料板對板效率的研究比較常見，采用有效平衡線來分析板效率的報道較少。本文通過對乙醇-水系統(tǒng)的常溫進(jìn)料進(jìn)行精餾實驗，繪制操作線、理論板線、有效平衡線以及實際板線，綜合分析全塔和分段板效率。結(jié)果表明，在實驗范圍內(nèi)，第8塊板進(jìn)料時精餾段板效率最高，第12塊板進(jìn)料時全塔效率最高。在實際精餾中，除了考慮最適宜進(jìn)料板位置之外，還需考慮精餾段和提餾段板效率的分布，才能達(dá)到節(jié)能高效的目的。