乙醇―水萃取精馏实验教学的改进及aspenplus软件的应用

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1、乙醇一水萃取精f留实验教学的改进及AspenPlus软件的应用摘要：萃取精馄是化工原理实验教学中重要的综合性实验。目前萃取精憾实验存在一些问题，针对这些问题提出了改进建议。通过改进，在教学过程中可以加强学生对萃取精憾这一复杂工程问题的理解，提高学生的工程实践能力。关键词：萃取精憎；实验改进；工程实践一、刖吕精憾是化工原理中重要的传质单元操作之一，其基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发度的差异，通过多次冷凝和汽化将其分离［1］。但在实际生产过程中常遇到各组分沸点相差很小或者具有恒沸点的混合物，用普通精憾的方法难以完全分离，此吋需要采用特殊精憾，如恒沸精锚、萃取精饰、加盐精饰等［2］。虽然萃

2、取精镭原理与普通精镭一致，但其复杂程度、操作难度、计算难度又远高于普通精憾，且萃取精憾己经被广泛的应用于化工分离，因此开展萃取精憎实验对本科生利用所学知识分析和处理复杂工程问题能力的培养有重要意义。萃取精馄实验教学中常用乙醇一水体系为实验对象，并以乙二醇为萃取精憾剂。然而在实际教学过程中，发现此实验存在一些问题：实验数据记录简单，相对挥发度是影响萃取精憎塔分离效果最为关键的因素，而塔内液相溶剂相对含量乂是影响相对挥发度的关键，因此实验过程中监测溶剂在塔内的浓度变化显得尤为重要。但在实验中并没有考虑这一点，仅测量塔顶和塔釜处乙醇的含量；理论板数计算也不够严谨，教材中一般以芬斯克方程计算理论板数，

3、但由于体系复杂，为了计算方便，相对挥发度通过经验估算得到，这可能使得计算结果与实际相差很大，导致学生对萃取精憎过程的计算产生误解，即没有有效的手段计算待分离体系的相对挥发度。另外，萃取精憾实验平衡时间较长：对于实验装置少、实验人数较多的大班而言，如果考察不同参数对萃取精憾效果的影响，实验时间会显得不足，降低了实验效果。为了提高实验的目的性和效果，使实验能够让学生真止懂得如何运用现有知识去处理萃取精憾，并可举一反三应用到这一类复杂的工程问题上，就有必要对实验过程和数据处理方式进行改进，同时提出将实验与现代仿真模拟手段相结合，通过软件对不同实验因素的萃取精憎进行模拟分析比较，加深学生对萃取精憾的理

4、解，引导学生以合理的方法来解决实际工程问题，最终提高学生的工程实践能力。二、萃取精馆实验改进建议萃取精憾不同于一般的常规精徭。由于在原体系中引入了第三组，使得原本就复杂的体系更加复杂。由于萃取精馆本身的特点，使得待分离体系的相对挥发度在塔板上可能变化很大，因此合理估算萃取精憾塔内体系的相对挥发度是得到可靠实验结果并对实验现象合理解释的基础。为了估算塔内的相对挥发度，需耍知道各塔板上的液相组成和气相组成，然后根据组成计算得到每块塔板上的相对挥发度。全塔平均相对挥发度即为各块塔板上相对挥发度的几何平均。然而如果对每块塔板上的汽一液组成进行分析，工作量较大；其次，塔板上气相产品很难采集，这加大了实验

5、难度。为此，本文建议通过对萃取精帼装置的取样位置进行改进以得到溶剂和组分的浓度分布，并利用AspenPlus软件计算得到相对挥发度。1・连续萃取精憾装置。除了塔顶和塔釜设有取样口外，分别在萃取精憾装置萃取剂进料板上以及精憾段最后一块板和原料进料板上增设液相取样口。通过这种手段得到进料热状态对精馆段和提憎段中溶剂组成影响的情况，使计算结果与实际相符。2•全回流萃取精憾装置。除了塔顶和塔釜设有取样口外，需在溶剂进料板上增设液相取样口。通过增设取样口，对溶剂在塔内精憾段和提馆段的分布情况进行检测，从而可根据实际测量得到的组成，再通过软件估算出相对挥发度，见下文介绍。三、AspenPlus流程模拟软件

6、的应用（-）萃取精憾体系相对挥发度计算的方法对于相对挥发度接近于1或存在共沸的二元体系，在引入第三种组分作为萃取剂后，变得高度非理想，因此整个计算过程也变得复杂繁冗。然而相对挥发度乂是计算理论板数最为关键的参数，显得非常重要。考虑到非理想体系的计算在化工中比较常见，以此实验为契机，通过理论与实践的结合帮助学生掌握此类问题的计算方法，对学生能力的拓展意义重大。对于这类计算常借助于相关软件,如AspenPlus^ProII、Hysys等,由于AspenPlus具?澡瞰？的数据库、物性模型和数据，但包含完整的化工单元模块，易于组建化工流程，因此这里选择使用AspenPlus软件对此体系的相对挥发度进

7、行预测。对乙醇一水一乙二醇体系可选择UNIFAC活度系数模型作为描述体系的物性方程［3］。对于气体满足理想状态时的体系相对挥发度可通过此式计算：ci=y・x・y・x■二■,显然通过实验分析我们可以知道液相中的各组分含量，但气相中组分未知。为了可以使用上式进行计算，这里使用泡点原理进行求解，如图1所示。假设某汽一液混合物组成在A点，在达到平衡时，其汽一液两相组成为B和C点。显然对于塔板上B点和C指离