图示的精馏塔是由一只蒸馏釜和一块实际板

㈠ 总板效率et，为什么理论塔板数要减去1

1． 全塔效率

板式塔是使用量大、运用范围广的重要气（汽）液传质设备，评价塔板好坏一般根据处理量、板效率、阻力降、操作弹性和结构等因素。目前出现的多种塔板中鼓泡式塔板（筛板、浮阀板）和喷射式塔板（舌形、斜孔、网孔）在工业上使用较多，板式塔作为气、液传质设备，既可用于吸收，也可用于精馏，用得多的是精馏操作。在精馏装置中，塔板是汽、液两相的接触场所。在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，汽液两相在塔板上层接触，实现传质、传热过程，从而达到分离目的。如果在某层塔板上，上升的蒸汽与下降的液体处于平衡状态，则该塔板称为理论板。然而在实际操作中，由于塔板上的汽、液两相接触时间有限及板间返混等因素影响，使汽、液两相尚未达到平衡即离开塔板，一块实际塔板的分离效果达不到一块理论板的作用，因此精馏塔所需的实际板数比理论板数多，若实际板数为NP ,理论板数为NT，则全塔效率ET：

ET= (NT /NP )╳100%

2．操作因素对塔效率的影响

（1） 回流比的影响

从塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比称为回流比。回流比是精馏操作的一个重要控制参数，回流比数值的大小影响着精馏操作的分离效果与能耗。回流比可分为全回流、最小回流比和实际操作回流比。全回流是一种极限情况，此时精馏塔不加料也不出产品，塔顶冷凝量全部从塔顶回到塔内，这在生产上没有意义，但是这种操作容易达到稳定，故在装置开工和科学研究中常常采用。全回流时由于回流比为无穷大，当分离要求相同时比其它回流比所需理论板要少，故称全回流时所需的理论板为最少理论板数。通常计算最少理论板数用芬斯克方程。对于一定的分离要求，减少回流比，所需的理论塔板数增加，当减到某一回流比时，需要无穷多个理论板才能达到分离要求，这一回流比称为最小回流比Rm。最小回流比是操作的另一极限，因为实际上不可能安装无限多块的塔板，因此亦不能选择Rm来操作，实际选择回流比R应为Rm的一个倍数，这个倍数根据经验取为1.2～2。当体系分离要求、进料组成和状态确定后，可以根据平衡线形状由作图求出最小回流比。在精馏塔正常操作时，如果回流装置出现毛病，中断了回流，此时情况会发生明显变化，塔顶易挥发物组成下降，塔釜易挥发物组成随之上升，分离情况变坏。

（2） 塔内蒸汽速度的影响

塔板上的气、液流量是板效率的主要影响因素，在精馏塔内，液体与气体应有错流接触，但当气速较小时，上升气量不够，部分液体会从塔板开孔处直接漏下，塔板上建立不了液层，使塔板上气液两相不能充分接触；若上升气速太大，又会产生严重液沫夹带甚至于液泛，这样减少了气、液两相接触时间而使塔板效率下降，严重时不能正常运行。

（3） 进料热状态的影响

不同的进料热状态对精馏塔操作及分离效果有所影响，进料状态的不同直接影响塔内蒸汽速度，在精馏操作中应选择合适的进料状态。

3．.精馏塔操作问题的解决方法

（1） 精馏过程物料不平衡引起不正常

当塔釜温度合格而塔顶温度逐渐升高塔顶产品不合格时，说明塔顶产量太大，造成这种现象的原因可能是产量调节比例不当或进料组成发生了变化，轻组分含量下降，若是产品采出比例不当时，可减小塔顶出料量，加大塔釜出料量和进料量，待塔顶温度下降到规定值时，再调节操作参数，使过程物料达到平衡；如是进料组成变化了，若变化不大，可用以上方法，若变化较大，应调整进料口位置。

当塔顶部温度合格而塔釜温度下降，塔釜产品不合格，原因是塔底产量太大，或进料轻组分含量升高。若是产品采出量的问题，可不变回流量，加大塔顶采出，同时相应调节加热蒸汽压，也可减少进料量，待釜温正常后再调整操作条件；若是因进料组成发生变化而因起的，亦可按上述方法或对进料位置进行调整。

（2）分离能力不够引起产品不合格

若塔顶温度升高，塔釜温度降低，塔顶塔底产品不符合要求时，一般可通过加大回流比来解决，加大回流比时应注意不要发生液沫夹带等不正常现象。

（3）进料温度发生变化

进料温度发生变化主要影响蒸汽量，应及时调节釜底加热或塔顶冷凝器及回流比。

4． 全塔效率的测定方法

全塔效率一般可在全回流操作时来测定，即在全回流操作下，测定塔顶和釜底产品的组成，再在x～y图上用图解法求出完成此分离任务所需的理论板数，将所得理论数与塔中实际板数相比，即得全回流状态下的全塔效率。

㈡ 关于食品工程原理里的精馏塔实验该如何设计

实验8 筛板精馏塔实验
一、实验目的
1.了解筛板式精馏塔的结构流程及操作方法。
2.测取部分回流或全回流条件下的总板效率。
3.观察及操作状况。
二、实验原理
在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，汽液两相在塔板上接触，实现传质，传热过程而达到两相一定程度的分离。如果在每层塔板上，液体与其上升的蒸汽到平衡状态，则该塔板称为理论板，然而在实际操作中、汽、液接触时间有限，汽液两相一般不可能达到平衡，即实际塔板的分离效果，达不到一块理论板的作用，因此精馏塔的所需实际板数一般比理论板要多，为了表示这种差异而引入了“板效率”这一概念，板效率有多种表示方法，本实验主要测取二元物系的总板效率Ep ：

板式塔内各层塔板的传质效果并相同，总板效率只是反映了整个塔板的平均效率，概括地讲总板效率与塔的结构，操作条件，物质性质、组成等有关是无法用计算方法得出可靠值，而在设计中需主它，因此常常通过实验测取。实验中实验板数是已知的，只要测取有关数据而得到需要的理论板数即可得总板效率，本实验可测取部分回流和全回流两种情况下的板效，当测取塔顶浓度，塔底浓度进料浓度 以及回流比 并找出进料状态、即可通过作图法画出平衡线、精馏段操作线、提馏段操作线，并在平衡线与操作线之间画梯级即可得出理论板数。如果在全回流情况下，操作线与对角线重合，此时用作图法求取理论板数更为简单。
三、实验装置与流程
实验装置分两种：
（1）用于全回流实验装置
精馏塔为一小型筛板塔，蒸馏釜为卧直径229m长3000mm内有加热 器。塔内径50mm共有匕块塔板，每块塔板上开有直径2mm筛孔12个板间距100mm，塔体上中下各装有一玻璃段用 以观察塔内的操作情况。塔顶装有蛇管式冷凝器蛇管为φ10×1紫铜管长3．25m，以水作冷凝剂，无提馏段，塔傍设有仪表控制台，采用1kw调压变压器控制釜内电加热器。在仪表控制台上设有温度指示表。压强表、流量计以及有关的操作控制等内容。
（2）用于部分回流实验装置
装置由塔、供料系统、产品贮槽和仪表控制柜等部份组成。蒸馏釜为φ250×340×3mm不锈钢罐体，内设有2支1kw电热器，其中一支恒加热，另一支用可调变压器控制。控制电源，电压以及有关温，压力等内容均有相应仪表指示，
塔身采用φ57×3.5mm不锈钢管制成，设有二个加料口，共十五段塔节，法兰连接，塔 身主要参数有塔板十五块，板厚1mm不锈钢板，孔径2mm，每板21孔三形排列，板间距100mm，溢流管为φ14×2不锈钢管堰高10mm。
在塔顶和灵敏板塔段中装有WEG—001微型铜阻感温计各一支由仪表柜上的XCE—102温度指示仪显示，以监测相组成变化。
塔顶上装有不锈钢蛇管冷凝器，蛇管为φ14×2长250mm以水作冷凝剂以LZB10型转子流量计计量，冷凝器装有排气旋塞。
产品贮槽上方设有观测罩，用于检测产品。
回流量、产品量及供料量分别由转子流量计计量。料液从料液槽用液下泵输送。釜液进料液和馏出液分别可由采出取样，此外在塔身上、中、下三部分各在二块上设有取样口，只要用针筒穿取样口中的硅胶板即可取样品，因此本装置不但可以进精馏操作性能的训练和塔冲总效率的测定，而且还可以进行全回流下单板效率的测定。
四、实验方法
（一）全回流操作实验方法
1、熟悉了解装置，检查加热釜中料液量是否适当，釜中液面必须浸没电加热器(为液面计高1/2以上，约5升0釜内料液组成乙醇10－25％(重量)左右的水溶液。
2、打开电源和加热器开关，控制加热功率在700W左右，打开冷却水，注意观察塔顶、塔釜情况，当上升蒸汽开始回流时此时塔顶冷凝器内冷却水流量应控制好使蒸汽基本处于全凝状况（50－100升/小时范围）若流量过小会使蒸汽从塔顶喷出，过大塔板上泡沫层不均，温度变低。
3、当塔板上泡沫层正常各泡沫层高度大体相等，且各点温度基本保持稳定、操作稳定持续一段时间（20分钟以上）后即可开始取样。
4、由塔顶取样管和釜底取样考克用烧瓶接取试样（150mι左右）取样前应取少许试样冲洗烧瓶，取样后用塞子塞好，并用水冲瓶外部，使其冷却到常温。
5、将常温试样用比重天平称出相对密度，然后用相对密度与质量百分数对照表查出质量百分数。
6、可加大加热电流（5安培左右）观察到液泛现象，此时塔内压力明显增加，观察后，将加热电流缓慢减到零，关闭电源开关。
（二）部分回流时操作方法
1、配制4～5％（体积）洒精水溶液，注入蒸馏釜（或由供料泵注入）至液位计上的标记为止。
2、在供料槽中配制15～20％（体积）洒精水溶液。
3、通电启动加热釜液，先可将可调变压器达到额定电压，开冷却水，观察塔各部情况。
4、进行全回流操作，控制蒸发量“灵敏板”温度应在80℃左右。
5、开加料泵，控制流量（需经几度调节才能适宜流量）
6、为了首先满足回流要求、故在回流分配器中的产品管（φ8）管口高于回流管的管口，应调小回流量（过一段时间即可馏出产品）进行部分回流并控制一定回比，使产品达到 要求的浓度94～95％（体积）
7、控制釜底排料量，使釜液面保持不变。
8、控制好冷却水用量(即塔顶冷凝器冷流体)便塔顶蒸汽基本处于全凝状态。
9、操作均达到稳定后，进行样品采集，可按进料、塔釜、塔顶、顺序采集。并记录进料回流、馏出各流量及温度等有关数据。
10、将样品降到常温后，在教师指导下用液体比重天平测定相对密度，再用对照关系曲线，查出质量百分数。
11、可加大加热电流观察液泛现象。
12、注意观察操作条件不同对结果的影响。
五、数据处理
1、用作图法确定实验条件下理论板数，并进一步得出总板效率。
2、对结果的可靠性进行分析。

六、实验讨论题
1、在实验中应测定哪些数据？如何测得？
2、比重天平如何使用？应注意什么问题？
3、全回流和部分回流在操作上有何差异？
4、塔顶回流液浓度在实验过程中有否改变？
（全回流及部分回流两种情况）
5、怎样采集样品才能合乎要求？
6、比较两种装置在内容和操作方面的不同？
7、在操作过程中各塔板上泡沫层状态有何不同？各发生过怎样的变化？为什么？
8、塔釜内压强由何决定？为会么会产生波动？
9、塔顶和塔底温度和什么条件有关？
10、精馏塔板效率都有几种表示方法，试讨论如何以板效率？
11、全回流操作是否为稳定操作？当采集塔顶样品时，对全回流操作可能有何影响？
12、塔顶冷凝器内冷流体用量大小，对精馏操作有何影响？
13、如何判别部分回流操作已达到稳定操作状态？

㈢ 精馏塔的结构

板式精馏塔主要由精馏塔、冷凝器与蒸馏釜（或称再沸器）组成。

㈣ 蒸馏釜里面有什么

蒸馏釜里面有釜体、釜盖、进料口、馏分蒸汽出口、釜残夜出口、加热系统及冷凝系统、电控系统等。

蒸馏釜的功用是汽化被蒸馏的液体，提供塔中必需的上升蒸汽量。蒸馏釜的型式有夹套式、蛇管式和列管式，如图1所示。夹套式和蛇管式因加热面积较小，大多用于小型生产中，列管式蒸馏釜则大多用于大型生产。

在小型精馏塔中，蒸馏釜可直接设在塔的底部，釜中装料量可占釜容积的85%～80%，对易起泡的物料取下限，不易起泡的物料取上限。蒸馏釜容积一般在1000~2500L左右，为了避免产生的蒸汽上升时夹带过多的液体，釜内液面讴最下一块塔板的距离至少在0.5~0.7m以上。

大裂塔的蒸馏釜常常设在塔外，用管道与塔底相连，此时称为再沸器。

加热方式

蒸馏釜通常采用间接加热方式，加热剂一般为具有一定压力的饱和水蒸汽。通过改变蒸汽压力可调节加热温度，操作比较方便安全。当加热温度要求很高时，也有用高沸点的有机载热体加热或电加热。

蒸馏釜的原理是根据馏分沸点的不同，通过加热时所要的馏分汽化，再通过冷凝收集，即可完成蒸馏。

蒸馏釜主要是为解决现有的蒸馏釜在生产过程中当物料中含有固状物及高沸点物时需间断检修清理的问题而设计的。

它包括蒸馏釜壳体，在蒸馏釜壳体上方是上封头，上封头上有气体出口，上封头下方有除沫器，除沫器下方为贮料室，贮料室上部有进料口，室内设立式蒸发器，蒸馏釜下部为固状物及高沸点物沉降室，在沉降室内设搅拌器，搅拌器轴通过轴封与外部电机相连，蒸馏釜底部设固状物及高沸点物排出口。

优点是可随时排出固状物及高沸点物，无须间断检修清理，保证生产连续进行。

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2007
一． 单选题（每题2.5 分，共25 分）
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为0.5D 的水平管时，如果流动为完全湍流（阻力平方区），则压降是原来的（ ）。
A. 4 倍； B. 8 倍； C. 16 倍； D. 32 倍。
2． 在空气－蒸汽间壁换热过程中可采用（ ）方法来提高传热速率。
A. 提高蒸汽速度；
B. 采用过热蒸汽；
C. 降低空气流速；
D. 提高空气流速。
3． 有关多效蒸发器的三种加料类型：并流加料、逆流加料、平流加料，说法错误的是：
（ ）。
A. 并流加料和平流加料都采用并流换热方式；
B. 在同等进料条件下，逆流加料的蒸发效率高于并流加料；
C. 平流加料更适合于易结晶的物料；
D. 三种加料方式的采用都提高了物料蒸发量，但以牺牲蒸汽的经济性为代价。
4．结晶分离的过程通常采用降温或者浓缩的方法，其目的是提高溶液的（ ），从而推
动晶体的析出。
A. 过饱和度； B. 浓度差； C. 粘度差； D. Gibbs 自由能。
5． 双组分溶液萃取分离体系实际上是两个部分互溶的液相，其组分数为3，根据相律，系
统的自由度为3，当两相处于平衡时，组成只占用1 个自由度，因此操作中（ ）。
A. 只能调整压力；
B. 只能调整温度；
试题名称：化工原理共5 页第1 页
C. 压力和温度都可以调整；
D. 无法确定调整压力还是温度。
6．假设一液滴与一固体球的体积和密度都相同，并且在同一流体中自由沉降，则下列哪种
液滴所受到的曳力小于流体对固体球的曳力： （ ）。
A. 刚性小液滴；
B. 有内部环流的球形液滴；
C. 曲折运动的椭球形液滴；
D. 上述3 种液滴受到的曳力作用都大于固体球。
7．空气的干球温度为t ，湿球温度为tw ，露点为td ，当空气的相对湿度为95%时， 则
（ ）。
A. t = tw = td ； B. t > tw > td ； C. t < tw < td ； D. t > tw = td
8．如果某固定床中的颗粒装填为紧密排列，假设该固定床内部包括下述几种区域（圆柱状
颗粒与球形颗粒的当量直径相等），请问流体最难通过的床层区域是：（ ）。
A. 壁面附近；
B. 直径均一的球形颗粒区；
C. 乱堆的圆柱状颗粒区；
D. 直径不等的球形颗粒区。
9．下列板式塔中操作弹性最大的是（ ）。
A. 筛板塔； B. 浮阀塔； C. 泡罩塔； D. 舌形喷射塔。
10． 厚度不同的两种材料构成两层平壁，层接触良好，已知壁厚d1＞d2，导热系数
λ1＜λ2，在稳定传热过程中，下列关系式正确的是：（ ）。
A. 导热速率q1 > q 2 ；
B. 热阻R1 > R2, ；
C. 温差ΔT1 < ΔT2 ；
D. 2 2 1 1 T R T R Δ = Δ
二． 填空题（每空1 分，共30 分）
1．如果板式塔设计不合理或操作不当，可能产生、及等不正常现象，使塔
无法工作。
试题名称：化工原理共5 页第2 页
2．启动时需要关闭出口阀门的液体输送泵是： 。为改善往复泵流量不均匀的缺点，
常用的两个方法是： 、。
3．用裸露热电偶测量管道内温度为1000K 的高温气体，由于辐射造成的测量误差为10
％，管壁温度为400K，当气体加热到1500K 时，辐射造成的测量误差约为。
4．恒定干燥条件下的干燥速率曲线一般包括和阶段，其中两干燥阶段的交点对
应的物料含水量称为。
5．对一定操作条件下的填料吸收塔，如将填料层增高一些，则塔的HOG ，NOG 。
6． 对流传质理论的主要三个理论是： 、、。
7． 蒸发器的热阻主要是由四部分组成： 、、和。
8． 膜分离发生所需要的驱动力是或，请列举三种典型的膜分离过
程： 、、。
9．表征“三传”的三个类似的定律是：表征动量传递的、表征热量传递的、
表征质量传递的。
10．边界层分离会大大增加机械能的损耗，从流体流动的结构上分析，这是因
为： 。在管路流动中，由于边界层分离导致阻力损失增加的两个典
型的例子是： 、。
三． 简答题（每题4 分，共20 分）
1． 简述化学吸收的主要优点。
2．化工厂有一搅拌反应釜，反应的选择性一直不理想。经研究发现，是因为反应器内的湍
流微观混合效果不好，必须强化混合。要强化微观混合，对搅拌器输出液体量和输出压
头的大小有什么要求？如果该反应釜的搅拌功率已不能再提高了，请问如何改变搅拌桨
的大小和搅拌操作条件？
3．在气体吸附分离或者气体膜分离中，经常碰到一个重要的扩散－努森（Knudsen）扩
散，请叙述努森扩散对含有不同分子量的气体混合物进行分离的原理。
试题名称：化工原理共5 页第3 页
试题名称：化工原理共5 页第4 页
4． 气固流态化可分为散式流态化和聚式流态化两类，已知经典散式流态化的床层膨胀方
程为： n
t
0 ε ＝
u
u ，式中的u0 为流体表观速度，ut 为颗粒终端沉降速度， ε 为床层空隙率，
n 为膨胀指数。聚式流态化不满足上述方程。请问：如果以此方程为判据，如何设计一套
实验与数据处理程序，来鉴别某气固流化床为聚式流态化还是散式流态化？
5．对于A+B 的可萃取分离体系，采用一般的多级逆流萃取，可以使最终萃取余相中A 的
含量降至很低，但是仍含有一定量的B，这时如果引入精馏中采用的回流技术以实现A
和B 的高纯分离。请简要叙述回流萃取及其实现高纯分离的原理？
四． 分析计算题（共75 分）
1．（10 分）有一板框过滤机，恒压过滤某悬浮液。过滤时间为2 小时，滤渣完全充满滤框
时的滤液量为20 m3。随后用10％滤液量的洗涤液（物性与滤液相同）洗涤，每次拆装
所需时间为15 分钟。已知该操作过程中的过滤介质当量滤液量Ve＝2.5 m3。请问该过
滤机的生产能力是多少（m3/h）？
2． （12 分） 一精馏塔，原料液组成为0.5（摩尔分率），饱和蒸气进料，原料处理量为
100kmol/h，塔顶、塔底产品量各为50kmol/h 。已知精馏段操作线方程为
y = 0.833x + 0.15，塔釜用间接蒸汽加热，塔顶全凝器，泡点回流。试求：
（1）塔顶、塔底产品组成xD 和xw；
（2）全凝器中每小时冷凝蒸汽量；
（3）蒸馏釜中每小时产生蒸汽量；
（4）若全塔平均挥发度α =3.0，塔顶第一块塔板默弗里效率Emvl = 0.6，求离开塔顶第二块
塔板的气相组成。
3．（12 分） 某非牛顿流体在直管内流动，可以用幂律模型来描述该流体的剪切力τ与剪
切率之间的关系，即
n
r
u K ⎟
d τ ，u 是流体的轴向速度，r 是圆管的径向坐标，K 和n
是常数。请依据管流的剪应力分布，证明该流体在圆管截面上的平均流速是：
= ，式中，L 是管子长度， P Δ 为包含位能和压强能的压力差，R
是圆管半径。
4．（13 分） 在由若干根φ 25×2.5mm，长为3m 的钢管组成的列管式换热器中，用温度为
140℃的饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。空气的质量流量为3600kg/h，空气的进、
出口温度分别是20℃和60℃，操作条件下的空气比热为1.0 kJ/(kg·℃)，空气的对流给
热系数为50 W/(m2·℃)，蒸汽冷凝给热系数为8000 W/(m2·℃)，假定管壁热阻、垢层热
阻及热损失可忽略不计。试求：
（1）加热空气需要的热量Q 为多少？
（2）以管子外表面为基准的总传热系数K 为多少？
（3）列管换热器至少需要多少根管子？
5．（13 分） 某湿物料10kg，均匀地平铺在面积为0.50m2 的平底浅盘内，并在恒定干燥条
件下进行干燥。物料的初始含水量为15%，已知在此条件下物料的平衡含水量为1%，临
界含水量为6%（均为湿基），并已测出在恒速阶段的干燥速率为0.394kg/(m2·h)，假设降
速阶段的干燥速率与物料的自由含水量（干基）成线性关系。试求：（1）将物料干燥至
含水量为2%（湿基），所需要的总干燥时间为多少小时？（2）现将物料均匀地平铺在
两个与上述尺寸相同的浅盘内，并在同样的空气条件下进行干燥，只需4 小时便可将物
料的水分降至2%（湿基），问物料的临界含水量有何变化？恒速及降速两个干燥阶段的
时间各为多少小时？（可假设一个物料临界含水量c X ′ 值试算）
6．（15 分） 如图所示的双塔流程以纯溶剂S 吸收某组分Z，混合气中的Z 的摩尔含量为
y1，两塔的纯溶剂S 用量相等，且均为最少溶剂使用量的R 倍。在操作范围内，物系的
平衡关系服从亨利定律，两个塔的总传质系数相同，塔直径相同。
试证明：（i） 3 1 2 y y y = ； （ii）两个塔的塔高B A H H = 。
A B
纯溶剂S
混合气
y1
xA
y2
y3
xB