天津大學(xué)—共沸精餾實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3.二、實(shí)驗(yàn)原理3.三、裝置、流程及試劑 4.3.1 裝置 43.2 流程 43.3 試劑 5四、實(shí)驗(yàn)步驟 5.五、原始數(shù)據(jù)記錄表6.六、數(shù)據(jù)處理7.6.1 全塔物料衡算及塔頂三元共沸物的組成分析 71 對(duì)塔內(nèi)水進(jìn)行物料衡算 72 對(duì)塔內(nèi)乙醇進(jìn)行物料衡算 83 對(duì)塔內(nèi)苯進(jìn)行物料衡算 84 塔內(nèi)總持液量衡算 95 對(duì)物料衡算結(jié)果的分析 96 塔頂三元共沸物組成計(jì)算 96.2 25下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲線及簡(jiǎn)要說(shuō)明 .10七、思考題 1.0.7.1 共沸物加入量的計(jì)算 107.2 全塔物料衡算所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 11117.3 三元共沸物組成的誤差及其分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)實(shí)

2、驗(yàn)加深對(duì)共沸精儲(chǔ)過(guò)程的理解；2熟悉精儲(chǔ)設(shè)備的構(gòu)造，掌握精儲(chǔ)操作方法;3能夠?qū)珒?chǔ)過(guò)程做全塔物料衡算；4學(xué)會(huì)使用氣相色譜分析氣、液兩相組成:、實(shí)驗(yàn)原理精儲(chǔ)是利用不同組份在氣-液兩相間的分配，通過(guò)多次氣液兩相間的傳質(zhì)和 傳熱來(lái)達(dá)到分離的目的。對(duì)于不同的分離對(duì)象，精儲(chǔ)方法也會(huì)有所差異。例如， 分離乙醇和水的二元物系。由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常壓下的共沸溫 度和乙醇的沸點(diǎn)溫度極為相近，所以采用普通精儲(chǔ)方法只能得到乙醇和水的混合 物，而無(wú)法得到無(wú)水乙醇。為此，在乙醇-水系統(tǒng)中加入第三種物質(zhì)，該物質(zhì)被 稱為共沸劑。共沸劑具有能和被分離系統(tǒng)中的一種或幾種物質(zhì)形成最低共沸物的 特性。在精儲(chǔ)過(guò)程中共沸劑

3、將以共沸物的形式從塔頂蒸出， 塔釜?jiǎng)t得到無(wú)水乙醇。 這種方法就稱作共沸精儲(chǔ)。乙醇-水系統(tǒng)加入共沸劑苯以后可以形成四種共沸物?，F(xiàn)將它們?cè)诔合碌?共沸溫度、共沸組成列于表1。w醫(yī)i為了便于比較，再將乙醇、水、苯三種純物質(zhì)常壓下的沸點(diǎn)列于表2。表1乙醇水-苯三元共沸物性質(zhì)共沸物（簡(jiǎn)記）共沸點(diǎn)/ c共沸物組成，t%乙醇水本乙醇-水-苯（t）64.8518.57.474.1乙醇-苯（ab）68.2432.70.067.63苯-水（bwj69.250.08.8391.17乙醇-水（aw）78.1595.574.430.0表2乙醇、水、苯的常壓沸點(diǎn)物質(zhì)名稱（簡(jiǎn)記）乙醇（a）水（w苯（b）沸點(diǎn)溫度（c）78

4、.310080.2從表1和表2列出沸點(diǎn)看，除乙醇-水二元共沸物的 共沸物與乙醇沸點(diǎn)相近之外，其余三種共沸物的沸點(diǎn)與 乙醇沸點(diǎn)均有10c左右的溫度差。因此，可以設(shè)法使水 和苯以共沸物的方式從塔頂分離出來(lái)，塔釜?jiǎng)t得到無(wú)水 乙醇。整個(gè)精儲(chǔ)過(guò)程可以用圖1來(lái)說(shuō)明。圖中a、b、w分別 為乙醇、苯和水的英文字頭；ab,aw,bwz代表三個(gè)二元 共沸物，t表示三元共沸物。圖中的曲線為25c下的乙 醇、水、苯三元共沸物的溶解度曲線。該曲線的下方為兩相區(qū)，上方為均相區(qū)。圖中標(biāo)出的三元共沸組成點(diǎn)t是處在兩相區(qū)內(nèi)。以t為中心，連接三種純物質(zhì)a b w及三個(gè)二元共沸點(diǎn)組成點(diǎn)ab、aw b網(wǎng)將該圖分為六個(gè)小三角形。 如果

5、原料液的組成點(diǎn)落在某個(gè)小三角形內(nèi)。 當(dāng)塔頂采用混相回流時(shí)精餾的最終結(jié)果只能得到這個(gè)小三角形三個(gè)頂點(diǎn)所代表的物質(zhì)。 故要想得到無(wú)水乙醇，就應(yīng)該保證原料液的組成落在包含頂點(diǎn)a的小三角形內(nèi)，即在aatab或aata她。從沸點(diǎn)看，乙醇-水的共沸點(diǎn)和乙醇的沸點(diǎn)僅差0.15 c,就本實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件無(wú)法將其分開。而乙醇- 苯的共沸點(diǎn)與乙醇的沸點(diǎn)相差10.06 ，很容易將它們分離開來(lái)。所以分析的最終結(jié)果是將原料液的組成控制在 a atabt。圖1中f代表未加共沸物時(shí)原料乙醇、水混合物的組成。隨著共沸劑苯的加入， 原料液的總組成將沿著f璉線變化，并與a假交于h點(diǎn)，這時(shí)共沸劑苯的加入量 稱作理論共沸劑用量，它是達(dá)

6、到分離目的所需最少的共沸劑量。上述分析只限于混相回流的情況， 即回流液的組成等于塔頂上升蒸汽組成的情況。而塔頂采用分相回流時(shí)，由于富苯相中苯的含量很高，可以循環(huán)使用，因而苯的用量可以低于理論共沸劑的用量。 分相回流也是實(shí)際生產(chǎn)中普遍采用的方法。它的突出優(yōu)點(diǎn)是共沸劑的用量少，共沸劑提純的費(fèi)用低。三、裝置、流程及試劑3.1 裝置本實(shí)驗(yàn)所用的精儲(chǔ)塔為內(nèi)徑20x 200mm的玻璃塔。內(nèi)裝有經(jīng)改裝后的高效散裝填料（型號(hào)未知） 。填料層高度約為 1.2m。塔釜為一只結(jié)構(gòu)特殊的三口燒瓶。上口與塔身相連：側(cè)口用于投料和采樣；下口為出料口； 釜側(cè)玻璃套管插入一只測(cè)溫?zé)犭娮瑁?用于測(cè)量塔釜液相溫度， 釜底玻璃套管

7、裝有電加熱棒， 采用電加熱， 加熱釜料， 并通過(guò)一臺(tái)自動(dòng)控溫儀控制加熱溫度， 使塔釜的傳熱量基本保持不變。 塔釜加熱沸騰后產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)填料層到達(dá)塔頂全凝器。 為了滿足各種不同操作方式的需要， 在全凝器與回流管之間設(shè)置了一個(gè)特殊構(gòu)造的容器。 在進(jìn)行分相回流時(shí)， 它可以用作分相器兼回流比調(diào)節(jié)器；當(dāng)進(jìn)行混相回流時(shí)，它又可以單純地作為回流比調(diào)節(jié)器使用。此外， 需要特別說(shuō)明的是在進(jìn)行分相回流時(shí)， 分相器中會(huì)出現(xiàn)兩層液體。 上層為富苯相、 下層為富水相。 實(shí)驗(yàn)中， 富苯相由溢流口回流入塔， 富水相則采出。由于本實(shí)驗(yàn)只做間歇操作， 為了保證有足夠高的溢流液位， 富水相應(yīng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出。3.2 流程具體試驗(yàn)

8、流程見圖 2 所示。61生暖靜2測(cè)溫?zé)犭娮鑣埴科塔4塔混5電加效靜6分相翳電遨鉉a回流七拒新靜?檢出液收耒粉io恤字式溫腹顯示骷11檜娘攸12屈科口 將出料口圖2共沸精鬧流程3.3 試劑j本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)試劑為乙醇80.0g和苯37.1g。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .稱取80g的乙醇和37.1g的苯加入塔釜中，并分別對(duì)原料乙醇和苯進(jìn)行 色譜分析，確定其組成。2 .向全凝器中通入冷卻水，開啟釜電加熱系統(tǒng)，并把系統(tǒng)調(diào)整至全回流，調(diào)節(jié)加熱電流慢慢升至0.4a（注意不要使電流過(guò)大，以免設(shè)備突然受熱而損壞）。 然后記錄下此時(shí)的時(shí)間、塔釜和塔頂?shù)某跏紲囟取⒓訜犭娏饕约八蜕?、下?加熱電流。3 .待釜液沸騰，開啟

9、塔身保溫電源，調(diào)節(jié)保溫電流，上段為 0.2a,下段為 0.2a,并才i續(xù)30分鐘，以使填料層具有均勻的溫度梯度，保證全塔處在正常的 操作范圍內(nèi)。4 .一個(gè)小時(shí)后，打開回流比調(diào)節(jié)器，調(diào)至 5:1,并在后面的2小時(shí)內(nèi)，每20 分鐘中對(duì)塔釜樣品做一次色譜分析，分別記錄下水、乙醇和苯的氣相色譜峰面積。5 .過(guò)20分鐘后把回流比調(diào)節(jié)器調(diào)至3:1,再過(guò)兩個(gè)5分鐘后分別把回流比調(diào) 節(jié)器調(diào)至1:1和1:3。6 .做完前面2個(gè)小時(shí)的最后一組色譜分析之后，發(fā)現(xiàn)樣品中苯的存在，于是 把塔頂放空一格，等其溢流之后5分鐘，再做一組塔釜?dú)庀笊V分析，并記錄相 關(guān)數(shù)據(jù)。7 .關(guān)閉電源，將所有蒸出液放入分液漏斗，放置 5分鐘

10、，將分離后的富苯相 和富水相及釜液分別稱重并用色譜分析，并分別記錄下各自的質(zhì)量和其各組分的 氣象色譜峰面積。8 .關(guān)閉冷卻水，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五、原始數(shù)據(jù)記錄表表3精微過(guò)程各時(shí)刻實(shí)驗(yàn)記錄設(shè)備編號(hào)：03時(shí)刻上段 加熱 電流/a釜加 熱電 流/a下段 加熱 電流 /a塔頂 溫度 /c塔釜 控溫 /c峰回積/ n v*s峰的百分含量/%水乙醇本水乙醇本14:070.210.370.2018.417.4一一一一一一15:050.200.370.2161.071.95150190792438832.1474079.554618.2979315:250.200.370.2161.675.742192098141

11、8731.9540997.17840.86750715:450.200.380.2061.875.83884222871一1.7128698.28714一16:050.200.370.2061.775.62696207328一1.2836698.71634一16:250.200.380.2061.875.71550160044一0.9591999.04081一16:450.200.380.2061.775.62073249649一0.8235399.17647一17:0.200.370.2061.875.71774245618970.7198.50.7600601502766083617:12

12、0.200.370.2061.875.711792059 04一0.5693499.43066一表4塔頂塔釜產(chǎn)物分析記錄物相名 稱質(zhì)重/g峰回積/ n v*s峰的百分含量/%水乙醇本水乙醇本富水相10.181049341479824191635.5911250.1919714.21691富苯相25.869083478281825513.793086p 19.9731176.23381塔釜液71.30一20760123268一89.9215610.07844表5原料組成色譜分析記錄表個(gè)j劑組積成乙醇本1212水1286613394一一乙醇217703219566一一苯一一214129213013

13、表6色譜分析條件柱 1:壓力 0.065mpa柱 2:壓力 0.065mpa柱箱溫度：1450c氣化室溫度：110檢測(cè)室溫度：110水乙醇本保留時(shí)間（分鐘）0.1530.4351.955校正因子0.7221.0001.278橋電流：100ma信號(hào)衰減：6進(jìn)樣量：0.6 “l(fā)p%f-?fi?ai?ai六、數(shù)據(jù)處理6.1 全塔物料衡算及塔頂三元共沸物的組成分析1對(duì)塔內(nèi)水進(jìn)行物料衡算原料乙醇中水含量：=3.3246g(12866 + 13394) x 0.722 x80mw = (12866 + 13394) x 0.722 + (217703 + 219566)3.793086 x 0.722 x

14、 25.86富苯相中水含量:mbw = 0.5895g3.793086 x 0.722 + 19.97311 + 76.23381 x 1.278富水相中水含量：mww_35.59112 x 0.722 x 10.18=35.59112 x0.722 + 50.19197 + 14.21691x 1.278=2.7812g塔釜液中水含量:mfw = 0g則塔內(nèi)殘余水含量為：3.3246 - 0.5895 - 2.7812 - 0 = - 0.0461g2對(duì)塔內(nèi)乙醇進(jìn)行物料衡算原料中乙醇含量:(217703 + 219566) x80ma =：(12866 + 13394) x 0.722 +

15、(217703 + 219566)富苯相中乙醇含量：=76.6754gmba =19.97311 x 25.863.793086 x 0.722+ 19.97311 + 76.23381 x 1.278=4.2992g富水相中乙醇含量:50.19197 x10.18 mwa =35.59112 x 0.722 + 50.19197 + 14.21691 x 1.278塔釜液中乙醇含量：=5.4323g89.92156 x 71.30mfa =則塔內(nèi)殘余乙醇含量為:89.92156 + 10.07844 x 1.27876.6754 - 4.2992 - 5.4323 -62.3667g62.3

16、667 = 4.5772 g3對(duì)塔內(nèi)苯進(jìn)行物料衡算原料中苯含量:mb = 37.10g富苯相中苯含量:76.23381 x 1.278 x25.86mbb = 3.793086 x0.722 + 19.97311 + 76.23381 x 1.278 = 20.9713g 富水相中苯含量：mwb =14.21691 x 1.278 x10.1835.59112 x 0.722 + 50.19197 + 14.21691 x 1.278=1.9665g塔釜液中苯含量:mfb =10.07844 x 1.278 x 71.30 _89.92156 + 10.07844 x 1.278 =8.933

17、3g則塔內(nèi)殘余苯的含量為：37.10- 20.9713 - 1.9665 - 8.9333 = 5.2289g4塔內(nèi)總持液量衡算塔內(nèi)殘余液理論量為 80 + 37.1 - 10.18 - 25.86 - 71.30 = 9.76g 而實(shí)際塔內(nèi)殘余液量為-0.0461+ 4.5772 + 5.2289 = 9.76g 兩者完全相等。5對(duì)物料衡算結(jié)果的分析塔內(nèi)總殘余液比例:9.76” 77；t ?100% = 8.3348% 80 + 37.1從上述計(jì)算可以看出，塔內(nèi)殘余液占了很大的比例，其中既包括了乙醇，也 包括了苯，且兩者質(zhì)量比例大約為 0.8754: 1。而對(duì)于塔內(nèi)水的衡算結(jié)果為負(fù)值這一事實(shí)

18、，由于其值很小且趨近于零，所以我認(rèn)為可能是實(shí)驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差導(dǎo)致的。6塔頂三元共沸物組成計(jì)算組分水所占比例:0.5895 + 2.7812ci)w =x 100% = 9.4%25.86+ 10.18相對(duì)誤差:0.094 - 0.074rw = |-0-074| x100% = 27.0%組分乙醇所占比例:4.2992 + 5.4323a =x100% = 27.0%25.86 + 10.18相對(duì)誤差:0.270 - 0.185ra=|0.185|100% = 45.9%組分苯所占比例:20.9713 + 1.9665 wb = x 100% = 63.6%b 25.86 + 10.1

19、8相對(duì)誤差:= 0.636 - 0.741 x100% = 14.2%10.7411總結(jié)上述結(jié)果得到下表:表7塔頂三元共沸物組成水乙醇本質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0940.2700.636相對(duì)叱27.0%45.9%14.2%6.2 25 c下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲線及簡(jiǎn)要說(shuō)明右圖所示為25oc下水一乙醇一苯的三元相圖，其中a、b、w分別代表乙醇、 苯和水；abz、aw、bwz代表三個(gè)二元共沸物，t表示三元共沸物；圖中的曲線 即為25c下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲線；線段 fb則為加料線。將乙醇一水的混合物加入塔釜中，此時(shí)即對(duì)應(yīng)右圖中的f點(diǎn)，隨著苯的加入, 原料液的組成點(diǎn)逐漸的向b點(diǎn)遷移。由三元相

20、圖原理可知，如果原料液的組成點(diǎn)落在某個(gè)小三角形內(nèi)。當(dāng)塔頂采用混相回 流時(shí)精儲(chǔ)的最終結(jié)果只能得到這個(gè)小三角 形三個(gè)頂點(diǎn)所代表的物質(zhì)。所以如果想得 到無(wú)水乙醇，就應(yīng)該保證原料液的組成落 在包含頂點(diǎn)a的小三角形內(nèi)，在在a atabz 或aatawz內(nèi)。從沸點(diǎn)看，乙醇一水的共 沸點(diǎn)和乙醇的沸點(diǎn)僅差0.15c,就本實(shí)驗(yàn) 技技術(shù)條件無(wú)法將其分開。而乙醇一苯的 共沸點(diǎn)與乙醇的沸點(diǎn)相差10.06c ,很容易 將它們分離開來(lái)。所以應(yīng)該將原料液的組 成控制在a atabz中。也就是說(shuō)，應(yīng)該通過(guò)控制苯的加入量，使得原料液的組成點(diǎn)落在線段hi之間即可將適量的苯加入塔釜中，通過(guò)控制適宜的塔釜溫度和塔頂回流比， 即可以在 塔釜中得到較為純凈的乙醇，塔頂?shù)玫絻稍腿卜形铮瑥亩_(dá)到了乙醇和水 分離的目的。七、思考題7.1 共沸物加入量的計(jì)算首先，通過(guò)指定的壓力條件查閱相關(guān)的文獻(xiàn)， 確定三元共沸物和所有的兩元 共沸物的的組成，畫出該壓力條件的水一乙醇一苯的三元相圖，如右圖所示。其中a、b、w分別代表乙醇、苯和水；abz、awz、bwz代表三個(gè)二元共沸物，t 表示三元共沸物