天津大學專業(yè)實驗共沸精餾

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱：共沸精餾組號：實驗人員：同組人：實驗地點：天大化工技術(shù)實驗中心624室實驗時間：2014年4月11日指導教師：齊曉周班級/學號：學號：實驗成績：共沸精餾 一、 實驗目的：1通過實驗加深對共沸精餾過程的理解。2熟悉精餾設備的構(gòu)造，掌握精餾操作方法。3能夠?qū)s過程做全塔物料衡算。4學會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、 實驗原理：1.共沸精餾精餾是利用不同組份在氣一液兩相間的分配，通過多次氣液兩相間的傳質(zhì)和傳熱來達到分離的目的。對于不同的分離對象，精餾方法也會有所差異。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溫度極為相

2、近，所以采用普通精餾方法只能得到乙醇和水的混合物，而無法得到無水乙醇。為此，在乙醇一水系統(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。在精餾過程中共沸劑將以共沸物的形式從塔頂蒸出，塔釜則得到無水乙醇。這種方法就稱作共沸精餾。2. 共沸物乙醇水系統(tǒng)加入共沸劑苯以后可以形成四種共沸物?，F(xiàn)將它們在常壓下的共沸溫度、共沸組成列于表1。為了便于比較，再將乙醇、水、苯三種純物質(zhì)常壓下的沸點列于表2。表1 乙醇水一苯三元共沸物性質(zhì)共沸物組成，t%共沸物（簡記）共沸點乙醇水苯乙醇水一苯（T）64.8518.57.474.1乙醇一苯（ABZ）68.243

3、2.7067.63苯一水（BWZ）69.2508.8391.17乙醇一水（AWz）78.1595.574.430表2 乙醇、水、苯的常壓沸點物質(zhì)名稱（簡記）乙醇（A）水（W）苯（B）沸點溫度（）78.310080.2從表1和表2列出沸點看，除乙醇一水二元共沸物的共沸點與乙醇沸點相近之外，其余三種共沸物的沸點與乙醇沸點均有10左右的溫度差。因此，可以設法使水和苯以共沸物的方式從塔頂分離出來，塔釜則得到無水乙醇。3.相圖整個精餾過程可以用圖1 來說明。圖中A、B、W分別為乙醇、苯和水的英文字頭；ABZ、AWZ、BWZ，代表三個二元共沸物 。T表示三元共沸物。圖中的曲線為25下乙醇、水、苯三元混合物

4、的溶解度曲線。該曲線下方為兩相區(qū)，上方為均相區(qū)。圖中標出的三元共沸組成點T是處在兩相區(qū)內(nèi)。圖1 乙醇、水、苯三元相圖以T為中心，連接三種純物質(zhì)A、B、w及三個二元共沸點組成點ABZ、AWZ、BWZ，將該圖分為六個小三角形。如果原料液的組成點落在某個小三角形內(nèi)。當塔頂采用混相回流時精餾的最終結(jié)果只能得到這個小三角形三個頂點所代表的物質(zhì)。故要想得到無水乙醇，就應該保證原料液的組成落在包含頂點A的小三角形內(nèi)，即在ATABz或ATAWz內(nèi)。從沸點看，乙醇水的共沸點和乙醇的沸點僅差0.15，就本實驗的技術(shù)條件無法將其分開。而乙醇一苯的共沸點與乙醇的沸點相差10.06，很容易將它們分離開來。所以分析的最終

5、結(jié)果是將原料液的組成控制在ATABz中。圖1中F代表未加共沸物時原料乙醇、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FB連線變化，并與AT線交于H點，這時共沸劑苯的加入量稱作理論共沸劑用量，它是達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，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。分相回流也是實際生產(chǎn)中普遍采用的方法。它的突出優(yōu)點是共沸劑的用量少，共沸劑提純的費用低。三、裝置、流程及試劑1裝置本實驗所用的精餾塔為內(nèi)徑20×200mm的玻璃塔。內(nèi)裝網(wǎng)環(huán)型 2

6、×2 mm的高效散裝填料。填料層高度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溫熱電阻，用于測量塔釜液相溫度，釜底玻璃套管裝有電加熱棒，采用電加熱，加熱釜料，并通過一臺自動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置了一個特殊構(gòu)造的容器。在進行分相回流時，它可以用作分相器兼回流比調(diào)節(jié)器；當進行混相回流時，它又可以單純地作為回流比調(diào)節(jié)器使用。這樣的設計既實現(xiàn)了連續(xù)精餾操作，又可進行間歇精餾操作。此外，需要特別說

7、明的是在進行分相回流時，分相器中會出現(xiàn)兩層液體。上層為富苯相、下層為富水相。實驗中，富苯相由溢流口回流入塔，富水相則采出。當間歇操作時，為了保證有足夠高的溢流液位，富水相可在實驗結(jié)束后取出。2流程具體的實驗流程見圖2。圖2 共沸精餾流程3試劑實驗試劑有乙醇（化學純），含量95：苯（分析純），含量995。四、實驗步驟1.稱取80克95%的乙醇和克的苯，加入塔釜中，加入之后蓋嚴加料口。2.打開儀器后面的水龍頭，向全凝器中加入冷卻水，確定冷卻水已經(jīng)回流之后，經(jīng)過老師檢查無誤，才開啟釜電加熱系統(tǒng)，調(diào)節(jié)加熱電流逐漸升至0.4A，記錄數(shù)據(jù)（上段加熱電流、下段加熱電流、塔釜加熱電流、塔頂溫度、塔釜溫度）。此

8、時時間為14:12。3.當釜液沸騰時（沸騰大約需時30分鐘），開啟塔身保溫電源，調(diào)節(jié)保溫電流，上段和下短均為0.20A，這樣可以使填料層具有均勻溫度梯度，能夠保證全塔處在正常的操作范圍內(nèi)。4.當塔頭有液體出現(xiàn)并且全回流穩(wěn)定后，調(diào)整回流比為5:1，進行混相回流操作，記錄數(shù)據(jù)并對塔釜進行氣相色譜分析，記錄數(shù)據(jù)（保留時間、峰面積、含量百分比）。此時時間為14:55.5.在回流比為5:1條件下運行20分鐘后，把回流比調(diào)成3:1，對塔釜進行氣相色譜分析并記錄數(shù)據(jù)。此時時間為15:15，20分鐘之后再將回流比調(diào)成1:1，對塔釜進行氣相色譜分析并記錄數(shù)據(jù)。此時時間為15:35.6.20分鐘之后再將回流比調(diào)成

9、1:3，對塔釜進行氣相色譜分析并記錄數(shù)據(jù)。此時時間為15:55.之后每隔20分鐘記錄一次數(shù)據(jù)并對塔釜進行氣相色譜分析，直至塔釜中乙醇含量大于或接近99.6%，停止加熱，讓塔內(nèi)持液全部流至塔釜，取出釜液。7.將塔頂流出液用分液漏斗分離，并依次用氣相色譜儀分析富水相、富苯相以及釜液組成，并分別稱重。再對原料乙醇進行色譜分析2次，苯分析1次。8.經(jīng)老師檢查并允許離開后，切斷設備的供電電源，關閉冷卻水，結(jié)束實驗。五、注意事項1.蓋嚴加料口時注意力氣不宜過大，否則不易打開，并注意膜不要漏氣。2.調(diào)節(jié)加熱電流時電流不宜過大，以免設備突然受熱而損壞。3.關于微型注射器：用微型注射器取液時一定要洗滌數(shù)次再將液

10、體取出；抽取液體時一定注意用力不宜過猛，否則會使注射器的細鋼絲變彎，導致不能使用；取出的液體大約在10微升左右，不要只用1微升就只取1微升；向氣相色譜儀打入液體時速度既不要過快也不要過慢，過快會導致鋼絲變彎，過慢會造成多次進樣，引起誤差。4.塔頂餾出液要徹底分層后再用用分液漏斗分離，一定要注意在分界面處停止分離，避免混合。5.由于苯有毒，實驗時應注意安全，有問題及時向老師反應。6.實驗儀器序號、實驗用具序號和氣相色譜儀序號均應保持一致，不宜弄混。七、實驗數(shù)據(jù)處理1全塔物料衡算原料乙醇和苯的組成測定：表8 原料組成分析數(shù)據(jù)物相名稱質(zhì)量/g物質(zhì)保留時間峰面積含量原料乙醇80.00第一次水0.223

11、265476.41494乙醇0.45138728493.58506第二次水0.219658513.458828乙醇0.4584234486.54172原料苯38.90苯1.754234365100（1）對塔內(nèi)乙醇進行物料衡算以反應釜液中乙醇質(zhì)量分數(shù)：X乙醇1=311838×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.8192m乙醇1=76.3×0.8192=62.50g富水相中乙醇質(zhì)量分數(shù)：X乙醇2=194474×1.000÷（158442×0.724+19

12、4474×1.000+47003×1.170）=0.5340m乙醇2=9.7×0.5340=5.18g富苯相中乙醇質(zhì)量分數(shù)：X乙醇3=71444×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+299622×1.170）=0.1654m乙醇3=19.0×0.1654=3.14g原料乙醇質(zhì)量分數(shù)：X乙醇=387284×1.000÷（26547×0.724+387284×1.000）=0.9527m乙醇=80.00×0.9527=76.22g則塔

13、內(nèi)殘余乙醇的含量為：76.22-62.50-5.18-3.14=5.40g(2) 對塔內(nèi)苯進行物料衡算原料液中苯含量:m苯=38.90×1.00=38.90g以反應釜液中苯質(zhì)量分數(shù)：X苯1=57425×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.1509m苯1=76.3×0.1509=11.51g富水相中苯質(zhì)量分數(shù)：X苯2=47003×1.000÷（158442×0.724+194474×1.000+47003×1.170）=0

14、.1291m苯2=9.7×0.1291=1.25g富苯相中苯質(zhì)量分數(shù)：X苯3=299622×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+299622×1.170）=0.6937m苯3=19.0×0.6937=13.18g則塔內(nèi)殘余苯的含量為：38.90-11.51-1.25-13.18=9.95g(3) 對塔內(nèi)水進行物料衡算原料液中水含量:m水=326547×1.000÷（26547×0.724+387284×1.000）=3.78g以反應釜液中水質(zhì)量分數(shù)：X水1=2

15、230×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.0059m水1=76.3×0.0059=0.45g富水相中水質(zhì)量分數(shù)：X水2=158442×1.000÷（158442×0.724+194474×1.000+47003×1.170）=0.4352m水2=9.7×0.4352=4.22g富苯相中水質(zhì)量分數(shù)：X水3=13798×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+2

16、99622×1.170）=0.0319m水3=19.0×0.0319=0.61g則塔內(nèi)殘余水的含量為：3.78-0.45-4.22-0.61= -1.5g （4）塔內(nèi)總持液量為80.00+38.90-9.7-19.0-76.3=10.89g塔內(nèi)剩余量為5.40+9.95-1.5=13.85g兩者結(jié)果相差2.96g，可能在接取溶液反應釜中有殘余，萃取時也有損失。（5）對物料衡算結(jié)果分析為 10.89÷（80.00+38.90）×100%=9.40%2.塔頂三元共沸物組成計算組分水所占比例：水=（4.22+0.61）÷（9.7+19.0）×

17、;100%=16.83%相對誤差：水=丨0.1683-0.074丨÷0.074×100%=127%組分乙醇所占比例：乙醇=（5.18+3.14）÷（9.7+19.0）×100%=28.99%相對誤差：乙醇=丨0.2899-0.185丨÷0.185×100%=56.70%組分苯所占比例：苯=（1.25+13.18）÷（9.7+19.0）×100%=50.28%相對誤差：苯=丨0.5028-0.741丨÷0.741×100%=32.14%八、結(jié)果匯總與討論1.從物料衡算的結(jié)果，我們可以看出，塔內(nèi)持液

18、占了不小的比例，其中既包括了乙醇，也包括了苯。分液時，由于旋塞處有液體流出，導致富水相、富苯相質(zhì)量減少。這樣就導致了實驗結(jié)果的誤差較大，并且水的物料衡算時，塔持水量為負值。2. 總述上述結(jié)果可以得到下表：表9 塔頂三元共沸物組成水乙醇苯質(zhì)量分數(shù)16.83%28.99%50.28%相對誤差127%56.70%32.14%3. 乙醇-水-苯三元物系溶解度曲線如圖，共沸物組成點為T，加料線為FB。將乙醇水的混合物加入塔釜中，此時即對應右圖中的F點，隨著苯的加入，原料液的組成點逐漸的向B點遷移。由三元相圖原理可知，如果原料液的組成點落在某個小三角形內(nèi)。當塔頂采用混相回流時精餾的最終結(jié)果只能得到這個小三

19、角形三個頂點所代表的物質(zhì)。所以如果想得到無水乙醇，就應該保證原料液的組成落在包含頂點A的小三角形內(nèi)，即在ATABz或ATAWz內(nèi)。從沸點看，乙醇水的共沸點和乙醇的沸點僅差0.15，就本實驗的技術(shù)條件無法將其分開。而乙醇苯的共沸點與乙醇的沸點相差10.06，很容易將它們分離開來。所以應該將原料液的組成控制在ATABz中。也就是說，應該通過控制苯的加入量，使得原料液的組成點落在線段HI之間即可。將適量的苯加入塔釜中，通過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?，從而達到了乙醇和水分離的目的。九、思考題1如何計算連續(xù)精餾中共沸劑的最小加入量？答：在指

20、定的壓力下，做水-乙醇-苯的三角相圖；根據(jù)相關文獻在圖上確定共沸物組成點（自由度為1，所以務必確定是該壓力下的共沸點組成），包括三元共沸物，所有可能的二元共沸物。按照實驗原理中的說明做出下面的連線。由沸點參數(shù)可知，原料液組成應控制在ATABZ中；連接F，B兩點，交ATABZ于H和I，這兩點分別是加入共沸劑的最小量和最大量。從圖上可以讀出各線段長度。利用杠桿規(guī)則，若混合液的組成為I， 則mB=mF*|IF|/|BI|；若混合液組成為H，則mB=mF*|HF|/|BH|。I和H之間的組成點所用到的共沸劑量應在這兩個值之間。2. 需要測出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具體的衡算方法是什么？答：總共需

21、要六個數(shù)據(jù)才能對全塔進行物料衡算，具體分別是：1、塔釜液質(zhì)量；2、塔頂富水相質(zhì)量；3、塔頂富苯相質(zhì)量；4、塔釜殘液各組分質(zhì)量分數(shù)；5、塔頂富水相各組分質(zhì)量分數(shù)；6、塔頂富苯相各組分質(zhì)量分數(shù)；7、原料液質(zhì)量；8、原料液各組分的質(zhì)量分數(shù)。具體衡算方法如下：忽略塔內(nèi)總持液量的影響，對塔內(nèi)各個組分列算式：，如果結(jié)果近似等于0，則認為該組分在全塔范圍內(nèi)守恒。否則需要將塔內(nèi)損失考慮在內(nèi)。3. 將計算出的三元共沸物組成與文獻值比較，求出其相對誤差，并分析實驗過程中產(chǎn)生誤差的原因。答：相對誤差見表9。之所以會引起誤差，主要是因為該求算方法計算的只是塔頂餾出液的組成，而塔頂餾出液實際上是三元共沸物與二元共沸物的混合液。該實驗過程并沒有很好地對三元共沸物蒸盡的臨界點進行控制，因而沒法按照精確方法計算。4.連續(xù)精餾中，如果共沸劑加入量超過最小共沸量，會對精餾產(chǎn)物造成什么影響？試分析說明。 答：在共沸精餾中由于溫度的控制不準確，而且三元共沸物和二元共沸物的沸點接近，所以二元共沸物容易夾雜在三元共沸物中，影響精餾