天津大學(xué)化工學(xué)院：共沸精餾實驗報告

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱： 共沸精餾 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： 2012年9月25日 班級/學(xué)號： 09 級 分子科學(xué)與工程專業(yè)一 班學(xué)號： 實驗組號：01 指導(dǎo)教師： 實驗成績： 共沸精餾一、 實驗?zāi)康?. 通過實驗加深對共沸精餾過程的理解；2. 熟悉精餾設(shè)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(xué)會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、 實驗原理精餾是利用不同組份在氣-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

2、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-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。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-苯三元共沸物性質(zhì)共沸物（簡記）共沸點/共沸物組成，t%乙醇水苯乙醇-水-苯（T）64.8

3、518.57.474.1乙醇-苯（ABZ）68.2432.70.067.63苯-水（BWZ）69.250.08.8391.17乙醇-水（AWZ）78.1595.574.430.0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-水二元共沸物的共沸物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(shè)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。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

4、三元共沸物。圖中的曲線為25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)。圖中標出的三元共沸組成點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(yīng)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

5、易將它們分離開來。所以分析的最終結(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

6、5;200mm的玻璃塔。內(nèi)部上層裝有網(wǎng)環(huán)型2×2 mm的高效散裝填料，下部裝有三角網(wǎng)環(huán)型的高效散裝填料。填料塔高度略高于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(shè)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

7、比調(diào)節(jié)器使用。這樣的設(shè)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3. 試劑實驗試劑有80g乙醇（化學(xué)純），含量95；苯（分析純）34.6g，含量995。四、 實驗步驟1. 將原料乙醇80g，苯34.6g，依次加入塔釜，打開電源，記錄時間、塔釜及塔頂?shù)某跏紲囟群图訜犭娏鳎?. 30分鐘后打開回流比，調(diào)至5：1，20分鐘后調(diào)至3：1；3. 溢流開始后，在溢流管仍有水珠連續(xù)流出的條件

8、下，將回流比調(diào)至1：1，再過10分鐘后調(diào)至1：3至結(jié)束；4. 3小時后開始蒸出過量的苯，根據(jù)色譜分析結(jié)果，分次放出若干量蒸出液，直至將塔釜內(nèi)苯內(nèi)苯蒸凈；5. 將所有蒸出液放入分液漏斗內(nèi)，靜置5分鐘，將分離后的富苯相和富水相分別稱重，并分別分析。五、 實驗原始數(shù)據(jù)設(shè)備編號：01原始數(shù)據(jù)記錄表見附頁預(yù)習(xí)報告五、實驗記錄。備注：1. 氣相色譜操作條件：壓力為0.075MPa，汽化室溫度為110，柱箱溫度為135,檢測室溫度為110。 2. 各物質(zhì)校正因子：f(Water)=0.742，f(Alcohol)=1.000，f(Benzene)=1.170。六、 實驗數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)處理表格1.1 表1

9、：色譜分析條件水乙醇苯保留時間/min（參考值）0.2230.462.105校正因子0.74211.171.2 表2：各階段塔底組份分析表時間保留時間峰面積/uV.s總面積/uV.s百分含量（%）實際百分含量2:55水0.220 79812543250.03138 0.02296 乙醇0.470 2127630.83658 0.82474 苯2.207 335810.13204 0.15230 3:15水0.210 72012442800.02948 0.02204 乙醇0.440 2370790.97052 0.97796 苯-3:35水0.216 71082504310.02838 0.0

10、2122 乙醇0.445 2433230.97162 0.97878 苯-3:55水0.217 43311751320.02473 0.01847 乙醇0.462 1708010.97527 0.98153 苯-4:15水0.219 53382700790.01976 0.01474 乙醇0.444 2647410.98024 0.98526 苯-4:35水0.230 45382625030.01729 0.01288 乙醇0.448 2579650.98271 0.98712 苯-4:55水0.237 39912629440.01518 0.01131 乙醇0.456 2589530.984

11、82 0.98869 苯-1.3表3：富水相、富苯相及釜液的色譜分析結(jié)果表（反應(yīng)結(jié)束后）質(zhì)量/g保留時間（min）峰面積/uV.s總面積/uV.s百分含量（%）實際百分含量富水相8.27水0.190 1167432940700.39699 0.32146 乙醇0.489 1448830.49268 0.53767 苯2.221 324440.11033 0.14087 富苯相20.43水0.196 130162653730.04905 0.03267 乙醇0.502 544580.20521 0.18419 苯1.765 1978990.74574 0.78314 釜液71.57水0.221

12、30942657260.01164 0.00852 乙醇0.435 2353030.88551 0.87287 苯2.220 273290.10285 0.11861 1.4原料乙醇和苯的色譜分析表原料乙醇組分保留時間（min）峰面積/uV.s百分含量（%）第一次水0.217190720.047655847乙醇0.4522827990.952344153第二次水0.217176980.047069838乙醇0.4542658560.952930162原料苯組分保留時間（min）峰面積/uV.s百分含量（%）第一次苯1.775201928100第二次1.791193619100實際百分含量用公式

13、 Pi%=f'iAif'iAi進行計算計算舉例：以反應(yīng)富苯相中的各組分實際百分含量為例進行計算：P水%= 0.742×130160.742×13016+1×54458+1.17×197899=3.267%P乙醇%= 1×544580.742×13016+1×54458+1.17×197899=18.419%P苯%= 1.17×1978990.742×13016+1×54458+1.17×197899=78.314%2. 數(shù)據(jù)處理計算2.1做全塔物料衡算，并對共

14、沸物形成的富水相和富苯相進行分析和衡算，求出塔頂三元共沸物的組成。1) 對塔內(nèi)乙醇進行物料衡算原料液中乙醇含量百分比：(0.952344153+0.952930162)/2=0.9526原料液中乙醇含量：80*0.9526=76.21g由上表所得：富水相中乙醇質(zhì)量分數(shù)：xdwa=0.53767富水相中乙醇含量：8.27*0.53767=4.4465g富苯相中乙醇質(zhì)量分數(shù)：xdba=0.18419富苯相中乙醇含量：20.43*0.18419=3.7630g塔釜中乙醇含量：mba=mb*xba=71.57×0.87287=62.4714g則塔內(nèi)殘余乙醇的含量為：La=76.21-4.44

15、65-3.7630-62.4714=5.5291g2) 對塔內(nèi)苯進行物料衡算原料液中苯含量34.6g由上面表格中計算得到的實際百分比得：富水相中苯含量：mdwb=mdw*xdwb=8.27×0.14087=1.1650g富苯相中苯含量：mdbb=mdb*xdbb=20.43×0.78314=15.9996g塔釜液中苯的含量：mbb=mb*xbb=71.57×0.11861=8.4891g則塔內(nèi)殘余苯的含量為：Lb=34.6-1.1650-15.9996-8.4891=8.9463g3) 對塔內(nèi)水進行物料衡算原料液中水含量為80*(1-0.9526)=3.792富苯

16、相中水含量：mdbw=mdb*xdbw=8.27×0.32146=2.6585g富水相中水含量：mdww=mdw*xdww=20.43×0.03267=0.6674g釜液中的水含量：mbw=mb*xbw=71.57×0.00852=0.6095g塔內(nèi)殘余水含量：3.792-2.6585-0.6674-0.6095=-0.1434g4) 塔內(nèi)總持液量為：80+34.6-8.27-20.43-71.57=14.33g5.5291+8.9463-0.1434=14.3320g5) 對物料衡算結(jié)果的分析：塔內(nèi)總持液比例：=14.332080+34.6*100%=12.50

17、6%從上述計算可以看出，塔內(nèi)持液占了不小的比例，其中既包括了乙醇，也包括了苯和水。當然除了塔內(nèi)殘留一部分外，可能還有一些乙醇通過各種可能途徑揮發(fā)了。對于塔內(nèi)水的衡算結(jié)果為負值這一事實，經(jīng)過分析，我們認為這是由于在進行塔釜產(chǎn)品衡算時，對氣相色譜的分辨率設(shè)置過低，導(dǎo)致水的色譜峰沒有被識別所造成。6) 塔頂三元共沸物組成計算組分水所占比例：w=2.6585+0.66748.27+20.43*100%=11.588%相對誤差：rw=|0.11588-0.0740.074|×100%=56.59%組分乙醇所占比例：a=4.4465+3.76318.27+20.43*100%=28.605%相對

18、誤差：ra=|0.28605-0.1850.185|×100%=54.62%組分苯所占比例：b=1.1650+15.99968.27+20.43*100%=59.807%相對誤差：rb=|0.59807-0.7410.741|×100%=19.289%總結(jié)上述結(jié)果得到下表：表5 塔頂三元共沸物組成水乙醇苯質(zhì)量分數(shù)11.588%28.605%59.807%相對誤差56.59%54.62%19.289%誤差結(jié)果分析：從上表可以看出，實驗的測出的相對誤差比較大，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

19、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。而且由于苯有很強的揮發(fā)性，在那么長的時間內(nèi)揮發(fā)了，造成苯的質(zhì)量分數(shù)減小，從而引起其他質(zhì)量分數(shù)的上升，從實驗數(shù)據(jù)也可以看出這一點。今后實驗前，一定要仔細，認真檢查實驗儀器的工作狀態(tài)。2.2畫出25下乙醇水苯三元物系的溶解度曲線。在圖上表明共沸物的組成點，畫出加料線。如圖所示，BF為加料線，T為共沸點。圖中曲線為溶解度曲線。七、 思考題1. 如何計算共沸劑的加入量？1) 在指定的壓力下，做水-乙醇-苯的三角相圖；2) 根據(jù)相關(guān)文獻在圖上確定共沸物組成點（自由度為1，所以務(wù)必確定是該壓力下的共沸點組成），包括三元共沸物，

20、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(yīng)控制在ATABZ中；3) 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。4) 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(yīng)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？總共需要六個數(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mb；2、塔頂富水相質(zhì)量mdw；3、塔頂富苯相質(zhì)量mdb；4、塔釜殘液各組分質(zhì)量分數(shù)xbi；5、塔頂富水相各組分質(zhì)量分數(shù)xdwi；6、塔頂富苯相各組分質(zhì)量分數(shù)xdbi；7、原料液質(zhì)量mf；8、原料液各組分的質(zhì)量分數(shù)xfi。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：mf*xfi-mdw*xdwi-mdbi*x