試驗(yàn)二共沸精餾

實(shí)驗(yàn)二共沸精餾實(shí)驗(yàn)二共沸精餾、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?通過實(shí)驗(yàn)加深對共沸精餾過程的理解。.熟悉精餾設(shè)備的構(gòu)造，掌握精餾操作方法。.能夠?qū)s過程做全塔物料衡算。.學(xué)會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、實(shí)驗(yàn)原理：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(dá)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(diǎn)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。

乙醇一水系統(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(diǎn)列于表2。表1乙醇一水一苯三元共沸物性質(zhì)共沸物（簡記）共沸點(diǎn)℃共沸物組成，t%乙醇水苯乙醇一水一苯⑴64.8518.57.474.1乙醇一苯（ABZ）68.2432.70.067.63苯一水（BWZ）69.250.08.8391.17乙醇一水（AWZ）78.1595.574.430.0表2乙醇、水、苯常壓沸點(diǎn)物質(zhì)名稱（簡記）乙醇（A）水（W）苯（B）沸點(diǎn)溫度(℃)78.310080.2從表1和表2列出沸點(diǎn)看，除乙醇一水二元共沸物的共沸點(diǎn)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(gè)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(gè)二元共沸物，T表示三元共沸物。圖中的曲線為25c下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲線。該曲線下方為兩相區(qū)，上方為均相區(qū)。圖中標(biāo)出的三元共沸組成點(diǎn)T是處在兩相區(qū)內(nèi)。圖125℃下乙醇-水-苯三元混合物的溶解度曲線以T為中心，連接三種純物質(zhì)A、B、火及三個(gè)二元共沸點(diǎn)組成點(diǎn)ABz、AWz、BWz,將該圖分為六個(gè)小三角形。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AATABz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0.15℃，就本實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件無法將其分開。而乙醇一苯的共沸點(diǎn)與乙醇的沸點(diǎn)相差10.06℃,很容易將它們分離開來。所以分析的最終結(jié)果是將原料液的組成控制在AATABz中。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FB連線變化，并與AT線交于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)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1.裝置本實(shí)驗(yàn)所用的精餾塔為內(nèi)徑①20X200mm的玻璃塔。內(nèi)裝三角螺旋高效散裝填料。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?zé)犭娮?，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(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。這樣的設(shè)計(jì)既實(shí)現(xiàn)了連續(xù)精餾操作，又可進(jìn)行間歇精餾操作。此外，需要特別說明的是在進(jìn)行分相回流時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，富苯相由溢流口回流入塔，富水相則采出。當(dāng)間歇操作時(shí)，為了保證有足夠高的溢流液位，富水相可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出。2.流程具體的實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

.稱取60克95%的乙醇和32克苯，加入塔釜中，并分別對原料乙醇和苯進(jìn)行色譜分析，確定其組成。.向全凝器中通入冷卻水，并開啟釜電加熱系統(tǒng)，調(diào)節(jié)加熱電流慢慢升至0.35A。開啟塔身保溫電源，調(diào)節(jié)保溫電流，上段為0.10A,下段為0.10A,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)。.當(dāng)塔頭有液體出現(xiàn)，全回流20分鐘穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)回流比進(jìn)行混相回流操作，回流比為5：1條件下運(yùn)行至分相器內(nèi)液體開始溢流，然后將回流比調(diào)至1：3。.每隔20分鐘記錄一次塔頂、塔釜溫度，取塔釜?dú)庀嘣嚇舆M(jìn)行純度分析。.待塔釜中乙醇含量大于99.0%時(shí)，停止加熱，得到塔頂餾出液及釜液，然后讓塔內(nèi)持液全部流至塔釜，取出持液。.將塔頂餾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、釜液以及持液組成，并分別稱重。.切斷設(shè)備的供電電源，關(guān)閉冷卻水，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。六、數(shù)據(jù)處理1.全塔物料衡算和三元共沸物的組成

表7產(chǎn)物和原料總結(jié)樣品質(zhì)量/g組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%質(zhì)量富水相5.2水35.169331.8288乙醇54.236912.8203笨10.593770.5509富苯相27.9水1.998500.5576乙醇13.658503.8107苯84.3435023.5318釜液30.0水0.713000.2139乙醇99.2865029.7860持液23.7水0.452520.1072乙醇80.2919319.0292苯19.255064.5634原料乙醇59.1水5.14553.0410乙醇94.855056.0593原料苯32.0苯100.0000032.0000以上色譜結(jié)果為兩次測量的平均值_以原料乙醇中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)第一次色譜分析舉例：已知水、乙醇和苯的相對質(zhì)量校正因子為0.792,1，1.22水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)①_ 0.792x20662.5 _005146①_0.792x20662.5+1x301623..對全塔進(jìn)行物料衡算原料乙醇中乙醇的質(zhì)量：mi=m*3=59.1*95.00476%=56.1478g富水相中乙醇的質(zhì)量：2.8203g富苯相中乙醇的質(zhì)量：3.8107g釜液中乙醇的質(zhì)量：29.7860g持液中乙醇的質(zhì)量：19.0292g塔內(nèi)殘余的乙醇的質(zhì)量：m,=56.1478-(2.8203+3.8107+29.7860+19.0292)=0.7016g同理可得塔內(nèi)殘余的水和苯的質(zhì)量：塔內(nèi)殘余的水的質(zhì)量為：0.3335g,塔內(nèi)殘余的苯的質(zhì)量為:2.4649g殘余的苯的質(zhì)量為:2.4649g塔內(nèi)總持液量為59.14+32.0-(33.96+29.97+23.69)=3.5g，水、乙醇、苯分別為0.3335g，0.7016g，2.4649g，如表8所示。表8塔內(nèi)殘余物質(zhì)量組分水所占比例:1.8288組分水所占比例:1.8288+0.5576 x100%=7.21%5.2+27.9相對誤差:7.21相對誤差:7.21—7.4r= ^x100%=2.58%w7.4組分乙醇所占比例:2.8203+組分乙醇所占比例:2.8203+3.81075.2+27.9x100%=20.03%相對誤差:_|20.03-18.5|W相對誤差:_|20.03-18.5|W——185一x100%=8.27%組分苯所占比例:0.5509+組分苯所占比例:0.5509+23.53185.2+27.9x100%=72.76%水乙醇苯總量塔內(nèi)殘余質(zhì)量/g0.33350.70162.46493.50塔頂三元共沸物組成計(jì)算相對誤差:相對誤差:72.76-74.1r=^ x100%=1.81%w74.1表9塔頂三元共沸物組成

水乙醇苯共沸物組成實(shí)驗(yàn)值/%7.2120.0372.76共沸物組成文獻(xiàn)值/%7.418.574.1相對誤差/%2.588.271.812.25c下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲線及簡要說明圖125℃下乙醇-水-苯三元混合物的溶解度曲線上圖所示為25匕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、AWz、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25℃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)。所以如果想得到無水乙醇，就應(yīng)該保證原料液的組成落在包含頂點(diǎn)A的小三角形內(nèi)，即在AATABz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0.15℃,就本實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件無法將其分開。而乙醇一苯的共沸點(diǎn)與乙醇的沸點(diǎn)相差10.06℃,很容易將它們分離開來。所以應(yīng)該將原料液的組成控制在AATABz中。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卜形铮瑥亩_(dá)到了乙醇和水分離的目的。七、思考題.如何計(jì)算連續(xù)精餾中共沸劑的最小加入量?

答：（1）在指定的溫度、壓AB量時(shí)混合液的組成為H,則mBi:mFx|HF|/|BH\答：（1）在指定的溫度、壓AB量時(shí)混合液的組成為H,則mBi:mFx|HF|/|BH\°.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：測得以下數(shù)據(jù)才能對全塔進(jìn)行物料衡算，具體分別是：塔頂富水相質(zhì)量、塔頂富苯相質(zhì)量、釜液質(zhì)量、持液質(zhì)量、原料質(zhì)量，塔頂富水相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、塔頂富苯相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、釜液各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、持液各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體衡算方法如下：忽略塔內(nèi)損失的影響，對塔內(nèi)各個(gè)組分列衡算式。如果結(jié)果近似等于0,則認(rèn)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)。.將計(jì)算出的三元共沸物組成與文獻(xiàn)值比較，求出其相對誤差，并分析實(shí)驗(yàn)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?yàn)樵撉笏惴椒ㄓ?jì)算的只是塔頂餾出液的組成，而塔頂餾出液實(shí)際上是三元共沸物與二元共沸物的混合液。.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：若連續(xù)精餾的共沸劑用量超過最小用量，從圖1（三元共沸物的三角相圖）可知，塔釜出料是苯和乙醇的混合物，且苯的加入量越多，進(jìn)料組成從H-I移動，塔釜出料中苯的含量越多。.除無水乙醇共沸精餾外，查文獻(xiàn)說明，還有那些物系，可以用共沸精餾方法分離？答：不加共沸劑：正丁醇一水二元非均