天津大学专业实验共沸精馏.docx

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天津大学专业实验共沸精馏

化工专业实验报告

实验名称：

共沸精馏组号：

实验人员：

同组人：

实验地点：

天大化工技术实验中心624室

实验时间：

2014年4月11日指导教师：

齐晓周

班级/学号：

学号：

实验成绩：

共沸精馏

一、实验目的：

1．通过实验加深对共沸精馏过程的理解。

2．熟悉精馏设备的构造，掌握精馏操作方法。

3．能够对精馏过程做全塔物料衡算。

4．学会使用气相色谱分析气、液两相组成。

二、实验原理：

1.共沸精馏

精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配，通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。

对于不同的分离对象，精馏方法也会有所差异。

例如，分离乙醇和水的二元物系。

由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近，所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物，而无法得到无水乙醇。

为此，在乙醇一水系统中加入第三种物质，该物质被称为共沸剂。

共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性。

在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜则得到无水乙醇。

这种方法就称作共沸精馏。

2.共沸物

乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。

现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表1。

为了便于比较，再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

表1乙醇水一苯三元共沸物性质

共沸物组成，t%

共沸物（简记）

共沸点℃

乙醇

水

苯

乙醇—水一苯（T）

64.85

18.5

7.4

74.1

乙醇一苯（ABZ）

68.24

32.7

0

67.63

苯一水（BWZ）

69.25

0

8.83

91.17

乙醇一水（AWz）

78.15

95.57

4.43

0

表2乙醇、水、苯的常压沸点

物质名称（简记）

乙醇（A）

水（W）

苯（B）

沸点温度（℃）

78.3

100

80.2

从表1和表2列出沸点看，除乙醇一水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外，其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有10℃左右的温度差。

因此，可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来，塔釜则得到无水乙醇。

3.相图

整个精馏过程可以用图1来说明。

图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头；ABZ、AWZ、BWZ，代表三个二元共沸物。

T表示三元共沸物。

图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。

该曲线下方为两相区，上方为均相区。

图中标出的三元共沸组成点T是处在两相区内。

图1乙醇、水、苯三元相图

以T为中心，连接三种纯物质A、B、w及三个二元共沸点组成点ABZ、AWZ、BWZ，将该图分为六个小三角形。

如果原料液的组成点落在某个小三角形内。

当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇，就应该保证原料液的组成落在包含顶点A的小三角形内，即在ΔATABz或ΔATAWz内。

从沸点看，乙醇—水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15℃，就本实验的技术条件无法将其分开。

而乙醇一苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃，很容易将它们分离开来。

所以分析的最终结果是将原料液的组成控制在ΔATABz中。

图1中F代表未加共沸物时原料乙醇、水混合物的组成。

随着共沸剂苯的加入，原料液的总组成将沿着FB连线变化，并与AT线交于H点，这时共沸剂苯的加入量称作理论共沸剂用量，它是达到分离目的所需最少的共沸剂量。

上述分析只限于混相回流的情况，即回流液的组成等于塔顶上升蒸汽组成的情况。

而塔顶采用分相回流时，由于富苯相中苯的含量很高，可以循环使用，因而苯的用量可以低于理论共沸剂的用量。

分相回流也是实际生产中普遍采用的方法。

它的突出优点是共沸剂的用量少，共沸剂提纯的费用低。

三、装置、流程及试剂

1．装置

本实验所用的精馏塔为内径Ф20×200mm的玻璃塔。

内装Ө网环型Ф2×2mm的高效散装填料。

填料层高度1.2m。

塔釜为一只结构特殊的三口烧瓶。

上口与塔身相连：

侧口用于投料和采样；下口为出料口；釜侧玻璃套管插入一只测温热电阻，用于测量塔釜液相温度，釜底玻璃套管装有电加热棒，采用电加热，加热釜料，并通过一台自动控温仪控制加热温度，使塔釜的传热量基本保持不变。

塔釜加热沸腾后产生的蒸汽经填料层到达塔顶全凝器。

为了满足各种不同操作方式的需要，在全凝器与回流管之间设置了一个特殊构造的容器。

在进行分相回流时，它可以用作分相器兼回流比调节器；当进行混相回流时，它又可以单纯地作为回流比调节器使用。

这样的设计既实现了连续精馏操作，又可进行间歇精馏操作。

此外，需要特别说明的是在进行分相回流时，分相器中会出现两层液体。

上层为富苯相、下层为富水相。

实验中，富苯相由溢流口回流入塔，富水相则采出。

当间歇操作时，为了保证有足够高的溢流液位，富水相可在实验结束后取出。

2．流程

具体的实验流程见图2。

图2共沸精馏流程

3．试剂

实验试剂有乙醇（化学纯），含量95％：

苯（分析纯），含量99．5％。

四、实验步骤

1.称取80克95%的乙醇和克的苯，加入塔釜中，加入之后盖严加料口。

2.打开仪器后面的水龙头，向全凝器中加入冷却水，确定冷却水已经回流之后，经过老师检查无误，才开启釜电加热系统，调节加热电流逐渐升至0.4A，记录数据（上段加热电流、下段加热电流、塔釜加热电流、塔顶温度、塔釜温度）。

此时时间为14:

12。

3.当釜液沸腾时（沸腾大约需时30分钟），开启塔身保温电源，调节保温电流，上段和下短均为0.20A，这样可以使填料层具有均匀温度梯度，能够保证全塔处在正常的操作范围内。

4.当塔头有液体出现并且全回流稳定后，调整回流比为5:

1，进行混相回流操作，记录数据并对塔釜进行气相色谱分析，记录数据（保留时间、峰面积、含量百分比）。

此时时间为14:

55.

5.在回流比为5:

1条件下运行20分钟后，把回流比调成3:

1，对塔釜进行气相色谱分析并记录数据。

此时时间为15:

15，20分钟之后再将回流比调成1:

1，对塔釜进行气相色谱分析并记录数据。

此时时间为15:

35.

6.20分钟之后再将回流比调成1:

3，对塔釜进行气相色谱分析并记录数据。

此时时间为15:

55.之后每隔20分钟记录一次数据并对塔釜进行气相色谱分析，直至塔釜中乙醇含量大于或接近99.6%，停止加热，让塔内持液全部流至塔釜，取出釜液。

7.将塔顶流出液用分液漏斗分离，并依次用气相色谱仪分析富水相、富苯相以及釜液组成，并分别称重。

再对原料乙醇进行色谱分析2次，苯分析1次。

8.经老师检查并允许离开后，切断设备的供电电源，关闭冷却水，结束实验。

五、注意事项

1.盖严加料口时注意力气不宜过大，否则不易打开，并注意膜不要漏气。

2.调节加热电流时电流不宜过大，以免设备突然受热而损坏。

3.关于微型注射器：

用微型注射器取液时一定要洗涤数次再将液体取出；抽取液体时一定注意用力不宜过猛，否则会使注射器的细钢丝变弯，导致不能使用；取出的液体大约在10微升左右，不要只用1微升就只取1微升；向气相色谱仪打入液体时速度既不要过快也不要过慢，过快会导致钢丝变弯，过慢会造成多次进样，引起误差。

4.塔顶馏出液要彻底分层后再用用分液漏斗分离，一定要注意在分界面处停止分离，避免混合。

5.由于苯有毒，实验时应注意安全，有问题及时向老师反应。

6.实验仪器序号、实验用具序号和气相色谱仪序号均应保持一致，不宜弄混。

七、实验数据处理

1．全塔物料衡算

原料乙醇和苯的组成测定：

表8原料组成分析数据

物相名称

质量/g

物质

保留时间

峰面积

含量

原料乙醇

80.00

第一次

水

0.223

26547

6.41494

乙醇

0.451

387284

93.58506

第二次

水

0.219

6585

13.458828

乙醇

0.458

42344

86.54172

原料苯

38.90

苯

1.754

234365

100

（1）对塔内乙醇进行物料衡算

以反应釜液中乙醇质量分数：

X乙醇1=311838×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.8192

m乙醇1=76.3×0.8192=62.50g

富水相中乙醇质量分数：

X乙醇2=194474×1.000÷（158442×0.724+194474×1.000+47003×1.170）=0.5340

m乙醇2=9.7×0.5340=5.18g

富苯相中乙醇质量分数：

X乙醇3=71444×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+299622×1.170）=0.1654

m乙醇3=19.0×0.1654=3.14g

原料乙醇质量分数：

X乙醇=387284×1.000÷（26547×0.724+387284×1.000）=0.9527

m乙醇=80.00×0.9527=76.22g

则塔内残余乙醇的含量为：

76.22-62.50-5.18-3.14=5.40g

（2）对塔内苯进行物料衡算

原料液中苯含量:

m苯=38.90×1.00=38.90g

以反应釜液中苯质量分数：

X苯1=57425×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.1509

m苯1=76.3×0.1509=11.51g

富水相中苯质量分数：

X苯2=47003×1.000÷（158442×0.724+194474×1.000+47003×1.170）=0.1291

m苯2=9.7×0.1291=1.25g

富苯相中苯质量分数：

X苯3=299622×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+299622×1.170）=0.6937

m苯3=19.0×0.6937=13.18g

则塔内残余苯的含量为：

38.90-11.51-1.25-13.18=9.95g

（3）对塔内水进行物料衡算

原料液中水含量:

m水=326547×1.000÷（26547×0.724+387284×1.000）=3.78g

以反应釜液中水质量分数：

X水1=2230×1.000÷（2230×0.724+311838×1.000+57425×1.170）=0.0059

m水1=76.3×0.0059=0.45g

富水相中水质量分数：

X水2=158442×1.000÷（158442×0.724+194474×1.000+47003×1.170）=0.4352

m水2=9.7×0.4352=4.22g

富苯相中水质量分数：

X水3=13798×1.000÷（13798×0.724+71444×1.000+299622×1.170）=0.0319

m水3=19.0×0.0319=0.61g

则塔内残余水的含量为：

3.78-0.45-4.22-0.61=-1.5g

（4）塔内总持液量为80.00+38.90-9.7-19.0-76.3=10.89g

塔内剩余量为5.40+9.95-1.5=13.85g

两者结果相差2.96g，可能在接取溶液反应釜中有残余，萃取时也有损失。

（5）对物料衡算结果分析为10.89÷（80.00+38.90）×100%=9.40%

2.塔顶三元共沸物组成计算

组分水所占比例：

ω水=（4.22+0.61）÷（9.7+19.0）×100%=16.83%

相对误差：

γ水=丨0.1683-0.074丨÷0.074×100%=127%

组分乙醇所占比例：

ω乙醇=（5.18+3.14）÷（9.7+19.0）×100%=28.99%

相对误差：

γ乙醇=丨0.2899-0.185丨÷0.185×100%=56.70%

组分苯所占比例：

ω苯=（1.25+13.18）÷（9.7+19.0）×100%=50.28%

相对误差：

γ苯=丨0.5028-0.741丨÷0.741×100%=32.14%

八、结果汇总与讨论

1.从物料衡算的结果，我们可以看出，塔内持液占了不小的比例，其中既包括了乙醇，也包括了苯。

分液时，由于旋塞处有液体流出，导致富水相、富苯相质量减少。

这样就导致了实验结果的误差较大，并且水的物料衡算时，塔持水量为负值。

2.总述上述结果可以得到下表：

表9塔顶三元共沸物组成

水

乙醇

苯

质量分数

16.83%

28.99%

50.28%

相对误差

127%

56.70%

32.14%

3.乙醇-水-苯三元物系溶解度曲线

如图，共沸物组成点为T，加料线为FB。

将乙醇—水的混合物加入塔釜中，此时即对应右图中的F点，随着苯的加入，原料液的组成点逐渐的向B点迁移。

由三元相图原理可知，如果原料液的组成点落在某个小三角形内。

当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。

所以如果想得到无水乙醇，就应该保证原料液的组成落在包含顶点A的小三角形内，即在ΔATABz或ΔATAWz内。

从沸点看，乙醇—水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15℃，就本实验的技术条件无法将其分开。

而乙醇—苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃，很容易将它们分离开来。

所以应该将原料液的组成控制在ΔATABz中。

也就是说，应该通过控制苯的加入量，使得原料液的组成点落在线段HI之间即可。

将适量的苯加入塔釜中，通过控制适宜的塔釜温度和塔顶回流比，即可以在塔釜中得到较为纯净的乙醇，塔顶得到两元和三元共沸物，从而达到了乙醇和水分离的目的。

九、思考题

1．如何计算连续精馏中共沸剂的最小加入量？

答：

在指定的压力下，做水-乙醇-苯的三角相图；

根据相关文献在图上确定共沸物组成点（自由度为1，所以务必确定是该压力下的共沸点组成），包括三元共沸物，所有可能的二元共沸物。

按照实验原理中的说明做出下面的连线。

由沸点参数可知，原料液组成应控制在ΔATABZ中；

连接F，B两点，交ΔATABZ于H和I，这两点分别是加入共沸剂的最小量和最大量。

从图上可以读出各线段长度。

利用杠杆规则，若混合液的组成为I，则mB=mF*|IF|/|BI|；若混合液组成为H，则mB=mF*|HF|/|BH|。

I和H之间的组成点所用到的共沸剂量应在这两个值之间。

2.需要测出哪些量才可以作全塔的物料衡算？

具体的衡算方法是什么？

答：

总共需要六个数据才能对全塔进行物料衡算，具体分别是：

1、塔釜液质量

；2、塔顶富水相质量

；3、塔顶富苯相质量

；4、塔釜残液各组分质量分数

；5、塔顶富水相各组分质量分数

；6、塔顶富苯相各组分质量分数

；7、原料液质量

；8、原料液各组分的质量分数

。

具体衡算方法如下：

忽略塔内总持液量的影响，对塔内各个组分列算式：

，如果结果近似等于0，则认为该组分在全塔范围内守恒。

否则需要将塔内损失考虑在内。

3.将计算出的三元共沸物组成与文献值比较，求出其相对误差，并分析实验过程中产生误差的原因。

答：

相对误差见表9。

之所以会引起误差，主要是因为该求算方法计算的只是塔顶馏出液的组成，而塔顶馏出液实际上是三元共沸物与二元共沸物的混合液。

该实验过程并没有很好地对三元共沸物蒸尽的临界点进行控制，因而没法按照精确方法计算。

4.连续精馏中，如果共沸剂加入量超过最小共沸量，会对精馏产物造成什么影响？

试分析说明。

答：

在共沸精馏中由于温度的控制不准确，而且三元共沸物和二元共沸物的沸点接近，所以二元共沸物容易夹杂在三元共沸物中，影响精馏质量。

另外，加入过多的共沸剂会增大塔的能量负荷，从而增大塔产物的分离难度，生产成本也增加。

今后实验前，一定要仔细，认真检查实验仪器的工作状态。

5.除无水乙醇共沸精馏外，查文献说明，还有哪些物系，可以用共沸精馏方法分离？

答：

醋酸-水系统加入共沸剂醋酸正丁酯，分离二异丙醚-异丙醇-水三元物系，乙二醇、丙二醇和丁二醇物系，正己烷和乙酸乙酯物系，苯酚和水物系，甲醇和丙酮物系等等。

6.均相和非均相连续共沸精馏的共同点和区别是什么？

试分别叙述。

相同点：

都是采用加入共沸剂改变原有共沸物的组成及沸点达到分离的目的。

不同点：

非均相连续共沸精馏可以采用分相回流的方法，循环利用共沸剂。

本实验中塔顶富苯相中苯的含量很高可以循环使用。

如果是均相共沸精馏需补加更多的共沸剂。

十、参考文献

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[2].ErichKrel,HandbookofLaboratoryDistillation,Amsterdam,Elsevier,1982

[3].陈洪钫，基本有机化工分离工程，北京：

化学工业出版社1985

[4].FGShinskey,DistillationControlforProductivityandEnergyConservation2nded,NewYork,McGraw-HillBookco,19842nd

[5].HoanhNPham,etal.ChemicalEngineeringScience1990,45（7）:

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