天津大学共沸精馏.docx

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天津大学共沸精馏

化工专业实验报告

实验名称：

共沸精馏

实验人员：

xxx同组人：

xxx,xxx

实验地点：

天大化工技术实验中心624室

实验时间：

2013年5月4日

班级/学号：

11级求是化工2班14组学号xxxxxxxxx

实验成绩：

实验二共沸精馏

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.实验仪器和药品：

电子天平，分液漏斗，玻璃塔，烧瓶等。

2号气相色谱仪及计算机数据采集和处理系统：

载气1柱前压：

0.075MPa讯号衰减：

6

载气2柱前压：

0.075MPa进样量：

0.4μl

桥电流：

100mA

柱箱温度：

145℃

气化室温度：

150℃

检测器温度：

110℃

实验试剂：

乙醇（化学纯），含量95%；苯（分析纯），含量：

99.5%。

2.共沸精馏原理：

当待分离的两个组分为共沸溶液体系或它们的挥发度非常接近时，采用普通精馏方法难以达到分离目的或所需要的理论板数非常多，且回流比亦较大，使设备费用和操作费用过大而不经济，此时可采用共沸精馏。

共沸精馏是向共沸溶液中加入第三组分，使该组分能与原有溶液中的一个或多个组分形成共沸物，且这种新共沸物的挥发度显著地高于或低于原有各组分的挥发度，则新共沸物中各组分的含量与原料液组成不同，可采用普通精馏方法予以分离。

共沸精馏有以下特点：

（1）共沸精馏所用的共沸剂必须与待分离组分的一个或两个形成共沸物，因此可供选择的共沸剂有限。

（2）共沸精馏的共沸剂大都从塔顶蒸出，消耗热能较大，只有当共沸物中共沸剂的含量甚少，与共沸剂形成共沸物的组分在原料中含量也少时，共沸精馏的操作才比较经济。

（3）共沸精馏即可用于连续操作也可用于间歇操作。

（4）在同样压力下操作，共沸精馏的操作温度较低，比其它精馏更适于分离热敏性物料。

3.共沸剂的选择：

共沸剂的选择对共沸精馏分离过程的效果影响极大。

选择共沸剂，首先要考虑共沸剂的选择性要大。

此外，还应考虑以下几个方面:

（1）共沸剂能显著影响待分离系统中关键组分的汽液平衡关系。

（2）共沸剂至少与待分离系统中一个或两个（关键）组分形成两元或三元最低共沸物，而且希望此共沸物比待分离系统中各纯组分的沸点或原来的共沸点低10℃以上，否则难以实现精馏分离。

（3）为使分离流程比较简单，共沸剂回收容易，选用能生成非均相共沸物的共沸剂。

（4）在所形成的共沸物中，共沸剂的比例愈少愈好，汽化潜热愈小愈好。

这样不仅可减少共沸剂用量，提高共沸剂效率;也可减少循环量，以降低蒸发所需的热量及冷凝所需冷却的量。

（5）共沸剂易于回收利用。

一方面希望形成非均相共沸物，可以减少分离共沸物的操作;另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其它物料有相当大的挥发度差异。

（6）共沸剂廉价、来源广、无毒性、热稳定性好和腐蚀性小等。

4.实验过程原理：

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。

表1乙醇—水—苯三元共沸物性质

共沸物（简记）

共沸点℃

共沸物组成，t%

乙醇

水

苯

乙醇—水—苯（T）

64.85

18.5

7.4

74.1

乙醇—苯（ABZ）

68.24

32.7

0.0

67.63

水—苯（BWZ）

69.25

0.0

8.83

91.17

乙醇—水（AWZ）

78.15

95.57

4.43

0.0

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2乙醇、水、苯常压沸点

物质名称

乙醇

水

苯

沸点温度（℃）

78.3

100

80.2

从表2和表3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。

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。

以T为中心,连结A、B、W及ZAB、ZAW、ZBW将图分为6个小三角形。

如果原料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三角形3个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇,原料的组成点必须落在包含顶点A在内的两个小三角形内。

从沸点看,乙醇-水的共沸点与乙醇的沸点仅差0.15℃,很难分开,而乙醇-苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃,较易分开。

因此,分析的最终结果是将原料液组成控制在由ATZAB所围成的三角形内。

图中F代表未加共沸剂时原料组成,随着共沸剂苯的加入,原料液的总组成沿FB线变化,并与AT线交于H点（此点分析纯苯与化学纯乙醇的质量比约为5:

7）,它是达到分离要求所需最少共沸剂用量,而实际用量应略高于此值。

上述分析只限于混相回流的情况,而采用富苯相回流时,共沸剂用量比上述值要低得多。

5.实验装置原理：

a）回流比分配器：

回流比分配器是塔头的核心部件。

工业装置上使用的回流比分配器一般是通过专门设计的溢流或切换装置，在液体连续流动的状态下通过阀门控制回流比。

但在实验室中，由于设备小，物料少，很难在连续状态下调节回流比。

因此，实验室小型玻璃精馏塔常采用电磁摆针式回流比控制器，其原理是通过实践继电器控制电磁线圈的通断电时间，使电磁导流摆针在出料口或回流口停留，以停留时间的分配比来控制回流比。

电磁摆针是在玻璃短管内封入铁针制成。

当电磁线圈通电时，摆针被吸向线圈侧，断电时，恢复原位，从而出料或回流口摆动。

b）塔体保温：

由于小型精馏塔的比表面积较大，热损失比较明显，往往导致蒸汽无法到达塔顶，内回流严重，甚至引起塔内液泛，实验无法进行，沸点较高的物系尤其严重。

因此为减少热损失，一般在蒸气上升部位，以及塔体外壁采取物理保温或电热保温的措施。

对于玻璃塔采用的保温措施主要有：

①在塔身外表面镀有金属膜，通电使塔身加热保温；②在塔身外包裹保温材料；③在塔身或玻璃夹套外缠绕电热丝。

c）气相色谱法：

气相色谱法是采用气体（载气）作为流动相的一种色谱法。

当流动相携带混合物流经色谱柱中的固定相是，由于与固定相之间的作用力差异，因而使组分在柱内以不同的速度移动，依次流出色谱柱而得到分离。

选用合适的检测器予以检测，可得到电信号随时间变化的流出曲线，即色谱图。

根据色谱图中各组分色谱峰的出峰时间，可进行定性分析；根据峰面积或峰高，可进行定量分析。

d）气相色谱仪：

气相色谱仪的流程由六个部分组成，即气路系统、进样系统、色谱分离系统、控温系统、检测系统、和数据处理系统。

来自钢瓶的载气，依次流经减压阀、净化干燥器、稳定压阀、转子流量计和进样气化室后，进入色谱柱。

流出色谱柱的载气夹带分离后的样品，经检测器的检测后放空。

检测器信号则送入数据处理系统记录并处理。

三、实验步骤及流程

1.实验装置：

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.实验流程图：

3.实验步骤：

1、用电子天平称取80.00g乙醇和35.0g苯，加入塔釜中，并分别对原料乙醇和苯进行气相色谱分析，确定其组成。

2、向全凝器中通入冷却水，并开启釜电加热系统。

调节加热电流慢慢升至0.35A。

开启塔身保温电源，调节保温电流，上段0.2A，下段为0.2A，以使填料层有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的操作范围。

3、记录开始时间并每隔20分钟记录塔顶温度、塔釜温度，抽取釜内0.4试样进行气相色谱分析，记录分析结果。

4、20分钟后打开回流比调节器，调至5:

1，过20分钟后调至3:

1。

5、溢流开始后，仍有水珠连续流出的条件下，将回流比调至1:

1，10分钟后调至1:

3至结束。

6、当釜内乙醇含量超过99.50%时，关闭塔釜和塔身加热电源。

7、将蒸出液转移至分液漏斗中，待液体出现明显分界线后，分离富苯相和富水相。

8、将富苯相和富水相及釜液分别称重并进行气相色谱分析。

9、关闭冷却水，实验结束。

四、数据处理

1.全塔物料衡算和三元共沸物的组成

表3实验数据记录表

物相名称

质量/g

物质

峰面积

质量矫正因子

质量分数

质量/g

富水相

9.85

水

232583

0.686

0.2631

2.59

乙醇

326548

1.00

0.5386

5.30

苯

103638

1.16

0.1983

1.95

富苯相

33.67

水

30057

0.686

0.0310

1.05

乙醇

134812

1.00

0.2030

6.83

苯

438606

1.16

0.7660

25.79

塔釜

67.13

水

5617

0.686

0.0062

0.41

乙醇

583313

1.00

0.9358

62.82

苯

31170

1.16

0.0580

3.89

原料乙醇

80.00

水

45955

0.686

0.0462

3.70

乙醇

650367

1.00

0.9538

76.30

80.00

水

40087

0.686

0.0463

3.71

乙醇

565845

1.00

0.9537

76.29

原料苯

35.00

苯

558934

1.16

1.0000

35.00

以原料乙醇的质量分数举例：

水的质量分数

对全塔进行物料衡算

原料乙醇中乙醇的质量：

同理可得：

富水相中乙醇的质量：

5.30g

富苯相中乙醇的质量：

6.83g

塔釜中乙醇的质量：

62.82g

塔内残余的乙醇的质量为：

76.30-5.30-6.83-62.82=1.34g

同理可得塔内残余的水和苯的质量：

塔内残余的水的质量为：

-0.35g

塔内残余的苯的质量为：

3.36g

塔内总持液量为：

80.00+35.00-9.85-33.67-67.13=4.35g

塔内剩余量为:

1.34-0.35+3.36=4.35g

对物料衡算结果分析为：

表4塔内残余物质量

水

乙醇

苯

残余总质量/g

塔内残余质量/g

-0.35

1.34

3.36

4.35

塔顶三元共沸物组成计算

组分水所占比例：

相对误差：

同理可得：

组分乙醇所占比例为：

27.89%

相对误差：

50.77%

组分苯所占比例为：

63.75%

相对误差：

-13.97%

结果讨论与分析：

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。

总述上述结果可以得到下表：

表5塔顶三元共沸物组成

水

乙醇

苯

质量分数

8.36%

27.89%

63.75%

相对误差

12.94%

50.77%

-13.97%

2.画出25℃下乙醇-水-苯三元物系的溶解度曲线。

在图上标明共沸物的组成点，画出加料线，并对精馏过程作简要的说明。

25℃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沿FB线向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，塔顶得到三元共沸物，从而达到了乙醇和水分离的目的。

五、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，公费剂最小加入量时混合液的组成为H，则mB=mF*|HF|/|BH|。

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：

测得以下数据才能对全塔进行物料衡算，具体分别是：

塔釜液质量、塔顶富水相质量、塔顶富苯相质量、塔釜残液各组分质量分数、塔顶富水相各组分质量分数、塔顶富苯相各组分质量分数、原料液质量、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6。

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，如果共沸剂的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。

塔釜出料组成

答：

若连续精馏的共沸剂用量超过最小用量，从图1（三元共沸物的三角相图）可知，塔釜出料是苯和乙醇的混合物，且苯的加入量越多，进料组成从H→I移动，塔釜出料中苯的含量越多。

5.除无水乙醇共沸剂外，查文献说明，还有哪些物系，可以用共沸精馏方法分离？

答：

在文献中，分别用苯、环己烷、正己烷、乙酸乙酯、三氯甲烷为共沸剂，共沸精馏135min，结果如下表：

表6共沸剂类型与塔釜乙醇浓度关系

共沸剂

苯

环己烷

正己烷

乙酸乙酯

三氯甲烷

乙醇浓度/%

99.25

99.88

98.37

98.61

99.45

由表1可以看出,使用环己烷作为共沸剂，制备无水乙醇的效果最佳，可得到99.88%（质量分率）的无水乙醇。

可达到同样效果的共沸剂还有苯和CHCl3，然而苯的毒性太大，对环境的污染比较严重；CHCl3的理论加入量远大于环己烷,浪费原料。

6.均相和非均相连续共沸精馏的共同点和区别是什么？

试分别阐述。

答：

区别：

非均相共沸精馏中加入第三组分（共沸剂）后能与原来的组分形成两个液相，采用分相器使共沸剂回流，另一相采出，可以节省共沸剂的使用量；而均相共沸精馏回流到塔内的是多组元共沸物，共沸剂的用量和能耗均较高。

共同点：

均是通过加入共沸剂与系统中一种或多种物质形成最低共沸物，共沸剂以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜得到相对较纯的组分。