天津大学—共沸精馏实验报告

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℃下的乙醇、水、苯三元共沸物的溶解度曲线。该曲线的下方为两相区，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-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。
富苯相中苯含量：
富水相中苯含量：
塔釜液中苯含量：
则塔内残余苯的含量为：
4>
塔内残余液理论量为 g
而实际塔内残余液量为 0.0461+ g
两者完全相等。
5>
塔内总残余液比例：
从上述计算可以看出，塔内残余液占了很大的比例，其中既包括了乙醇，也包括了苯，且两者质量比例大约为0.8754：1。
而对于塔内水的衡算结果为负值这一事实，由于其值很小且趋近于零，所以我认为可能是实验时的系统误差和随机误差导致的。
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。
水
乙醇
苯
水
乙醇
苯
富水相
10.18
104934
147982
41916
35.59112
50.19197
14.21691
富苯相
25.86
9083
47828
182551
3.793086
19.97311
76.23381
塔釜液
71.30
—
207601
23268
—
89.92156
10.07844
表5原料组成色谱分析记录表
然后连接F、B两点，交ΔATABZ于H和I两点。由沸点的参数可知，要想得到纯净的乙醇，原料液的组成点应该落在ΔATABZ中，故点H、I两点分别为苯的最小加入量和最大加入量。
最后，量取线段IF、BI、HF、BH的长度待用，通过杠杆定理可得，mB,min=mF*|HF|/|BH|，而mB,max=mF*|IF|/|BI|，即苯的加入量应该控制在其二者之间。
—
17：00
0.20
0.37
0.20
61.8
75.7
1774
245660
1897
0.71150
98.52766
0.760836
17：12
0.20
0.37
0.20
61.8
75.7
1179
205904
—
0.56934
99.43066
—
表4 塔顶塔釜产物分析记录
物相名称
质量/g
峰面积/µV*s
峰的百分含量/%
16：05
0.20
0.37
0.20
61.7
75.6
2696
207328
—
1.28366
98.71634
—
16：25
0.20
0.38
0.20
61.8
75.7
1550
160044
—
0.95919
99.04081
—
16：45
0.20
0.38
0.20
61.7
75.6
2073
249649
—
0.82353
99.17647
乙醇
苯
1
2
1
2
水
12866
13394
—
—
乙醇
217703
219566
—
—
苯
—
—
214129
213013
表6色谱③分析条件
柱1：压力0.065MPa柱2：压力0.065MPa
柱箱温度：1450C气化室温度：110检测室温度：110
水
乙醇
苯
保留时间（分钟）
0.153
0.435
1.955
校正因子
0.722
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。
5.过20分钟后把回流比调节器调至3:1，再过两个5分钟后分别把回流比调节器调至1:1和1:3。
6.做完前面2个小时的最后一组色谱分析之后，发现样品中苯的存在，于是把塔顶放空一格，等其溢流之后5分钟，再做一组塔釜气象色谱分析，并记录相关数据。
7.关闭电源，将所有蒸出液放入分液漏斗，放置5分钟，将分离后的富苯相和富水相及釜液分别称重并用色谱分析，并分别记录下各自的质量和其各组分的气象色谱峰面积。
7.3
三元共沸物组成的误差已经求出，见表7。
但我认为最后的数据有误差，并不是试验中的失误导致的。因为通过水—乙醇—苯的三元相图可以得知，从理论上讲，塔顶应该得到的是二元和三元共沸物的混合物，而非纯净的三元共沸物。因此想准确的算出三元共沸物的组成是不可能的，任何估算都会产生很大的误差。
在上面的数据结果是建立在假设塔顶液相全部是三元共沸物的基础上的，而这一假设显然与相图的理论相违背，并且通过相图我们可以看出，在最后的塔顶液相中，二元共沸物在其中占有了相当的比例，不可被忽略不计，因此这一假设必然会带来很大的误差。
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-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）
一、
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、
精馏是利用不同组份在气-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-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。
5150
190792
43883
2.14740
79.5546
18.29793
15：25
0.20
0.37
0.21
61.6
75.
1.95409
97.1784
0.867507
15：45
0.20
0.38
0.20
61.8
75.8
3884
222871
—
1.71286
98.28714
—
6
组分水所占比例：
相对误差：
组分乙醇所占比例：
相对误差：
组分苯所占比例：
相对误差：
总结上述结果得到下表：
表7塔顶三元共沸物组成
水
乙醇
苯
质量分数
0.094
0.270
0.636
相对误差
27.0%
45.9%
14.2%
6.2
右图所示为25oC下水—乙醇—苯的三元相图，其中A、B、W分别代表乙醇、苯和水；ABZ、AWZ、BWZ代表三个二元共沸物，T表示三元共沸物；图中的曲线即为25℃下乙醇—水—苯三元物系的溶解度曲线；线段FB则为加料线。
1.000
1.278
桥电流：100mA信号衰减：6进样量：0.6μL
Pi%=
六、
6.1
1>
原料乙醇中水含量：
富苯相中水含量：
富水相中水含量：
塔釜液中水含量：
则塔内残余水含量为： 0.0461g
2>
原料中乙醇含量：
富苯相中乙醇含量：
富水相中乙醇含量：
塔釜液中乙醇含量：
则塔内残余乙醇含量为： g
3>