共沸精馏

化工专业实验报告

实验名称：共沸精馏

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5月7日班级/学号：级班组号指导教师：

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

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。

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

从表1和表2列出沸点看，除乙醇-水二元共沸

物的共沸物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；

AB Z,AW Z,BW Z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AB Z、AW Z、BW Z，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ΔATAB Z或Δ

ATAW Z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ΔATAB Z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。内部上层装有三角网环型Ф2×2 mm的高效散装填料，下部装有三角网环型的高效散装填料。填料塔高度略高于

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。

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

本实验采用间歇精馏

1.称取80克95％的乙醇和

38.50g苯，先后依次加入

塔釜中，打开冷却水龙头，开启总电源，记录初始时间、塔釜及塔顶的初始温度以

及上段加热电流、下段加热电流、塔釜加热电流。

2.当全回流稳定后，开启回流比控制，调至5:1，再20分钟后调至3:1；

3.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，再过10分钟后调至

1:3至结束；

4.每隔20分钟记录一次塔顶、塔釜温度以及上段加热电流、下段加热电流、塔釜加

热电流。并从塔釜取样进行气相色谱分析。在实验期间，作原料苯与乙醇的色谱分

析。

5.大约3小时后根据色谱分析结果，待塔釜中乙醇含量大于99．6％时，停止加热，

让塔内持液全部流至塔釜，取出釜液，称重并进行气相色谱分析。

6.将塔顶馏出液取出，放入分液漏斗内，摇晃后静置，待其分层后，将分离后的富苯

相和富水相分别称重，并分别进行气相色谱分析。

五、实验原始数据记录

设备编号：03

表4各阶段塔釜中液体气相色谱分析数据记录表

表5 塔顶、塔釜及产物气相色谱分析数据记录表

备注： 1. 气相色谱3分析条件：柱压力为0.065MPa ，柱箱温度为145℃，汽化室温度为150℃，检测室

温度110℃。

2. 桥电流：100mA ，信号衰减：6，进样量：0.4μL

3. 各物质校正因子：f(水)=0.698，f(乙醇)=1，f(苯)=1.162。

4. 实际百分含量计算公式为：p i %=

i

i i i A f A f ''

六、 实验数据处理

表7各阶段塔釜中液体气相色谱分析数据处理结果表

续上表7

表8塔顶、塔釜及产物气相色谱分析数据处理结果表

表9原料乙醇和苯气相色谱分析数据处理结果表

1.做全塔物料衡算，并对共沸物形成的富水相和富苯相进行分析和衡算，求出塔顶三元

共沸物的组成。

1)对塔内乙醇进行物料衡算

原料液中乙醇质量：80.00×0.9522726=76.182 g

富水相中乙醇质量：9.46×0.5510023=5.212 g

富苯相中乙醇质量：25.43×0.1658231=4.217 g

塔釜液中乙醇质量：74.41×0.8586371=63.891 g

则塔内残余乙醇的质量为：L a=76.182－5.212－4.217－63.891=2.862 g

2)对塔内苯进行物料衡算

原料液中苯质量：38.50×1=38.50 g

富水相中苯质量：9.46×0.1418436=1.342 g

富苯相中苯质量：25.43×0.8105606=20.613 g

塔釜液中苯质量：74.41×0.1378997=10.261 g

则塔内残余苯的质量为：L b=38.5－1.342－20.613－10.261=6.284 g

3)对塔内水进行物料衡算

原料液中水含量：80.00×（1－0.9522726）=3.818 g

富水相中水含量：9.46×0.3071541=2.906 g

富苯相中水含量：25.43×0.0236163=0.601 g

塔釜液中水质量：74.41×0.0034632=0.258 g

塔内残余水含量：L w=3.818－2.906－0.601－0.258=0.053 g

4)塔内总持液量为：

80.00＋38.50－9.46－25.43－74.41=9.20 ≈2.862＋6.284＋0.053=9.199

5)对物料衡算结果的分析：

塔内总持液比例：ω=100%=7.763%

从上述计算可以看出，塔内持液占了不小的比例，其中包括苯和乙醇。两者质量比例大约为6.284:2.862=2.196:1。当然除了塔内残留一部分外，可能还有一些乙醇通过各种可能途径挥发了。

6)塔顶三元共沸物组成计算

组分乙醇所占比例：100%=27.0%

相对误差：r A=︱

185

.0185

.0

270

.0-︱

×100%=45.9%

组分苯所占比例：×100%=62.9%

相对误差：r B=︱741

.0741

.0

629

.0-

︱×100%=15.1%

组分水所占比例：100%=10.1%

相对误差：r W=︱

074

.0074

.0

101

.0-

︱×100%=36.5%

总结上述结果得到下表：

表10塔顶三元共沸物组成

2.画出25℃下乙醇一水一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。

右图所示为25℃下水—乙醇—苯的三元相图，其

中A、B、W分别代表乙醇、苯和水；AB Z、AW Z、BW Z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。

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ΔATAB z或ΔATAW z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ΔATAB z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。

七、思考题

1.如何计算连续精馏中共沸剂的最小加入量？

1)在指定的压力下，做水-乙醇-苯的三角相图；

2)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ΔA TAB Z中；

3)连接F，B两点，交ΔA TAB Z于H和I，这

两点分别是加入共沸剂的最小量和最大

量。

4)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

m B=m F*|IF|/|BI|；若混合液组成为H，则m B=m F*|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？

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m b；2、塔顶富水相质量m dw；3、塔顶富苯相质量m db；4、塔釜残液各组分质量分数x bi；5、塔顶富水相各组分质量分数x dwi；6、塔顶富苯相各组分质量分数x dbi；7、原料液质量m f；8、原料液各组分的质量分数x fi。

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：

m f*x fi-m dw*x dwi-m dbi*x dbi-m b*x bi，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。

相对误差见表10。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.除无水乙醇共沸精馏外，查文献说明，还有那些物系，可以用共沸精馏方法分离？

异丙醇-水，叔丁醇-水，乙醇-异丙醇，乙腈-乙酸乙酯，磷酸-水，乙酸-水，

二氯甲烷-乙腈-水-硅醚，醋酸-丁烯醛，低碳混合醇-水，乙二醇-1,2-丙二醇，

乙二醇单甲醚-水，正己烷-乙酸乙酯，三氟化氮-四氟化碳，环氧丙烷-1,2-二氯丙烷，甲醇-碳酸二甲酯，乙酸-水-乙酸正丁酯，乙二醇独乙醚-甲基异丁基酮-水，

乙二醇-丙二醇-丁二醇，丙酮-甲基异丙基酮-水

八、参考文献

[1] E A Coulson，etal. Laboratory Distillation Practice，L．George News Ltd．1958

[2] Erich Krell．Handbook of Laboratory Distillation，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] F G Shinskey. Distillation Contol for Productivity and Energy Conservatlon 2nd ed. New

York, Mc Graw-Hill Book co, 1984 2nd

[5] Hoanh N Pham，et al. Chemical Engineering Science 1990，45（7），1823