共沸精馏

实验一共沸精馏
精馏是化工生产中常用的分离方法。

它是利用气－液两相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。

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．学会使用阿贝折射仪分析液体组成。

二．实验原理
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。

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
表２乙醇、水、苯的常压沸点
从表１和表２列出的沸点看，出乙醇—水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外，其余三种共沸物的广泛的与乙醇沸点均有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６-1来说明。

图1－１共沸精馏原理图
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。

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，连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸组成点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临近六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它们分开。

而乙醇—苯的共沸点相差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6—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线交与H点，这是共沸剂苯的加入量称作理论共沸剂用量，它是
达到目次所需最少的共沸剂量。

上述分析仅限于混相回流情况，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沸剂。

三．实验装置、流程及试剂
四．1．装置
本实验所用的精馏塔为内径φ20×2000mm的玻璃塔。

内装θ网环行φ²×²mm的高效散装填料。

填料层高度1.5mm。

塔釜由一只三口烧瓶组成。

其中位于中间的一个口与塔身相连；另一个口插入一只放有测温热电阻的玻璃套管，用于测量塔釜液相温度；第三个口作为出料口。

塔釜采用电加热，并用一台自动温控仪控制电加热包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，富水相可在实验结取出。

2．流程具体实验流程见图1-2。

图1-2 实验装置流程图。

1—全凝器；2—进料口（共5个）；3—填料塔；4—三口烧瓶；5—测温电阻；6—电加热包；7—回流比控制器；8—电磁铁；9—分相器；10—馏出液收集器；11—数字式温度显示器；12—控温仪；13—进料泵；14—调节阀；15—出料管；16—塔釜产品收集器
3．试剂
实验试剂：乙醇（化学纯），含量95%；苯（分析纯），含量99.5%；
四．实验步骤
1．将70克的95%的乙醇溶液先加入塔釜，在放入几粒沸石。

2．若选用混相回流操作方法，则按照实验原理部分讲到的共沸剂配比加入共沸剂。

对间歇精馏、共沸剂全部加入塔釜；对连续精馏，最初的釜液浓度和进料浓度均应满足共沸剂的配比要求。

3．若采用分析后来的操作方式，则共沸剂应分成两部分加入。

一部分在精馏操作开始之前先充满分相器；其余部分可随原料液进入塔内。

但共沸剂的用量应少于理论共沸剂的用量，否则会降低乙醇的收率。

4．上述准备工作完成之后，即可向全凝器中通入冷却水。

打开电源开关，开始塔釜加热。

与此同时调节好超级恒温水浴的温度，使水浴内的循环水通过阿贝折射仪，并保证其在25℃下恒温。

5．为了使填料层具有均匀的温度梯度，可适当调节塔的上、下段保温，使全塔处于正常操作范围内。

6．每隔10分钟记录一次塔顶和塔釜的温度，每隔20分钟用阿贝折射仪分析依次塔顶馏
出物和釜液组成，也可取塔釜气相进行分析，然后根据气—液平衡关系推出塔釜液相组成，这样可以排除试剂中少量杂质（高沸物）对折射率的影响。

7．对连续精馏操作，应选择适当的回流比（参考值为10：1）和适当的进料流量（参考值为100ml/h）。

同时还应保证塔顶为三元共沸物，塔釜为无水乙醇。

对间歇精馏操作随着精馏过程的进行，塔釜液相组成不断变化，当釜液浓度达到99.5%以上时，就可以停止实验。

8．将塔顶馏出物中的两相用分液漏斗分离。

然后用阿贝折射仪测出各相的折射率值，再查附录15~17计算出两相各自的浓度。

最后再将收集起来的全部富水相称重。

9．用天平称出塔釜产品（包括釜液和塔釜出料两部分）的质量。

10．切断设备的电源，关闭冷却水，结束实验。

五．实验数据处理
1．作全塔物料衡算，求出塔顶三元共沸物的组成。

2．画出25℃下乙醇—水—苯三元物系的溶解度曲线。

在图上表明共沸物的组成点，画出加料线。

六．实验数据
正己烷折射率：1.3768 95%乙醇折射率：1.3625
处理各组实验数据举例如下：
利用折射率与浓度的线性关系，计算塔釜某时刻的乙醇的质量百分数x，其折射率为y，可列出下列关系式：
（0.95-x）/x=（1.3625-y）/（y-1.3768）
将t=20min时，塔釜折射率的平均值y=1.3648，代入上述关系式，可得到x=0.79734
同理可得到其他组分各时刻的质量百分数。

2.全塔物料衡算
（1）对塔内乙醇物料衡算
进料乙醇质量：m=160x0.95=152
塔顶乙醇质量：m1=131.6x0.08416=11.08
塔釜乙醇含量：m2=137.3x0.9546=130.98
塔内残余乙醇：L=m-m1-m2=9.94
（2）对正己烷物料衡算
进料正己烷质量：m3=226.7
塔顶正己烷质量：m4=133.4x0.91142=121.58
塔釜正己烷质量：m5=137.3x0.0952=13.07
塔内正己烷残余：L1=m3-m4-m5=92.05
（3）总物料衡算
进料总物料：M=160+226.7=386.7
塔顶及塔釜液总质量：M1=131.6+137.3=268.9
塔内残余量：L=9.94+92.05=101.99
总物料衡算：M（in）=M+L+m0=386.7
Mo=M-M1-L=15.8
相对误差：r=[m0/M（in）]x100%=15.8/386.7x100%=4.08%
3.塔顶三元公沸物组成
乙醇质量分数：w1=11.8/131.6x100%=8.97%
正己烷质量分数：w2=121.58/133.4x100%=91.1%
八．思考题
1. 如何计算共沸剂的加入量？
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ΔATABZ中； 3) 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。

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？
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mb；2、塔顶富水相质量mdw；3、塔顶富苯相质量mdb；4、塔釜残液各组分质量分数xbi；5、塔顶富水相各组分质量分数xdwi；6、塔顶富苯相各组分质量分数xdbi；7、原料液质量mf；8、原料液各组分的质量分数xfi。

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：
mf*xfi-mdw*xdwi-mdbi*xdbi-mb*xbi，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5。

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。