三组分液—液平衡数据测定讲解

实验2 三组分体系液—液平衡数据测定

一．实验目的

1．熟悉用三角形相图表示三组分体系组成的方法；

2．掌握用浊点法和平衡釜法测定液—液平衡数据的原理和实验操作，测绘环己烷-水-乙醇三组分体系液—液平衡相图；

3．学习使用气相色谱仪分析组成的方法。

二．实验原理

液液平衡数据是液液萃取和非均相恒沸精馏过程设计计算及生产操作的重要依据。液液平衡数据的获得，目前主要是依靠实验测定。三组份体系液液平衡线常用三角形相图表示。

1．三角形相图

设等边三角形三个顶点分别代表纯物质A、B和C（图2-2-1左），AB、BC和CA三条边分别代表（A+B）、（B+C）和（C+A）三个二组分体系，而三角形内部各点相当于三组分体系。将三角形的每一边分成100等分，通过三角形内部任何一点O引平行于各边的直线a、b和c，根据几何原理,a+b+c=AB=BC=CA=100%，或a`+b`+c` = AB = BC = CA =100%，因此O点的组成可由a`、b`、c` 表示,即O点所代表的三个组分的%组成为,B%= b`，A%= a` ，C%=c`。如要确定O点的B组成,只需通过O点作出与B的对边AC的平行线,割AB边于D,AD线段长度即相当于B%. 余可类推。如果已知三组分混合物的任何二个%组成,只须作两条平行线,其交点就是被测体系的组成点。

图2-2-1 等边三角形图

等边三角形图还有以下两个特点:

（1）通过任一顶点B向其对边引直线BD, 则BD线上的各点所代表的组成中, A、C 两个组分含量的比值保持不变.这可由三角形相似原理得到证明.即

a’/c’= a’’/c’’= A%/C% = 常数（图2-2-1中）

(2)如果有两个三组分体系D和E,将其混合后,其组成点必位于D、E两点之间的连线上, 例如为O, 根据杠杆规则:

E之重/D之重=DO之长/EO之长（图2-2-1右）

2．环己烷—水—乙醇三组分体系液—液平衡相图测定方法

环己烷—水—乙醇三组分体系中，环己烷与水是不互溶的，而乙醇与水及乙醇与环己烷都是互溶的。在环己烷与水体系中加入乙醇可促使环己烷与水互溶。由于乙醇在环己烷层与水层中非等量分配，代表二层浓度的a，b点连线并不一定和底边平行（见图2-2-2）。设加入乙醇后体系的总组成点为c，平衡共存的二相叫共轭溶液，其组成由通过c的直线上的a，b两点表示。图中曲线以下的部分为二相共存区，其余部分为单相（均相）区。

(1)液—液分层线的绘制

(a) 浊点法现有一环己烷与水二组分体系，其组成为K（图2-2-2），于其中逐渐加入乙醇，则体系总组成的沿K→B方向变化（环己烷与水的比例保持不变），当组成点在曲线以下的区域内，体系为互不混溶的两共轭相，震荡时则出现浑浊状态。继续滴加乙醇直到曲线上的d点，体系发生一突变，溶液由二相变为一相，外观由浑浊变清。准确读出溶液刚由浊变清时乙醇的加入量，d点位置可准确确定，此点为液液平衡线上一个点。补加少量乙醇到e点，体系仍为单相。再向溶液中逐渐加入水，体系总组成点将沿e→c方向变化（环己烷与乙醇的比例保持不变），直到曲线上的f点，体系又发生一突变，溶液由单相变为二相，外观由清变浑浊。准确读出溶液刚由清变浊时乙醇的加入量，f点位置可准确确定，此点为液液平衡线上又一个点。补加少量水到g点，体系仍为二相。如于此体系再加入乙醇，可获得h点，如此反复进行。用上述方法可依次得到d、f、h、j……等位于液—液平衡线上的点，将这些点及A和B二顶点（由于环己烷和水几乎不互溶）连接即得到一曲线，就是单相区和二相区的分界线----液-液分层线。

(b) 平衡釜法

按一定的比例向一液—液平衡釜（图2-2-3）中加入环己烷、水和乙醇（称好重量）三组分，恒温下搅拌若干分钟，静置、恒温和分层。取上下二层清液分析其组成，得第一组平衡数据；再补加乙醇，重复上述步骤，进行第二组平衡数据测定……，由此得到一系列二液相的平衡线（类似图2-2-2中，线acb），将各平衡线的端点相连，就获得完整液—液平衡线。

（2）结线的绘制

（a）浊点法

根据溶液的清浊变换和杠杆规则计算得到。此法误差较大。（见参考文献4）（b）平衡釜法

由（1）（b）中得到的二液相的平衡线，就是平衡共存二液相组成点的连线——结线。

图2-2-2 滴定路线

图2-2-3 液—液平衡釜图2-2-4 LLE 实验装置图

三．实验仪器及试剂

实验装置见图2-2-4，主要仪器有，

液—液平衡釜一台（见图2-2-3）

恒温水浴一台（见附录）

电磁搅拌器一台

气相色谱仪一台（配色谱工作站，见附录）

精密天平一台

常规玻璃仪器：玻璃温度计（0--100℃），酸式滴定管（50ml二支），刻度移液管（1ml，2ml），锥形瓶（250ml），注射器（10ml 三支）等

实验试剂：乙醇（分析纯）、环己烷（分析纯）和蒸馏水。

四．实验步骤和分析方法

1．开启气相色谱仪，调定色谱条件，作好分析准备。

2．浊点法测液—液分层线

用干燥移液管取环己烷2ml，水0.1ml放入250 ml干燥的锥形瓶中（注意不使液滴沾在瓶内壁上），向二支酸式滴定管分别加入20—30 ml乙醇和水。用滴定管向锥形瓶中缓慢滴加乙醇（边加边摇动锥形瓶），至溶液恰由浊变清时，记下加入乙醇的ml 数，得第一数据点；于此溶液中再补加乙醇0.5 ml，再用滴定管向锥形瓶中缓慢滴加水（边加边摇动锥形瓶），至溶液恰由清变浊时，记下加入水的ml 数，得第二数据点；再按表2-2-1所给数据加水0.2 ml……得第三数据点；如此反复进行实验，直至表2-2-1中10组数据测完，可获得10组数据。滴定时要充分摇动，但要避免液滴沾在瓶内壁上。

3．平衡釜法测定液—液平衡数据

用注射器（或者移液管）向干燥的液—液平衡釜中加入水、乙醇和环己烷各10 ml（用精密天平准确称量）。开启恒温水浴，调节到实验温度，并向平衡釜恒温水套通人恒温水（测定室温下平衡数据可不用恒温浴）。开启电磁搅拌器，搅拌20—30 min ,静置30 min ,分层，取上层和下层样品进行分析（注意：可用微型注射器，由上取样口直接取上、下二层样品。取样前，微型注射器要用样品本身清洗5—6次）。所得上下二层组成即为第一组液液平衡数据。补加乙醇5 ml ，重复上述步骤，测第二组液液平衡数据。如时间许可，可再加5 ml 乙醇，测第三组数据。有关数据记录于表2-2-2。

组成分析采用SP6800A气相色谱仪，其原理和操作方法见本书附录。

五．实验数据记录

实验数据记录按表2-2-1和表2-2-2。

表2-2-1 浊点滴定法测液-液分层线

日期______________ 室温_______________大气压______________