共沸精馏天津大学

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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

精馏是把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程，它利用不同组份在气-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，对于近沸点或共沸混合体系，往往采用加入共沸剂的共沸精馏，共沸剂在影响原溶液组分的挥发度的同时，还与他们中的一个或数个组分形成共沸物。如在乙醇-水系统中加入共沸剂。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

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（AB Z）68.24 32.7 0.0 67.63 苯-水（BW Z）69.25 0.0 8.83 91.17 乙醇-水（AW Z）78.15 95.57 4.43 0.0

表2 乙醇、水、苯的常压沸点

物质名称（简记）乙醇（A）水（W）苯（B）沸点温度（℃）78.3 100 80.2

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Θ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

具体的流程见图2

1.一级冷凝器；

2.二级冷凝器；

3.测温热电阻；

4.填料塔；

5.塔釜；

6.电加热器；

7.分相器； 8.电磁铁；

9.回流比控制器；10.馏出液收集器；

11.数字式温度显示器；12.控温仪；

13.加料口； 14.出料口

图2

3.试剂

实验试剂80g乙醇（化学纯），含量95％；苯（分析纯）35.3g，含量99．5％。

四、实验步骤

本实验采用间歇精馏

1.将原料乙醇称量80g，苯称量35.3g，依次加入塔釜，打开电源，记录时间、塔釜

及塔顶的初始温度和加热电流；

2.30分钟后打开回流比开关，调至5：1，20分钟后调至3：1；

3.溢流开始后，在溢流管仍有水珠连续流出的情况下，将回流比调至1：1，再过10

分钟后调至1：3至结束；

4.3小时后如塔釜气内有苯存在，则开始蒸出过量的苯，根据色谱分析结果，分次放

出若干量两蒸出液，直至将塔釜内苯内苯蒸净，如无苯存在，开始做下一步；

5.将所有蒸出液放入分液漏斗内，静置5分钟，将分离后的富苯相和富水相分别称重，

并分别用色谱分析。在塔釜温度降至室温后，取出塔釜液称重，并做色谱分析。

五、实验数据记录（设备编号2）

表3 精馏过程中电流与温度变化情况数据表

时间上段加热

电流/A

釜加热

电流/A

下段加热

电流/A

塔顶温度/℃

釜热控温

/℃

回流比

14:09 0.2 0.37 0.2 22.3 18.5 ∞15:00 0.2 0.37 0.17 62.3 67.0 5:1 15:20 0.2 0.4 0.2 62.6 72.1 3:1 15:40 0.2 0.4 0.2 63.0 73.1 1:1 16:00 0.2 0.4 0.2 62.8 73.1 1:3 16:20 0.2 0.4 0.2 62.7 73.0 1:3 16:40 0.2 0.4 0.2 62.8 72.9 1:3 17:00 0.2 0.4 0.2 62.8 72.9 1:3

表4 釜液组成随时间变化气相色谱分析数据记录表

时间组分保留时间/min 峰面积含量%