共沸精餾實驗報告

1、-化工專業(yè)實驗報告實驗名稱：共沸精餾實驗人員：江成林同組人：母曉群、黃菲實驗地點：天大化工技術實驗中心624 室實驗時間：2012年 4月 19 日班級 /學號： 2009 級 化工 1 班 3 組 3009209064 號指導教師：陳艷英實驗成績：-共沸精餾一、實驗目的1. 通過實驗加深對共沸精餾過程的理解；2. 熟悉精餾設備的構造，掌握精餾操作方法；3. 能夠對精餾過程做全塔物料衡算；4. 學會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、實驗原理精餾是利用不同組份在氣- 液兩相間的分配，通過多次氣液兩相間的傳質和傳熱來達到分離的目的。對于不同的分離對象，精餾方法也會有所差異。例如，分離乙醇和水的二

2、元物系。 由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常壓下的共沸溫度和乙醇的沸點溫度極為相近， 所以采用普通精餾方法只能得到乙醇和水的混合物，而無法得到無水乙醇。為此，在乙醇- 水系統(tǒng)中加入第三種物質，該物質被稱為共沸劑。共沸劑具有能和被分離系統(tǒng)中的一種或幾種物質形成最低共沸物的特性。在精餾過程中共沸劑將以共沸物的形式從塔頂蒸出，塔釜則得到無水乙醇。這種方法就稱作共沸精餾。乙醇 - 水系統(tǒng)加入共沸劑苯以后可以形成四種共沸物。現將它們在常壓下的共沸溫度、共沸組成列于表 1。為了便于比較，再將乙醇、水、苯三種純物質常壓下的沸點列于表2。表 1 乙醇水 - 苯三元共沸物性質共沸物（簡記）共沸點/共沸物組成，

3、t%水苯乙醇乙醇- 水- 苯（T）64.8518.57.474.1乙醇 - 苯（ ABZ）68.2432.70.067.63苯- 水（ BW）69.250.08.8391.17Z乙醇 - 水（ AW）78.1595.574.430.0Z表2乙醇、水、苯的常壓沸點物質名稱（簡記）乙醇（ A）水（ W）苯（ B）沸點溫度（）78.310080.2-從表 1和表 2列出沸點看， 除乙醇 - 水二元共沸物的共沸物與乙醇沸點相近之外，其余三種共沸物的沸點與乙醇沸點均有10左右的溫度差。因此，可以設法使水和苯以共沸物的方式從塔頂分離出來，塔釜則得到無水乙醇。整個精餾過程可以用圖 1來說明。圖中 A、B、W

4、分別為乙醇、苯和水的英文字頭； ABZ,AWZ,BWZ代表三個二元共沸物， T表示三元共沸物。圖中的曲線為 25下的乙醇、水、苯三元共沸物的溶解度曲線。該曲線的下方為兩相區(qū)，上方為均相區(qū)。圖中標出的三元共沸組成點 T是處在兩相區(qū)內。以T為中心，連接三種純物質 A、B、W及三個二元共沸點組成點 ABZ、AWZ、BWZ，將該圖分為六個小三角形。 如果原料液的組成點落在某個小三角形內。 當塔頂采用混相回流時精餾的最終結果只能得到這個小三角形三個頂點所代表的物質。 故要想得到無水乙醇，就應該保證原料液的組成落在包含頂點 A的小三角形內，即在 ATABZ或 ATAWZ內。從沸點看，乙醇 - 水的共沸點和

5、乙醇的沸點僅差 0.15 ，就本實驗的技術條件無法將其分開。而乙醇 - 苯的共沸點與乙醇的沸點相差10.06 ，很容易將它們分離開來。所以分析的最終結果是將原料液的組成控制在 ATABZ中。圖1中F代表未加共沸劑時原料乙醇、 水混合物的組成。 隨著共沸劑苯的加入，原料液的總組成將沿著 FB連線變化，并與 AT線交于 H點，這時共沸劑苯的加入量稱作理論共沸劑用量，它是達到分離目的所需最少的共沸劑量。上述分析只限于混相回流的情況，即回流液的組成等于塔頂上升蒸汽組成的情況。而塔頂采用分相回流時，由于富苯相中苯的含量很高，可以循環(huán)使用，因而苯的用量可以低于理論共沸劑的用量。分相回流也是實際生產中普遍采

6、用的方法。它的突出優(yōu)點是共沸劑的用量少，共沸劑提純的費用低。-三、裝置、流程及試劑1. 裝置本實驗所用的精餾塔為內徑 20×200mm的玻璃塔。內部上層裝有 網環(huán)型 2×2 mm的高效散裝填料，下部裝有三角網環(huán)型的高效散裝填料。填料塔高度略高于 1.2m。塔釜為一只結構特殊的三口燒瓶。上口與塔身相連：側口用于投料和采樣；下口為出料口； 釜側玻璃套管插入一只測溫熱電阻， 用于測量塔釜液相溫度， 釜底玻璃套管裝有電加熱棒， 采用電加熱， 加熱釜料，并通過一臺自動控溫儀控制加熱溫度，使塔釜的傳熱量基本保持不變。 塔釜加熱沸騰后產生的蒸汽經填料層到達塔頂全凝器。 為了滿足各種不同操

7、作方式的需要， 在全凝器與回流管之間設置了一個特殊構造的容器。 在進行分相回流時， 它可以用作分相器兼回流比調節(jié)器；當進行混相回流時， 它又可以單純地作為回流比調節(jié)器使用。 這樣的設計既實現了連續(xù)精餾操作，又可進行間歇精餾操作。此外，需要特別說明的是在進行分相回流時，分相器中會出現兩層液體。上層為富苯相、下層為富水相。 實驗中，富苯相由溢流口回流入塔， 富水相則采出。當間歇操作時，為了保證有足夠高的溢流液位，富水相可在實驗結束后取出。2. 流程實驗流程圖如圖 2。-3. 試劑實驗試劑 80g 乙醇（化學純），含量 95；苯（分析純） 35g，含量 995。四、 實驗步驟1、稱取 克 95%的乙

8、醇和一定量的苯 (通過共沸物的組成計算， 參考量為 克 )，加入塔釜中，并分別對原料乙醇和苯進行色譜分析，確定其組成。2、向全凝器中通入冷卻水，并開啟釜電加熱系統(tǒng)， 調節(jié)加熱電流慢慢升至 0.4A( 注意不要電流過大，以免設備突然受熱而損壞 )。待釜液沸騰，開啟塔身保溫電源，調節(jié)保溫電流，上段為 0.2A，下段為 0.2A ，以使填料層具有均勻的溫度梯度，保證全塔處在正常的范圍之內。3、40 分鐘后打開回流比調節(jié)器，調至5:1，過 20 分鐘后調至 3:1。4、溢流開始后，仍有水珠連續(xù)流出的條件下，將回流比調至1:1，10 分鐘后調至 1:3 至結束。-5、乙醇含量達到99.5%后開始蒸出過量

9、苯，根據色譜分析結果，分次放出若干量蒸出液，直至將塔釜內苯蒸凈。6、關閉電源，將所有蒸出液放入分液漏斗，放置5 分鐘。將分離后的富苯相和富水相及釜液分別稱重并用色譜分析。7、關閉冷卻水，結束實驗。五、實驗原始數據設備編號： 03表 3 精餾過程各時刻實驗記錄上段加熱釜加熱下段加塔頂溫塔釜控溫時刻熱電流回流比電流 /A電流 /A度/A14:100.200.400.2021.921.3全回流14:570.200.400.2060.969.55:115:1015:5616:100.200.400.2061.175.03:116:280.200.400.2061.174.81:116:480.200.

10、400.201:316:5517:03設備號： 03表 4色譜分析數據表色譜分樣品色譜峰保留時間峰面積峰面積百分析時刻數原料乙醇水0.174159776.2362514:20乙醇0.46424022293.76365原料苯苯1.724213802100水0.17450712.32130214:57塔釜液乙醇0.46815669371.72782苯1.7385669125.95088水0.17846872.13119116:10塔釜液乙醇0.48419777789.9297苯1.734174607.939106水0.16839331.79015216:28塔釜液乙醇0.46520723494.3

11、2504苯1.77085353.884808水0.18027891.1395616:48乙醇0.46622772693.04696苯1.854142285.81348-水0.18824000.952617:03乙醇0.47624954299.0474苯1.65500水0.1479233833.6692817:15富水相乙醇0.47514015851.10593苯2.0444175415.22479水0.145176517.7341717:15富苯相乙醇0.4975766425.26674苯1.81815290666.99909水0.15420340.98555617:15釜液乙醇0.44619

12、258393.31431苯2.123117645.700137備注：1. 進料量 0.4uL。2. 氣相色譜操作條件：柱 1 壓力為 0.065MPa，柱 2 壓力為 0.065MPa，橋流100mA，信號衰減 6，汽化室溫度為 110，柱箱溫度為 145，檢測室 110。3 各物質校正因子： f(Water)=0.722， f(Alcohol)=1.000 ，f(Benzene)=1.278。六、實驗數據處理1、色譜數據處理表 4色譜分析數據結果時刻水乙醇苯14:20原料乙醇0.0458190.954181014:20原料苯00114:57塔釜液0.0157270.6730640.31120

13、916:10塔釜液0.0151430.8850080.0998516:28塔釜液0.012850.937790.0493616:48塔釜液0.0081220.9185350.07334317:03塔釜液0.0068960.993104017:15富水相0.2562310.538680.20508917:15富苯相0.0479420.2169270.73513117:15釜液0.0070240.9210710.071905計算舉例：以富水相中組分分析為例，f 'A組分 A 的質量百分數 X AAf '式中， f ' - 組分 A的相對校正因子， A- 色譜峰面積水含量：

14、X A0.722923380.256923381401581417540.7221.278-乙醇含量： X A14015810.539923381401581417540.7221.278苯含量： X A417541.2780.205923381401581417540.7221.2782、全塔作物料衡算(1) 對塔內乙醇作物料衡算進料乙醇質量： ma80.000.95418176.33g塔頂富水相乙醇質量：ma 19.470.538685.10 g塔頂富苯相乙醇質量：ma 234.850.2169277.56 g塔釜乙醇含量： ma 365.43 0.92107160.26g塔內乙醇殘留量：

15、Lamama1ma2ma33.40 g(2) 對塔內苯作物料衡算進料苯質量： mb37.41 137.41g塔頂富水相苯質量：mb19.470.2050891.94g塔頂富苯相乙醇質量：mb 234.85 0.73513125.62 g塔釜苯含量： mb 365.43 0.0719054.70g塔內苯殘留量： Lbmbmb1mb 2mb 35.15g（3）對塔內水作物料衡算進料水質量： mw80.00 0.045819=3.666g塔頂富水相中水質量：mw19.47 0.256231=2.424g塔頂富苯相中水質量：mw234.85 0.047942=1.663g塔釜水含量： mw365.43

16、 0.007024=0.460g塔內水殘留量： Lwmwmw1mw2mw3-0.889g在此處塔內水殘留量為負數，顯然是不符合質量守恒規(guī)律，產生錯誤的原因可能有兩個。首先從色譜分析結果中，原料苯的含量為 100%，實驗藥品中給定苯的含量 99.5%，從相對揮發(fā)度也能看出， 水的相對揮發(fā)度小于苯，也就是說，苯的含量應當降低，水的含量應當增大，色譜分析數據有誤。其次，反應器當中可能殘留有水，進行共沸精餾時，塔內的水部分進入塔頂回收器當中。也可能是由于計算累計誤差造成。-進行總物料衡算，進料總質量：min37.1080.00117.10g塔頂及塔釜液總質量：mout9.4734.8565.43109

17、.62g塔內殘余量：mrest3.401.9405.34g（由于水做物料衡算有誤差，此處按0 計算，以減少誤差）總物料衡算： min moutmrestm ；m117.10 109.62 5.34 2.14 g相對誤差rm2.14100%1.83%min117.103、塔頂三元共沸物組成wa5.1 07. 5628. 56%乙醇質量分數9.4 73 4.100%8 5與參考值相對誤差：ra18.528.56100%54.4%18.5水質量分數ww2 .424 1.616030%9.22%9.4734.85rw7.49.2224.6%與參考值相對誤差：7.4100%苯質量分數wb1.9425.6

18、29.47100% 62.18%34.85與參考值相對誤差： rb74.162.18100%16.1%74.1七、實驗誤差分析實驗中由于實驗設備故障，導致產品分離效率低，沒有達到預期的效果。實驗過程中，中段加熱電流突然變?yōu)榱?，中段加熱停止。以下是檢修過程。圖 4 加熱控溫系統(tǒng)電路圖-圖為目前比較常用的自動控制系統(tǒng)，圖中電阻調節(jié)器通過改變接入電路的電阻達到調節(jié)電路中電流，達到改變塔內各段加熱電流的目的，使共沸精餾過程保持溫度穩(wěn)定。實驗中由于部件老化，出現塔中段加熱電流突然降低為零，經初步分析為線路斷路。在實驗指導老師的一步步仔細排查下，最終確定是調節(jié)電阻斷路。經過半小時后，于 15:56 重啟儀

19、器，進行實驗。這對于實驗結果也有著重大的影響，正常情況下，塔釜乙醇餾出物中濃度應達到 99.5%，實際結果只達到了92.8%。共沸精餾是在穩(wěn)態(tài)條件下完成，要實現穩(wěn)態(tài)精餾，從塔釜進料完成后應首先進行全回流操作，本實驗要求全回流操作時間為40 分鐘，然后再逐步調節(jié)回流比，完成分離任務。故障發(fā)生在全回流完成，將回流比調整為 5:1 后，塔內已經穩(wěn)定，系統(tǒng)故障，檢修重啟總共花去了約半小時，重啟之后，繼續(xù)將塔頂回流比調整為 3:1 繼續(xù)實驗。分析此時塔內的工作狀況，塔內采用的是環(huán)矩鞍填料，持液量不夠，由于長時間沒有蒸汽及液體回流，重啟之初塔內的傳質效率極低，塔的分離效率低，直接的后果就是塔頂乙醇含量增加

20、，塔底水含量大。實驗中除了由于設備故障導致的誤差以外，當然還包括其他原因導致的誤差。a. 色譜分析操作不規(guī)范導致的分析誤差。b. 控制系統(tǒng)控制滯后，導致精餾塔內工況不穩(wěn)定。c. 將塔頂的組成直接作為三元共沸物處理是存在系統(tǒng)誤差的。 由于塔頂實際是苯 -乙醇 -水三元共沸物與乙醇 -苯二元共沸的混合物， 將塔頂組成直接作為三元共沸物組成導致，乙醇、苯含量偏大，水含量偏少。d. 實驗人員操作偶然誤差等等。八、思考題1. 如何計算共沸劑的加入量？1) 在指定的壓力下，做水 -乙醇 -苯的三角相圖；2) 根據相關文獻在圖上確定共沸物組成點（自由度為 1，所以務必確定是該壓力下的共沸點組成），包括三元共

21、沸物，所有可能的二元共沸物。按照實驗原理中的說明做出下面的連線。由沸點參數可知，原料液組成應控制在ATABZ 中；ATABZ 于 H 和 I，3) 連接 F，B 兩點，交這兩點分別是加入共沸劑的最小量和最大量。4) 從圖上可以讀出各線段長度。利用杠桿規(guī)則，若混合液的組成為I，則 mB=mF*|IF|/|BI| ；若混合液組成為 H，則 mB=mF*|HF|/|BH|。I 和 H之間的組成點所用到的共沸劑量應在這兩個值之間。2. 需要測出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具體的衡算方法是什么？總共需要六個數據才能對全塔進行物料衡算， 具體分別是： 1、塔釜液質量 mb；2、塔頂富水相質量mdw ；3、塔頂富苯相質量mdb； 4、塔釜殘液各-組分質量分數 xbi；5、塔頂富水相各組分質量分數 xdwi