天津大學(xué)2014共沸精餾

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱： 共沸精餾 實驗人員：xxx 同組人：xxx,xxx實驗地點：天大化工技術(shù)實驗中心 624 室實驗時間： 2013年5月4日 班級/學(xué)號： 11級 求是化工2 班14組學(xué)號xxxxxxxxx實驗成績： 實驗二 共沸精餾一、 實驗?zāi)康?. 通過實驗加深對共沸精餾過程的理解。2. 熟悉精餾設(shè)備的構(gòu)造，掌握精餾操作方法。3. 能夠?qū)s過程做全塔物料衡算。4. 學(xué)會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、 實驗原理1. 實驗儀器和藥品：電子天平，分液漏斗，玻璃塔，燒瓶等。2號氣相色譜儀及計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)：載氣1柱前壓：0.075MPa 訊號衰減：6載氣2柱前壓：0.07

2、5MPa 進樣量：0.4l橋電流： 100mA 柱箱溫度： 145 氣化室溫度：150檢測器溫度：110實驗試劑：乙醇（化學(xué)純），含量95%；苯（分析純），含量：99.5%。2. 共沸精餾原理：當(dāng)待分離的兩個組分為共沸溶液體系或它們的揮發(fā)度非常接近時，采用普通精餾方法難以達到分離目的或所需要的理論板數(shù)非常多，且回流比亦較大，使設(shè)備費用和操作費用過大而不經(jīng)濟，此時可采用共沸精餾。共沸精餾是向共沸溶液中加入第三組分，使該組分能與原有溶液中的一個或多個組分形成共沸物，且這種新共沸物的揮發(fā)度顯著地高于或低于原有各組分的揮發(fā)度，則新共沸物中各組分的含量與原料液組成不同，可采用普通精餾方法予以分離。共沸精

3、餾有以下特點：(1) 共沸精餾所用的共沸劑必須與待分離組分的一個或兩個形成共沸物，因此可供選擇的共沸劑有限。(2) 共沸精餾的共沸劑大都從塔頂蒸出，消耗熱能較大，只有當(dāng)共沸物中共沸劑的含量甚少，與共沸劑形成共沸物的組分在原料中含量也少時，共沸精餾的操作才比較經(jīng)濟。(3) 共沸精餾即可用于連續(xù)操作也可用于間歇操作。(4) 在同樣壓力下操作，共沸精餾的操作溫度較低，比其它精餾更適于分離熱敏性物料。3. 共沸劑的選擇：共沸劑的選擇對共沸精餾分離過程的效果影響極大。選擇共沸劑，首先要考慮共沸劑的選擇性要大。此外，還應(yīng)考慮以下幾個方面:(1) 共沸劑能顯著影響待分離系統(tǒng)中關(guān)鍵組分的汽液平衡關(guān)系。(2)

4、共沸劑至少與待分離系統(tǒng)中一個或兩個( 關(guān)鍵) 組分形成兩元或三元最低共沸物，而且希望此共沸物比待分離系統(tǒng)中各純組分的沸點或原來的共沸點低10以上，否則難以實現(xiàn)精餾分離。(3) 為使分離流程比較簡單，共沸劑回收容易，選用能生成非均相共沸物的共沸劑。(4) 在所形成的共沸物中，共沸劑的比例愈少愈好，汽化潛熱愈小愈好。這樣不僅可減少共沸劑用量，提高共沸劑效率; 也可減少循環(huán)量，以降低蒸發(fā)所需的熱量及冷凝所需冷卻的量。(5) 共沸劑易于回收利用。一方面希望形成非均相共沸物，可以減少分離共沸物的操作; 另一方面，在溶劑回收塔中，應(yīng)該與其它物料有相當(dāng)大的揮發(fā)度差異。(6) 共沸劑廉價、來源廣、無毒性、熱穩(wěn)

5、定性好和腐蝕性小等。4. 實驗過程原理：乙醇水系統(tǒng)加入共沸劑苯以后可以形成四種共沸物?，F(xiàn)將它們在常壓下的共沸溫度、共沸組成列于表1。表1 乙醇水苯三元共沸物性質(zhì)共沸物(簡記)共沸點共沸物組成，t%乙醇水苯乙醇水苯(T)64.8518.57.474.1乙醇苯(ABZ)68.2432.70.067.63水苯(BWZ)69.250.08.8391.17乙醇水(AWZ)78.1595.574.430.0為了便于比較，再將乙醇、水、苯三種純物質(zhì)常壓下的沸點列于表2。 表2 乙醇、水、苯常壓沸點物質(zhì)名稱乙醇水苯沸點溫度()78.310080.2 從表2和表3列出沸點看，除乙醇一水二元共沸物的共沸點與乙醇沸

6、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(shè)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下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲線。該曲線下方為兩相區(qū)，上方為均相區(qū)。圖中標(biāo)出的三元共沸組成點T是處在兩相區(qū)內(nèi)。以T 為中心,連結(jié)A、B、W 及ZAB 、ZAW、ZBW將圖分為6 個小三角形。如果原料的組成點落在某個小三角形內(nèi),當(dāng)塔頂采用混相回流時,精餾的最終結(jié)果只能得到這個三角形3 個頂點所代表的物質(zhì)。故要

7、想得到無水乙醇,原料的組成點必須落在包含頂點A 在內(nèi)的兩個小三角形內(nèi)。從沸點看,乙醇- 水的共沸點與乙醇的沸點僅差0. 15 ,很難分開,而乙醇-苯的共沸點與乙醇的沸點相差10. 06 ,較易分開。因此,分析的最終結(jié)果是將原料液組成控制在由ATZAB所圍成的三角形內(nèi)。圖中F代表未加共沸劑時原料組成,隨著共沸劑苯的加入,原料液的總組成沿FB 線變化,并與AT線交于H 點(此點分析純苯與化學(xué)純乙醇的質(zhì)量比約為5 :7) ,它是達到分離要求所需最少共沸劑用量,而實際用量應(yīng)略高于此值。上述分析只限于混相回流的情況,而采用富苯相回流時,共沸劑用量比上述值要低得多。5. 實驗裝置原理：a) 回流比分配器：

8、回流比分配器是塔頭的核心部件。工業(yè)裝置上使用的回流比分配器一般是通過專門設(shè)計的溢流或切換裝置，在液體連續(xù)流動的狀態(tài)下通過閥門控制回流比。但在實驗室中，由于設(shè)備小，物料少，很難在連續(xù)狀態(tài)下 調(diào)節(jié)回流比。因此，實驗室小型玻璃精餾塔常采用電磁擺針式回流比控制器，其原理是通過實踐繼電器控制電磁線圈的通斷電時間，使電磁導(dǎo)流擺針在出料口或回流口停留，以停留時間的分配比來控制回流比。電磁擺針是在玻璃短管內(nèi)封入鐵針制成。當(dāng)電磁線圈通電時，擺針被吸向線圈側(cè)，斷電時，恢復(fù)原位，從而出料或回流口擺動。b) 塔體保溫：由于小型精餾塔的比表面積較大，熱損失比較明顯，往往導(dǎo)致蒸汽無法到達塔頂，內(nèi)回流嚴(yán)重，甚至引起塔內(nèi)液泛

9、，實驗無法進行，沸點較高的物系尤其嚴(yán)重。因此為減少熱損失，一般在蒸氣上升部位，以及塔體外壁采取物理保溫或電熱保溫的措施。對于玻璃塔采用的保溫措施主要有：在塔身外表面鍍有金屬膜，通電使塔身加熱保溫；在塔身外包裹保溫材料；在塔身或玻璃夾套外纏繞電熱絲 。c) 氣相色譜法：氣相色譜法是采用氣體(載氣)作為流動相的一種色譜法。當(dāng)流動相攜帶混合物流經(jīng)色譜柱中的固定相是，由于與固定相之間的作用力差異，因而使組分在柱內(nèi)以不同的速度移動，依次流出色譜柱而得到分離。選用合適的檢測器予以檢測，可得到電信號隨時間變化的流出曲線，即色譜圖。根據(jù)色譜圖中各組分色譜峰的出峰時間，可進行定性分析；根據(jù)峰面積或峰高，可進行定

10、量分析。d) 氣相色譜儀：氣相色譜儀的流程由六個部分組成，即氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、色譜分離系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。來自鋼瓶的載氣，依次流經(jīng)減壓閥、凈化干燥器、穩(wěn)定壓閥、轉(zhuǎn)子流量計和進樣氣化室后，進入色譜柱。流出色譜柱的載氣夾帶分離后的樣品，經(jīng)檢測器的檢測后放空。檢測器信號則送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄并處理。三、 實驗步驟及流程1. 實驗裝置：本實驗所用的精餾塔為內(nèi)徑20×200mm的玻璃塔。內(nèi)裝網(wǎng)環(huán)型 2×2 mm的高效散裝填料。填料層高度1.2m。塔釜為一只結(jié)構(gòu)特殊的三口燒瓶。上口與塔身相連：側(cè)口用于投料和采樣；下口為出料口；釜側(cè)玻璃套管插入一只測溫?zé)犭娮?，用?/p>

11、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(chǎn)生的蒸汽經(jīng)填料層到達塔頂全凝器。為了滿足各種不同操作方式的需要，在全凝器與回流管之間設(shè)置了一個特殊構(gòu)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(diào)節(jié)器；當(dāng)進行混相回流時，它又可以單純地作為回流比調(diào)節(jié)器使用。這樣的設(shè)計既實現(xiàn)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(xiàn)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(dāng)間歇操作時，為了保證有足夠高的溢流液位，富水相可

12、在實驗結(jié)束后取出。2. 實驗流程圖：3. 實驗步驟：1、用電子天平稱取80.00g乙醇和35.0g苯，加入塔釜中，并分別對原料乙醇和苯進行氣相色譜分析，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(diào)節(jié)加熱電流慢慢升至0.35A。開啟塔身保溫電源，調(diào)節(jié)保溫電流，上段0.2A，下段為0.2A，以使填料層有均勻的溫度梯度，保證全塔處在正常的操作范圍。3、記錄開始時間并每隔20分鐘記錄塔頂溫度、塔釜溫度，抽取釜內(nèi)0.4試樣進行氣相色譜分析，記錄分析結(jié)果。4、20分鐘后打開回流比調(diào)節(jié)器，調(diào)至5:1，過20分鐘后調(diào)至3:1。5、溢流開始后，仍有水珠連續(xù)流出的條件下，將回流比調(diào)至1:1，10分

13、鐘后調(diào)至1:3至結(jié)束。6、當(dāng)釜內(nèi)乙醇含量超過99.50%時，關(guān)閉塔釜和塔身加熱電源。7、將蒸出液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，待液體出現(xiàn)明顯分界線后，分離富苯相和富水相。8、將富苯相和富水相及釜液分別稱重并進行氣相色譜分析。9、關(guān)閉冷卻水，實驗結(jié)束。四、 數(shù)據(jù)處理1. 全塔物料衡算和三元共沸物的組成表3 實驗數(shù)據(jù)記錄表物相名稱質(zhì)量/g物質(zhì)峰面積質(zhì)量矯正因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量/g富水相9.85 水2325830.6860.2631 2.59 乙醇3265481.000.5386 5.30 苯1036381.160.1983 1.95 富苯相33.67 水300570.6860.0310 1.05 乙醇134812

14、1.000.2030 6.83 苯4386061.160.7660 25.79 塔釜67.13 水56170.6860.0062 0.41 乙醇5833131.000.9358 62.82 苯311701.160.0580 3.89 原料乙醇80.00 水459550.6860.0462 3.70 乙醇6503671.000.9538 76.30 80.00 水400870.6860.0463 3.71 乙醇5658451.000.9537 76.29 原料苯35.00 苯5589341.161.0000 35.00 以原料乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)舉例：水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對全塔進行物料衡算 原料乙醇中乙醇的質(zhì)

15、量： 同理可得：富水相中乙醇的質(zhì)量：5.30g富苯相中乙醇的質(zhì)量：6.83g塔釜中乙醇的質(zhì)量：62.82g塔內(nèi)殘余的乙醇的質(zhì)量為：76.30-5.30-6.83-62.82=1.34g同理可得塔內(nèi)殘余的水和苯的質(zhì)量：塔內(nèi)殘余的水的質(zhì)量為：-0.35g塔內(nèi)殘余的苯的質(zhì)量為：3.36g塔內(nèi)總持液量為：80.00+35.00-9.85-33.67-67.13=4.35g 塔內(nèi)剩余量為:1.34-0.35+3.36=4.35g對物料衡算結(jié)果分析為：表4 塔內(nèi)殘余物質(zhì)量水乙醇苯殘余總質(zhì)量/g塔內(nèi)殘余質(zhì)量/g-0.351.343.364.35塔頂三元共沸物組成計算組分水所占比例：相對誤差：同理可得：組分乙

16、醇所占比例為：27.89%相對誤差：50.77%組分苯所占比例為：63.75%相對誤差：-13.97%結(jié)果討論與分析：從物料衡算的結(jié)果，我們可以看出，塔內(nèi)持液占了不小的比例，其中既包括了乙醇，也包括了苯。分液時，由于旋塞處有液體流出，導(dǎo)致富水相、富苯相質(zhì)量減少。這樣就導(dǎo)致了實驗結(jié)果的誤差較大，并且水的物料衡算時，塔持水量為負(fù)值?？偸錾鲜鼋Y(jié)果可以得到下表：表5 塔頂三元共沸物組成水乙醇苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.36%27.89%63.75%相對誤差12.94%50.77%-13.97%2. 畫出25下乙醇-水-苯三元物系的溶解度曲線。在圖上標(biāo)明共沸物的組成點，畫出加料線，并對精餾過程作簡要的說明。25乙醇-

17、水-苯三元物系溶解度曲線如圖，共沸物組成點為T，加料線為FB。將乙醇水的混合物加入塔釜中，此時即對應(yīng)右圖中的F點，隨著苯的加入，原料液的組成點逐漸沿FB線向B點遷移。由三元相圖原理可知，如果原料液的組成點落在某個小三角形內(nèi)，當(dāng)塔頂采用混相回流時精餾的最終結(jié)果只能得到這個小三角形三個頂點所代表的物質(zhì)。所以如果想得到無水乙醇，就應(yīng)該保證原料液的組成落在包含頂點A的小三角形內(nèi)，即在ATABz或ATAWz內(nèi)。從沸點看，乙醇水的共沸點和乙醇的沸點僅差0.15，就本實驗的技術(shù)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。所以應(yīng)該將原料液的組成控制在 ATABz中。也就

18、是說，應(yīng)該通過控制苯的加入量，使得原料液的組成點落在線段HI之間即可。將適量的苯加入塔釜中，通過控制適宜的塔釜溫度和塔頂回流比，即可以在塔釜中得到較為純凈的乙醇，塔頂?shù)玫饺卜形铮瑥亩_到了乙醇和水分離的目的。五、 思考題1. 如何計算連續(xù)精餾中共沸劑的最小加入量？ 答：在指定的壓力下，做水-乙醇-苯的三角相圖； 根據(jù)相關(guān)文獻在圖上確定共沸物組成點（自由度為1，所以務(wù)必確定是該壓力下的共沸點組成），包括三元共沸物，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(shù)可知，原料液組成應(yīng)控制在ATABZ中； 連接F，B兩點，交ATABZ于H和I，這兩點分別是加入共沸劑的最小量和最

19、大量。 從圖上可以讀出各線段長度。利用杠桿規(guī)則，公費劑最小加入量時混合液的組成為H， 則mB=mF*|HF|/|BH|。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？ 答：測得以下數(shù)據(jù)才能對全塔進行物料衡算，具體分別是：塔釜液質(zhì)量、塔頂富水相質(zhì)量、塔頂富苯相質(zhì)量、塔釜殘液各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、塔頂富水相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、塔頂富苯相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原料液質(zhì)量、原料液各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體衡算方法如下：忽略塔內(nèi)總持液量的影響，對塔內(nèi)各個組分列算式：，如果結(jié)果近似等于0，則認(rèn)為該組分在全塔范圍內(nèi)守恒。否則需要將塔內(nèi)損失考慮在內(nèi)。3. 將計算出的三元共沸物組成與文獻值比較，求出其相對誤差，并分析實驗過程中產(chǎn)生誤差的原因。答：相對誤差見表6。之所以會引起誤差，主要是因為該求算方法計算的只是塔頂餾出液的組成，而塔頂餾出液實際上是三元共沸物與二元共沸物的混合液。該實驗過程并沒有很