共沸精馏 3013207087 杨鑫一、 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2.1 共沸精馏简介精馏是分离液体混合物最早实现工业化的单元操作，广泛地应用于化工、石油、医药等领域。精馏是利用不同组分在汽液两相间的分配，通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。其依据是通过加热液体混合物得到气液两相体系，利用混合物溶液中各组分在气液两相中的不同分配从而达到混合物的分离。由于各组分挥发度的不同，各个组分在气液两相中的含量是不同的，挥发度较大的组分会更多地进入气相中，最终在塔顶馏出液中出现；相对应的挥发度较小的组分会更多进入液相中，最终在釜液中出现，这样就实现了不同物质的分离。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。为此在乙醇水体系中加入第三种物质，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低共沸物的特征。在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜则将得到无水乙醇。这种方法就称作共沸精馏。2.2 过程原理本实验要求的是由乙醇-水混合物制取纯乙醇，但由水-乙醇的汽液平衡相图（图1）可知，水-乙醇体系存在最低恒沸点，故无法通过一次蒸馏得到纯乙醇。为此采用特殊精馏共沸精馏操作得到无水乙醇。图1 乙醇-水二元体系的T-x-y图乙醇水体系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共沸温度/共沸物组成/wt%乙醇水苯乙醇-水-苯（T）64.8518.57.4074.10乙醇-苯（ABz）68.2432.70.067.63苯-水（BWz）69.250.08.8391.17乙醇-水（EWz）78.1595.574.430.0表2 乙醇、水、苯的常压沸点物质名称乙醇（A）水（W）苯（B）沸点温度（）78.30100.0080.20从表1和表2列出的沸点看，除乙醇水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外，其余三种共沸物的沸点与乙醇的沸点均有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2来说明。图中A、B、W分别为乙醇、苯、水的英文字头；ABZ、AWZ、BWZ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。 图2 乙醇-水-苯三元相图以T为中心，连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸物组成点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。故想要得到无水乙醇，就应该保证原料液的组成落在包含定点A的小三角形内，即在ATABZ或ATAWZ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。而乙醇一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ATABZ中。图2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、 实验流程本实验装置如图3所示：图3 共沸精馏实验装置图1-全凝器；2-测温热电阻；3-填料塔；4-塔釜；5-电加热器；6-分相器；7-电磁铁；8-回流比控制器；9-馏出液收集器；10-数字式温度显示器；11-控温仪；12-加料口；13-出料口本实验所用的精馏塔为内径20200 mm的玻璃塔。内装三角螺旋高效散装填料。填料层高度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。四、 实验步骤1. 称取60 g 含水乙醇和一定量的苯（通过共沸物的组成计算），加入塔釜中，并分别对原料乙醇进行色谱分析，确定其组成（认为苯的组成为100%）。2. 向全凝器中通入冷却水，并开启釜电加热系统，调节加热电流慢慢升至0.4 A（注意不要使电流过大，以免设备突然受热而损坏）。待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流，上段为0.1A左右，下段为0.1A左右，以使填料层具有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的操作范围内。3. 每隔20 min记录一次加热电流、保温电流、塔顶温度、塔釜温度。每隔10 min取塔釜气相样品分析组成。4. 当塔头有液体出现，全回流30 min稳定后，调节回流比进行混相回流操作，回流比为5:1。5. 待分相器内液体开始溢流，并分成两相，上层为苯相，下层为水相，且能观察到三元共沸物在苯相苯中以水珠形态穿过，溶于水相中，此时，调节回流比为1:3。6. 待塔釜中乙醇含量大于99.6%，且无苯存在时，停止加热，取出釜液，称重、分析组成。7. 将塔顶馏出液用分液漏斗分离，分别称重，依次用气相色谱仪分析富水相、富苯相组成。8. 分析以上产品后，填料内的持液回流至塔釜内，将其取出，称重、分析组成。9. 切断设备的供电电源，关闭冷却水，将实验用品放回原位，结束实验。五、 实验现象及数据记录实验数据原始记录见同组人王菲，现将数据汇总整理如下：表3 色谱分析条件汽化室温度/110检测温度/150柱箱温度/145柱前压 1 /MPa0.075柱前压 2 /MPa0.075桥电流/mA100 备注：进样量为0.2表4 原料物料称重物质重量/g原料苯46.70原料乙醇60.01表5 原料色谱分析结果物质次数组分保留时间/min峰面积峰面积百分比/%乙醇第一次水0.264198038.84163乙醇0.45220416991.15837第二次水0.285213179.17458乙醇0.47221103190.82542第三次水0.165210109.46234乙醇0.35720103090.53766表6 产品物料称重物质锥形瓶质量/g锥形瓶质量与产品总质量/g富水相41.8252.23富苯相38.5186.30釜残液35.8361.80持液44.1264.70表7 反应过程记录表时间塔顶温度/塔釜温度/上段加热电流/A塔釜加热电流/A下段加热电流/A回流比组分停留时间峰面积峰面积百分比13：2420.215.60.100.400.1013：39开始全回流操作13：4463.366.90.100.400.1013：54水0.24795003.67894第一次取样乙醇0.43717557967.99677苯1.5417313828.3243014：0463.067.20.100.400.10水0.25556423.17261第二次取样乙醇0.44212448970.00521苯1.5654769726.8221814:14水0.26737802.16982第三次取样乙醇0.45012331970.79345苯1.5834709727.03672续表7 反应过程记录表时间塔顶温度/塔釜温度/上段加热电流/A塔釜加热电流/A下段加热电流/A回流比组分停留时间峰面积峰面积百分比14：2464.268.40.100.400.105:114：34水0.43919671.95949第四次取样乙醇0.7117939279.10739苯2.4931900118.9331214：4463.871.10.100.400.105:1水0.51755291.14334第五次取样乙醇0.81441640286.10657苯3.0096165812.7500814：54水由于进样针头太粗，多次进样后使色谱仪漏气，没有载气而无法测出，更换进样针第六次取样乙醇苯15：0463.374.50.100.400.101:315：1463.674.20.100.400.101:3水0.28313660.84017第七次取样乙醇0.42415218993.58595分相器放出部分液体，使富苯相不回流苯1.60690645.5738715:2463.174.30.100.400.101:3水0.27014380.93127第八次取样乙醇0.41414230492.18354分相器放出部分液体，使富苯相不回流苯1.580106296.8851915：3263.875.80.100.400.101:3水