实验二 共 沸 精 馏.docx

实验二 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： 精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配，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，在乙醇一水系统中加入第三种物质，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性。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共沸点共沸物组成，t%乙醇水苯乙醇水苯64.8518.57.474.1乙醇苯68.2432.70.067.63水苯69.250.08.8391.17乙醇水78.1595.574.430.0表2 乙醇、水、苯常压沸点物质名称乙醇水苯沸点的温度78.310080.2 从表1和表2列出沸点看，除乙醇一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；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。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20200mm的玻璃塔。内装网环型 22 mm的高效散装填料。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。2流程具体的实验流程见图2。1全凝器 2测温热电偶 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数字是温度显示器 11测温仪 12加料口13出料口图2 共沸精馏流程3试剂实验试剂有乙醇（化学纯），含量95：苯（分析纯），含量995。四、实验步骤1、用电子天平称取80.01克95%的乙醇和36.7克的苯，加入塔釜中，并分别对原料乙醇和苯进行气相色谱分析，确定其组成。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0.4A。开启塔身保温电源，调节保温电流，上段0.2A，下段为0.2A，以使填料层有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的操作范围。3、记录开始时间并每隔20分钟记录塔顶温度、塔釜温度，抽取釜内0.4L试样进行气相色谱分析，记录分析结果。4、20分钟后打开回流比调节器，调至5:1，过20分钟后调至3:1。5、溢流开始后，仍有水珠连续流出的条件下，将回流比调至1:1,10分钟后调至1:3至结束。6、当釜内乙醇含量超过99%时，关闭塔釜和塔身加热电源。7、将蒸出液转移至分液漏斗中，待液体出现明显分界线后，分离富苯相和富水相。8、将富苯相和富水相及釜液分别称重并进行气相色谱分析。9、关闭冷却水，实验结束。五、实验原始数据表1 色谱分析仪数据表柱1：压力0.075MPa 柱2：压力0.075MPa 柱箱温度：145 汽化室温度：110 检测室温度：110 桥电流：100mA 信号衰减：6 进样量：0.4uL项目水乙醇苯保留时间（min）0.210 0.473 2.448 校正因子（min）0.717 1.000 1.257 表2 不同时间不同位置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13:040.210.380.2123.215.8/13:400.210.380.2164.669.35:114:000.210.380.2164.373.73:114:200.210.380.2164.375.31:314:400.210.380.2164.375.21:315:000.210.380.2164.475.21:315:200.210.380.2164.375.21:3备注：14:05时，将回流比调到1:1；到14:15时，将回流比调到1:3表3 釜液组成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/V*s含量%13:04/13:40水0.216 16697 2.96965 乙醇0.511 357334 63.55335 苯2.038 188227 33.47699 14:00水0.200 17224 2.80928 乙醇0.468 559448 91.24976 苯2.331 36424 5.94093 14:20水0.210 12940 2.44153 乙醇0.418 517072 95.55847 14:40水0.206 12398 2.03936 乙醇0.468 595556 97.96064 15:00水0.216 9816 1.66703 乙醇0.478 579040 98.33297 15:20水0.223 7937 1.33293 乙醇0.481 587515 98.66703 表4 物质质量数据表物质乙醇量苯富水相富苯相塔釜液质量/g8036.78.7221.5977.04表5 原料组成气相色谱分析原始数据记录表组成保留时间/min峰面积含量%原料苯1.763 469017100原料乙醇水0.210 368746.2337乙醇0.485 55465493.7662表6 塔顶馏出液组成气相色谱分析原始数据记录表组成保留时间/min峰面积uV/min含量%富水相水0.187 24898336.96163 乙醇0.512 34598451.36159 苯2.222 7865811.67678 水0.196 24550537.84453 乙醇0.526 32635450.30736 苯2.238 7686111.84811 富苯相水0.206 203263.68563 乙醇0.563 10536519.10576 苯1.789 42579277.20860 水0.203 187073.29957 乙醇0.562 10556518.62012 苯1.775 44267178.08031 表7 釜液组成气相色谱分析原始数据记录表组成保留时间/min峰面积含量%塔釜液(77.04g)水0.219 58311.07278 乙醇0.491 46736985.99049 苯2.2487031312.93673 水0.21455891.02823 乙醇0.48647140786.73208 苯2.2516652512.23969 表8 馏出液与塔釜液中各组分质量分数数据表溶液组分质量分数%第一次分析第二次分析平均值富水相水0.286 0.294 0.290 乙醇0.555 0.545 0.550 苯0.159 0.161 0.160 富苯相水0.022 0.020 0.021 乙醇0.161 0.156 0.159 苯0.817 0.824 0.821 塔釜液水0.007 0.007 0.007 乙醇0.835 0.843 0.839 苯0.158 0.150 0.154 六、实验数据处理与结果分析以第一次分析为例：1. 作全塔物料衡算，并对共沸物形成的富水相和富苯相进行分析和衡算，求出塔顶三元共沸物的组成。对塔内乙醇进行物料衡算原料液中乙醇含量：X=55465415546541+368740.717=0.955m乙醇=800.955=76.4g富水相中乙醇质量分数：X乙醇1=34598412489830.717+3459841+786581.257=0.555富水相中乙醇含量：8.720.555=4.840g富苯相中乙醇质量分数：X乙醇2=1053651203260.717+1053651+4257921.257=0.161富苯相中乙醇含量： 21.590.161=3.476g塔釜液中乙醇质量分数：X乙醇3=4673269158310.717+4673691+703131.257=0.835塔釜液中乙醇含量：77.040.835=64.328g则塔内残余乙醇的含量为：76.4-4.840-3.476-64.328=3.756g对塔内苯进行物料衡算原料液中苯含量36.7g富水相中苯的质量分数：X苯1=786581.2572489830.717+345984+786581.257=0.159富水相中苯的质量：8.720.159=1.383g富苯相中苯的质量分数：X苯2=4257921.257203260.717+1053651+4257921.257=0.817富苯相中苯的质量：21.590.817=17.638g塔釜液中苯的质量分数：X苯3=703131.25758310.717+4673691+703131.257=0.158塔釜液中苯的质量：77.040.158=12.160g则塔内残余苯的含量为：36.7-1.383-17.638-12.160=5.519g对塔内水进行物料衡算原料液中水含量为X=368740.7175546541+368740.717=0.045m水=800.045=3.6g富水相中水的含量：m水1=8.722489830.7172489830.717+345984+786581.257=2.497g富苯相中水的含量：m水2=21.59203260.717203260.717+1053651+4257921.257=0.480g塔釜液中水的含量：m水3=77.0458310.71758310.717+4673691+703131.257=0.575g则塔内残余水的含量为：3.6-2.497-0.480-0.575=0.048g塔内总持液量为80+36.7-8.72-21.59-77.04=9.35g 塔内剩余量为3.756+5.519+0.048=9.323g对物料衡算结果分析：塔内总持液比例：=9.3580+36.7100%=8.01%2、塔顶三元共沸物组成计算组分水所占比例：w=2.529+0.4538.72+21.59100%=9.84%相对误差：rw=|0.0984-0.0740.074|100%=32.97%组分乙醇所占比例：a=4.796+3.4228.72+21.59100%=27.11%相对误差：ra=|0.2711-0.1850.185|100%=46.54%组分苯所占比例：b=1.395+17.7158.72+21.59100%=63.05%相对误差：rb=|0.6305-0.7410.741|100%=14.91%运用上述方法得到下表： 表9 塔顶、塔釜各组分含量表组分乙醇质量/g苯质量/g水质量/g原料液76.436.73.6富水相4.796 1.3952.529富苯相3.42217.7150.453塔釜液64.63711.8640.539剩余量3.5455.7260.079表10 塔顶三元共沸物的组成数据表组分水乙醇苯质量分数(%)9.8427.1163.05 相对误差(%)32.9746.5414.91结果分析：通过以上方法求出塔顶馏出液的组成，得出塔顶馏出液实际上是三元共沸物与二元共沸物的混合液。在实验过程中没有控制好三元共沸物蒸尽时的临界点。七、思考题1. 如何计算共沸剂的加入量？ 答：在指定的压力下，做水-乙醇-苯的三角相图；根据相关文献在图上确定共沸物组成点（自由度为1，所以务必确定是该压力下的共