共沸精馏实验报告

1、-化工专业实验报告实验名称：共沸精馏实验人员：江成林同组人：母晓群、黄菲实验地点：天大化工技术实验中心624 室实验时间：2012年 4月 19 日班级 /学号： 2009 级 化工 1 班 3 组 3009209064 号指导教师：陈艳英实验成绩：-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- 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

2、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（简记）共沸点/共沸物组成，

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、苯的常压沸点物质名称（简记）乙醇（ A）水（ W）苯（ B）沸点温度（）78.310080.2-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

4、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 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

5、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 ATABZ中。图1中F代表未加共沸剂时原料乙醇、 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

6、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 20×200mm的玻璃塔。内部上层装有 网环型 2×2 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

7、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. 流程实验流程图如图 2。-3. 试剂实验试剂 80g 乙醇（化学纯），含量 95；苯（分析纯） 35g，含量 995。四、 实验步骤1、称取 克 95%的乙

8、醇和一定量的苯 (通过共沸物的组成计算， 参考量为 克 )，加入塔釜中，并分别对原料乙醇和苯进行色谱分析，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( 注意不要电流过大，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 0.2A，下段为 0.2A ，以使填料层具有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的范围之内。3、40 分钟后打开回流比调节器，调至5:1，过 20 分钟后调至 3:1。4、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。-5、乙醇含量达到99.5%后开始蒸出过量

9、苯，根据色谱分析结果，分次放出若干量蒸出液，直至将塔釜内苯蒸净。6、关闭电源，将所有蒸出液放入分液漏斗，放置5 分钟。将分离后的富苯相和富水相及釜液分别称重并用色谱分析。7、关闭冷却水，结束实验。五、实验原始数据设备编号： 03表 3 精馏过程各时刻实验记录上段加热釜加热下段加塔顶温塔釜控温时刻热电流回流比电流 /A电流 /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设备号： 03表 4色谱分析数据表色谱分样品色谱峰保留时间峰面积峰面积百分析时刻数原料乙醇水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备注：1. 进料量 0.4uL。2. 气相色谱操作条件：柱 1 压力为 0.065MPa，柱 2 压力为 0.065MPa，桥流100mA，信号衰减 6，汽化室温度为 110，柱箱温度为 145，检测室 110。3 各物质校正因子： f(Water)=0.722， f(Alcohol)=1.000 ，f(Benzene)=1.278。六、实验数据处理1、色谱数据处理表 4色谱分析数据结果时刻水乙醇苯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计算举例：以富水相中组分分析为例，f 'A组分 A 的质量百分数 X AAf '式中， f ' - 组分 A的相对校正因子， A- 色谱峰面积水含量：

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) 对塔内乙醇作物料衡算进料乙醇质量： ma80.000.95418176.33g塔顶富水相乙醇质量：ma 19.470.538685.10 g塔顶富苯相乙醇质量：ma 234.850.2169277.56 g塔釜乙醇含量： ma 365.43 0.92107160.26g塔内乙醇残留量：

15、Lamama1ma2ma33.40 g(2) 对塔内苯作物料衡算进料苯质量： mb37.41 137.41g塔顶富水相苯质量：mb19.470.2050891.94g塔顶富苯相乙醇质量：mb 234.85 0.73513125.62 g塔釜苯含量： mb 365.43 0.0719054.70g塔内苯残留量： Lbmbmb1mb 2mb 35.15g（3）对塔内水作物料衡算进料水质量： mw80.00 0.045819=3.666g塔顶富水相中水质量：mw19.47 0.256231=2.424g塔顶富苯相中水质量：mw234.85 0.047942=1.663g塔釜水含量： mw365.43

16、 0.007024=0.460g塔内水残留量： Lwmwmw1mw2mw3-0.889g在此处塔内水残留量为负数，显然是不符合质量守恒规律，产生错误的原因可能有两个。首先从色谱分析结果中，原料苯的含量为 100%，实验药品中给定苯的含量 99.5%，从相对挥发度也能看出， 水的相对挥发度小于苯，也就是说，苯的含量应当降低，水的含量应当增大，色谱分析数据有误。其次，反应器当中可能残留有水，进行共沸精馏时，塔内的水部分进入塔顶回收器当中。也可能是由于计算累计误差造成。-进行总物料衡算，进料总质量：min37.1080.00117.10g塔顶及塔釜液总质量：mout9.4734.8565.43109

17、.62g塔内残余量：mrest3.401.9405.34g（由于水做物料衡算有误差，此处按0 计算，以减少误差）总物料衡算： min moutmrestm ；m117.10 109.62 5.34 2.14 g相对误差rm2.14100%1.83%min117.103、塔顶三元共沸物组成wa5.1 07. 5628. 56%乙醇质量分数9.4 73 4.100%8 5与参考值相对误差：ra18.528.56100%54.4%18.5水质量分数ww2 .424 1.616030%9.22%9.4734.85rw7.49.2224.6%与参考值相对误差：7.4100%苯质量分数wb1.9425.6

18、29.47100% 62.18%34.85与参考值相对误差： rb74.162.18100%16.1%74.1七、实验误差分析实验中由于实验设备故障，导致产品分离效率低，没有达到预期的效果。实验过程中，中段加热电流突然变为零，中段加热停止。以下是检修过程。图 4 加热控温系统电路图-图为目前比较常用的自动控制系统，图中电阻调节器通过改变接入电路的电阻达到调节电路中电流，达到改变塔内各段加热电流的目的，使共沸精馏过程保持温度稳定。实验中由于部件老化，出现塔中段加热电流突然降低为零，经初步分析为线路断路。在实验指导老师的一步步仔细排查下，最终确定是调节电阻断路。经过半小时后，于 15:56 重启仪

19、器，进行实验。这对于实验结果也有着重大的影响，正常情况下，塔釜乙醇馏出物中浓度应达到 99.5%，实际结果只达到了92.8%。共沸精馏是在稳态条件下完成，要实现稳态精馏，从塔釜进料完成后应首先进行全回流操作，本实验要求全回流操作时间为40 分钟，然后再逐步调节回流比，完成分离任务。故障发生在全回流完成，将回流比调整为 5:1 后，塔内已经稳定，系统故障，检修重启总共花去了约半小时，重启之后，继续将塔顶回流比调整为 3:1 继续实验。分析此时塔内的工作状况，塔内采用的是环矩鞍填料，持液量不够，由于长时间没有蒸汽及液体回流，重启之初塔内的传质效率极低，塔的分离效率低，直接的后果就是塔顶乙醇含量增加

20、，塔底水含量大。实验中除了由于设备故障导致的误差以外，当然还包括其他原因导致的误差。a. 色谱分析操作不规范导致的分析误差。b. 控制系统控制滞后，导致精馏塔内工况不稳定。c. 将塔顶的组成直接作为三元共沸物处理是存在系统误差的。 由于塔顶实际是苯 -乙醇 -水三元共沸物与乙醇 -苯二元共沸的混合物， 将塔顶组成直接作为三元共沸物组成导致，乙醇、苯含量偏大，水含量偏少。d. 实验人员操作偶然误差等等。八、思考题1. 如何计算共沸剂的加入量？1) 在指定的压力下，做水 -乙醇 -苯的三角相图；2) 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沸点组成），包括三元共

21、沸物，所有可能的二元共沸物。按照实验原理中的说明做出下面的连线。由沸点参数可知，原料液组成应控制在ATABZ 中；ATABZ 于 H 和 I，3) 连接 F，B 两点，交这两点分别是加入共沸剂的最小量和最大量。4) 从图上可以读出各线段长度。利用杠杆规则，若混合液的组成为I，则 mB=mF*|IF|/|BI| ；若混合液组成为 H，则 mB=mF*|HF|/|BH|。I 和 H之间的组成点所用到的共沸剂量应在这两个值之间。2. 需要测出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具体的衡算方法是什么？总共需要六个数据才能对全塔进行物料衡算， 具体分别是： 1、塔釜液质量 mb；2、塔顶富水相质量mdw ；3、塔顶富苯相质量mdb； 4、塔釜残液各-组分质量分数 xbi；5、塔顶富水相各组分质量分数 xdwi