天津大学2013共沸精馏

化工专业实验报告实验名称：共沸精馏实验人员：同组人：实验地点：天大化工技术实验中心 624 室实验时间：2013年5月4日班级/学号： 10 级求是化工1 班12 组学号实验成绩：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1.实验仪器和药品：电子天平，分液漏斗，玻璃塔，烧瓶等。

气相色谱仪GC−910及计算机数据采集和处理系统：载气1柱前压：0.065MPa讯号衰减：6载气2柱前压：0.065MPa 进样量：0.4μL桥电流：100mA柱箱温度：145℃气化室温度：110℃检测器温度：110℃实验试剂：乙醇（化学纯），含量95%；苯（分析纯），含量：99.5%。

2.共沸精馏原理：当待分离的两个组分为共沸溶液体系或它们的挥发度非常接近时，采用普通精馏方法难以达到分离目的或所需要的理论板数非常多，且回流比亦较大，使设备费用和操作费用过大而不经济，此时可采用共沸精馏。

共沸精馏是向共沸溶液中加入第三组分，使该组分能与原有溶液中的一个或多个组分形成共沸物，且这种新共沸物的挥发度显著地高于或低于原有各组分的挥发度，则新共沸物中各组分的含量与原料液组成不同，可采用普通精馏方法予以分离。

共沸精馏有以下特点：(1)共沸精馏所用的共沸剂必须与待分离组分的一个或两个形成共沸物，因此可供选择的共沸剂有限。

(2)共沸精馏的共沸剂大都从塔顶蒸出，消耗热能较大，只有当共沸物中共沸剂的含量甚少，与共沸剂形成共沸物的组分在原料中含量也少时，共沸精馏的操作才比较经济。

(3)共沸精馏即可用于连续操作也可用于间歇操作。

(4) 在同样压力下操作，共沸精馏的操作温度较低，比其它精馏更适于分离热敏性物料。

[1]3.共沸剂的选择：共沸剂的选择对共沸精馏分离过程的效果影响极大。

选择共沸剂，首先要考虑共沸剂的选择性要大。

此外，还应考虑以下几个方面:(1)共沸剂能显著影响待分离系统中关键组分的汽液平衡关系。

(2)共沸剂至少与待分离系统中一个或两个( 关键) 组分形成两元或三元最低共沸物，而且希望此共沸物比待分离系统中各纯组分的沸点或原来的共沸点低10℃以上，否则难以实现精馏分离。

(3)为使分离流程比较简单，共沸剂回收容易，选用能生成非均相共沸物的共沸剂。

(4)在所形成的共沸物中，共沸剂的比例愈少愈好，汽化潜热愈多愈好。

这样不仅可减少共沸剂用量，提高共沸剂效率; 也可减少循环量，以降低蒸发所需的热量及冷凝所需冷却的量。

(5)共沸剂易于回收利用。

一方面希望形成非均相共沸物，可以减少分离共沸物的操作; 另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其它物料有相当大的挥发度差异。

(6)共沸剂廉价、来源广、无毒性、热稳定性好和腐蚀性小等。

[2]在文献[3]中，分别用苯、环己烷、正己烷、乙酸乙酯、三氯甲烷为共沸剂，共沸精馏135min，结果如下表：由表1可以看出,使用环己烷作为共沸剂，制备无水乙醇的效果最佳，可得到99. 88% (质量分率)的无水乙醇。

可达到同样效果的共沸剂还有苯和CHCl3，然而苯的毒性太大，对环境的污染比较严重；而CHCl3 的理论加入量远大于环己烷,浪费原料。

故环己烷为最佳共沸剂。

但是，本实验中选择苯为共沸剂。

4.实验过程原理：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2。

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3。

表2 乙醇—水—苯三元共沸物性质共沸物(简记) 共沸点℃共沸物组成，t%乙醇水苯乙醇—水—苯(T) 64.85 18.5 7.4 74.1 乙醇—苯(ABZ) 68.24 32.7 0.0 67.63 水—苯(BWZ) 69.25 0.0 8.83 91.17 乙醇—水(AWZ) 78.15 95.57 4.43 0.0表3乙醇、水、苯常压沸点物质名称(简记) 乙醇水苯沸点温度(℃) 78.3 100 80.2从表2和表3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：AB Z、AW Z、BW Z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,连结A、B、W 及ZAB 、ZAW、ZBW将图分为6 个小三角形。

如果原料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三角形3 个顶点所代表的物质。

故要想得到无水乙醇,原料的组成点必须落在包含顶点A 在内的两个小三角形内。

从沸点看,乙醇- 水的共沸点与乙醇的沸点仅差0. 15 ℃,很难分开,而乙醇-苯的共沸点与乙醇的沸点相差10. 06 ℃,较易分开。

因此,分析的最终结果是将原料液组成控制在由ATZAB所围成的三角形内。

图中F代表未加共沸剂时原料组成,随着共沸剂苯的加入,原料液的总组成沿FB 线变化,并与AT线交于H 点(此点分析纯苯与化学纯乙醇的质量比约为5 :7) ,它是达到分离要求所需最少共沸剂用量,而实际用量应略高于此值。

上述分析只限于混相回流的情况,而采用富苯相回流时,共沸剂用量比上述值要低得多。

[4]5.共沸剂加入方式：有混相回流和分相回流。

混相回流即将共沸剂与化学纯乙醇一同加入塔釜。

分相回流即将共沸剂先充满分相器，剩余部分置于塔釜。

对比两种方法可知，采用分相回流共沸剂用量少、共沸剂提纯费用低、精馏时间短、产品乙醇含量高。

6.实验装置原理：a)回流比分配器：回流比分配器是塔头的核心部件。

工业装置上使用的回流比分配器一般是通过专门设计的溢流或切换装置，在液体连续流动的状态下通过阀门控制回流比。

但在实验室中，由于设备小，物料少，很难在连续状态下调节回流比。

因此，实验室小型玻璃精馏塔常采用电磁摆针式回流比控制器，其原理是通过实践继电器控制电磁线圈的通断电时间，使电磁导流摆针在出料口或回流口停留，以停留时间的分配比来控制回流比。

电磁摆针是在玻璃短管内封入铁针制成。

当电磁线圈通电时，摆针被吸向线圈侧，断电时，恢复原位，从而出料或回流口摆动。

b)塔体保温：由于小型精馏塔的比表面积较大，热损失比较明显，往往导致蒸汽无法到达塔顶，内回流严重，甚至引起塔内液泛，实验无法进行，沸点较高的物系尤其严重。

因此为减少热损失，一般在蒸气上升部位，以及塔体外壁采取物理保温或电热保温的措施。

对于玻璃塔采用的保温措施主要有：①在塔身外表面镀有金属膜，通电使塔身加热保温；②在塔身外包裹保温材料；③在塔身或玻璃夹套外缠绕电热丝。

c)气相色谱法：气相色谱法是采用气体(载气)作为流动相的一种色谱法。

当流动相携带混合物流经色谱柱中的固定相是，由于与固定相之间的作用力差异，因而使组分在柱内以不同的速度移动，依次流出色谱柱而得到分离。

选用合适的检测器予以检测，可得到电信号随时间变化的流出曲线，即色谱图。

根据色谱图中各组分色谱峰的出峰时间，可进行定性分析；根据峰面积或峰高，可进行定量分析。

d)气相色谱仪：气相色谱仪的流程由六个部分组成，即气路系统、进样系统、色谱分离系统、控温系统、检测系统、和数据处理系统。

来自钢瓶的载气，依次流经减压阀、净化干燥器、稳定压阀、转子流量计和进样气化室后，进入色谱柱。

流出色谱柱的载气夹带分离后的样品，经检测器的检测后放空。

检测器信号则送入数据处理系统记录并处理。

三、实验步骤及流程1.实验装置：本实验所用的精馏塔为内径Ф20×200mm的玻璃塔。

内装Ө网环型Ф2×2 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.实验流程图：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 共沸精馏流程图3.实验步骤：1、用电子天平称取80.00g乙醇和38.9g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0.4μL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99.50%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。

四、实验现象及数据记录表4 电流、温度变化记录表设备编号：1表5 色谱分析仪数据表五、 数据处理1. 全塔物料衡算：原料乙醇和苯的组成测定：表8 原料组成分析数据a) 对塔内乙醇进行物料衡算以反应釜液中的乙醇实际百分含量进行计算：X =210779×1.0061438×0.742+210779×1.006+39343 1.17=0.8134m =80.00×0.8134=65.07g富水相中乙醇质量分数：X乙醇,1=141518×1.006109377×0.742+141518×1.006+30787×1.17=0.5485富水相中乙醇含量：10.44×0.5485=5.73g 富苯相中乙醇质量分数：X乙醇,2=49911×1.0068835×0.742+49911×1.006+210405×1.17=0.1657富苯相中乙醇含量：19.49×0.16576=3.23g原料乙醇质量分数：X乙醇3=246441×1.006246441×1.006+16415×0.742=0.9532原料乙醇质量：80×0.9532=76.25则塔内残余乙醇的含量为：76.25−65.07−5.73−3.23=2.22gb)对塔内苯进行物料衡算原料液中苯含量:m=38.9×1.00=38.9g富水相中苯含量：X 苯,1=30787×1.17109377×0.742+141518×1.006+30787×1.17=0.1388富水相中苯含量：10.44×0.1388=1.45g 富苯相中苯含量：X 苯,2=210405×1.178835×0.742+49911×1.006+210405×1.17=0.8126富苯相中苯含量：19.49×0.8126=15.84g 塔釜液中苯的含量：X 苯,3=39343×1.171438×0.742+210779×1.006+39343×1.17=0.1776塔釜液中苯含量：77.29×0.1776=13.73g则塔内残余苯的含量为：38.9−1.45−15.84−13.73=7.88g c)对塔内水进行物料衡算原料液中水含量为X=16415×0.742246441×1.006+16415×0.742=0.0468 m=80.00×0.0468=3.74g富水相中水含量：X 水,1=109377×0.742109377×0.742+141518×1.006+30787×1.17=0.3127富水相中水含量：10.44×0.3127=3.26g 富苯相中水含量：X 水,2=8835×0.7428835×0.742+49911×1.006+210405×1.17=0.0217富苯相中水含量：19.44×0.0217=0.42g 塔釜液中水的含量：X 水,3=1438×0.7421438×0.742+210779×1.006+39343×1.17=0.009塔釜液中水含量：77.29×0.009=0.70则塔内残余水的含量为：3.74−3.26−0.42−0.70=−0.64gd)塔内总持液量为80.00+38.9−10.44−19.49−77.29=11.68g塔内剩余量为2.22+7.88−0.64=9.46g两者结果相差2.22g，可能在接取溶液反应釜中有残余，萃取时也有损失。