恒沸精馏实验报告.docx

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恒沸精馏实验报告

恒沸精馏实验报告

一、实验目的

恒沸精馏是一种特殊的分离方法。

它是通过加入适当的分离媒质来改变被分离组分之间的汽液平衡关系，从而使分离由难变易。

恒沸精馏主要适用于含恒沸物组成且用普通精馏无法得到纯品的物系。

通常，加入的分离媒质（亦称夹带剂）能与被分离系统中的一种或几种物质形成最低恒沸物，使夹带剂以恒沸物的形式从塔顶蒸出，而塔釜得到纯物质。

这种方法就称作恒沸精馏。

本实验使学生通过制备无水乙醇，达到以下两个目的。

（1）加强并巩固对恒沸精馏过程的理解。

（2）熟悉实验精馏塔的构造，掌握精馏操作方法。

二、实验原理

在常压下，用常规精馏方法分离乙醇-水溶液，最高只能得到浓度为95.57%（质量分数）的乙醇。

这是乙醇与水形成恒沸物的缘故，其恒沸点78.15℃，与乙醇沸点78.30℃十分接近，形成的是均相最低恒沸物。

而浓度95%左右的乙醇常称工业乙醇。

由工业乙醇制备无水乙醇，可采用恒沸精馏的方法。

实验室中沸精馏过程的研究，包括以下几个内容。

（1）夹带剂的选择

恒沸精馏成败的关键在于夹带剂的选取，一个理想的夹带剂应该满足如下几个条件。

1）必须至少能与原溶液中一个组分形成最低恒沸物，希望此恒沸物比原溶液中的任一组分的沸点或原来的恒沸点低10℃以上。

2）在形成的恒沸物中，夹带剂的含量应尽可能少，以减少夹带剂的用量，节省能耗。

3）回收容易，一方面希望形成的最低恒沸物是非均相恒沸物，可以减轻分离恒沸物的工作量；另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其他物料有相当大的挥发度差异。

4）应具有较小的汽化潜热，以节省能耗。

5）价廉、来源广，无毒、热稳定性好与腐蚀性小等。

就工业乙醇制备无水乙醇，适用的夹带剂有苯、正己烷，环己烷，乙酸乙酯等。

它们都能与水-乙醇形成多种恒沸物，而且其中的三元恒沸物的室温下又可以分为两相，一相富含夹带剂，另一相中富含水，前者可以循环使用，后者又很容易分离出来，这样使得整个分离过程大为简化。

下表给出了几种常用的恒沸剂及其形成三元恒沸物的有关数据。

常压下夹带剂与水、乙醇形成三元恒沸物的数据

组分

各纯组分沸点

恒沸温度/℃

恒沸组成（质量分数）

1

2

3

1

2

3

1

2

3

乙醇

水

苯

78.3

100

80.1

64.85

18.5%

7.4%

74.1%

乙醇

水

乙酸乙酯

78.3

100

77.1

70.23

8.4%

9.0%

82.6%

乙醇

水

三氯甲烷

78.3

100

61.1

55.50

4.0%

3.5%

92.5%

乙醇

水

正己烷

78.3

100

68.7

56.00

11.9%

3.0%

85.02%

本实验采用正己烷为恒沸剂制备无水乙醇。

当正己烷被加入乙醇-水系以后可以形成四种恒沸物，一是乙醇-水-正己烷三者形成一个三元恒沸物，二是它们两两之间又可形成三个二元恒沸物。

它们的恒沸物性质如下表所示。

乙醇-水-正己烷三元系统恒沸物性质

物系

恒沸点/℃

恒沸组成（质量分数）

在恒沸点分相液的相态

乙醇

水

正己烷

乙醇-水

78.174

95.57%

4.43%

均相

水-正己烷

61.55

5.6%

94.40%

非均相

乙醇-正己烷

58.68

21.02%

78.98%

均相

乙醇-水-正乙烷

56.00

11.98%

3.00%

85.02%

非均相

（2）决定精馏区

具有恒沸物系统的精馏进程与普通精馏不同，表现在精馏产物不仅与塔的分离能力有关，而且与进塔总组成落在哪个浓度区域有关。

因为精馏塔中的温度沿向上是逐板降低，不会出现极值点，只要塔的分离能力（回流比，塔板数）足够大，塔顶产物可为温度曲线的最低点，塔底产物可为温度曲线上的最高点。

因此，当温度曲线在全浓范围内出现极值点时，该点将成为精馏路线通过的障碍。

于是，精馏产物按混合液的总组成分区，称为精馏区。

当添加一定数量的正己烷于工业乙醇中蒸馏时，整个精馏过程可以用下图加以说明。

图上A、B、W分别表示乙醇、正己烷和水的纯物质，C、D、E点分别代表三个二元恒沸物，T点为A-B-W三元恒沸物。

曲线BNW为三元混合物在25℃时的溶解度曲线。

曲线以下为两相共存区，以上为均相区，该曲线受温度的影响而上下移动。

图中的三元恒沸物组成点T室温下是处在两相区内。

以T点为中点，连接三种纯物质A、B、W和三个二元恒沸组成点C、D、E，则该三角形相图被分成六个小三角形。

当塔顶混相回流（即回流液组成与塔项上升蒸气组成组成相同）时，如果原料液的组成落在某个小三角形内，那么间歇精馏的结果只能得到这个小三角形三个项点所代表的物质。

为此要想得到无水乙醇，就应保证原料液的总组成落在包含项点A的小三角形内。

但由于乙醇-水的二元恒沸点与乙醇沸点相差极小，仅0.15℃，很难将两者分开，而己醇-正己烷的恒沸点与乙醇的沸点相差19.62℃，很容易将它们分开，所以只能将原料液的总组成配制在三角形的ATD内。

恒沸精馏原理图

图中F代表乙醇-水混合物的组成，随着夹带剂正己烷加入，原料液的总组成将沿着

线而变化，并将与

线相交于G点。

这时，夹带剂的加入量称作理论恒沸剂用量，它是达到分离目的所需最少的夹带剂用量。

如果塔有足够的分离能力，则间歇精馏时三元恒沸物从塔顶馏出（56℃）。

釜液组成就沿着

线向A点移动。

但实际操作时，往往总将夹带剂过量，以保证塔釜脱水完全。

这样，当塔项三元恒沸物T出完以后，接着馏出沸点略高于它的二元恒沸物，最后塔釜得到无水乙醇，这就是间歇操作特有的效果。

倘若将塔项三元恒沸物（图中T点，56℃）冷凝后分成两相。

一相为油相富含正己烷，一相为水相，利用分层器将油相回流，这样正己烷的用量可以低于理论夹带剂的用量。

分相回流也是实际生产中普遍采用的方法。

它的突出优点是夹带剂用量少，夹带剂提纯的费用低。

（3）夹带剂的加入方式

夹带剂一般可随原料一起加入精馏塔中，若夹带剂的挥发度比较低，则应在加料板的上部加入，若夹带剂的挥发度比较高，则应在加料板的下部加入。

目的是保证全塔各板上均有足够的夹带剂浓度。

（4）恒沸精馏操作方式

恒沸精馏既可用于连续操作，又可用于间歇操作。

（5）夹带剂用量的确定

夹带剂理论用量的计算可利用三角形相图按物料平衡式求解之。

若原溶液的组成为F点，加入夹带剂B以后，物系的总组成将沿

线向着B点方向移动。

当物系的总组成移到G点时，恰好能将水以三元恒沸物的形式带出，以单位原料液F为基准，对水作物料衡算，得

夹带剂B的理论用量为B=D·XDB

式中F——进料量；

D——塔顶三元恒沸物量；

B——夹带剂理论用量；

XFi——i组分的原料组成；XOi——塔顶恒沸物中I组成

三、实验装置及流程

实验所用的精馏柱为内径

20mm的玻璃塔，塔内分别装的不锈钢三角形填料，压延孔环填料，填料层高1m。

塔身采用真空夹套以便保温。

塔釜为1000mL的三口烧瓶，其中位于中间的一个口与塔身相连，侧面的一口为测温口，用于测量塔釜液相温度，另一口作为进料和取样口。

塔釜配有350W电热碗，加热并控制釜温。

经加热沸腾后的蒸气通过填料层到达塔顶，塔顶采用一物殊冷凝头，以满足不同操作方式的需要。

既可实现连续精馏操作，又可进行间歇精馏操作。

塔顶冷凝液流入分相器后，分为两相，上层为油相富含正己烷，下层富含水，油相通过溢流口，用考克控制回流量。

恒温精馏装置图

1—加热锅；2—进料口；3—填料；4—保温管；5，8—温度计

6—冷凝器；7—油水分离器

四、实验步骤

（1）称取100g95%（质量分数）乙醇（以色谱分折数据为准），按夹带剂的理论用量算出正己烷的加入量。

（2）将配制好的原料加入塔釜中，开启塔釜；加热电源及塔顶冷却水。

（3）当塔顶有冷凝液时，便要注意调节回流考克，实验过程采用油相回流。

（4）每隔10分种记录一次塔顶塔釜温度，每隔20分钟，取塔釜液相样品分析，当塔釜温度升到80℃时，若釜液纯度达99.5%以上即可停止实验。

（5）取出分相器中的富水层，称重并进行分析，然后再取富含正己烷的油相分析其组成。

称出塔釜产品的质量。

（6）切断电源，关闭冷却水，结束实验。

（7）实验中各点的组成均采用气相色谱分析法分析。

五、实验数据处理

1.色谱分析数据处理

计算举例：

以第一组塔釜液中组分分析为例，

组分A的质量百分数

式中，

——组分A的相对校正因子，A——色谱峰面积

水含量：

2.全塔物料衡算

塔顶水相质量：

14.59g，塔顶油相质量：

64.51g，釜液质量：

32.84g

1）对乙醇做物料衡算

水相乙醇质量：

14.59

0.8537=12.4555g

油相乙醇质量：

64.51

0.0653=4.2125g

2）对水做物料衡算

水相水的质量：

14.59

0.1463=2.1345g

油相水的质量：

64.51

0=0

3）对正己烷做物料衡算

水相正己烷质量：

14.59

0=0

油相正己烷质量：

64.51

0.9347=60.2975g

3.塔顶三元共沸物组成

乙醇质量分数：

与参考值相对误差：

水质量分数：

与参考值相对误差：

正己烷质量分数：

与参考值相对误差：

本次实验中共沸物温度到达恒沸点后并未沸腾，导致精馏过程并未完全按照常规进行，从而产生实验误差。

4.水-乙醇-正己烷三元相图

5.本实验的收率

乙醇的收率为：

97.41%

提高收率的方法：

1）加热温度不宜过高,应采取梯度升温的方式

2）当开始回流时保持温度不变,等回流时再适当升高温度

3）适当降低冷凝液的温度有利于提高乙醇的收率

六．思考题

1．恒沸精馏适用于什么物系？

答：

挥发度十分接近的液体混合物

2．恒沸精馏对夹带剂的选择有哪些要求？

答：

1）必须至少能与原溶液中一个组分形成最低恒沸物，希望此恒沸物比原溶液中的任一组分的沸点或原来的恒沸点低10℃以上。

2）在形成的恒沸物中，夹带剂的含量应尽可能少，以减少夹带剂的用量，节省能耗。

3）回收容易，一方面希望形成的最低恒沸物是非均相恒沸物，可以减轻分离恒沸物的工作量；另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其他物料有相当大的挥发度差异。

4）应具有较小的汽化潜热，以节省能耗。

5）价廉、来源广，无毒、热稳定性好与腐蚀性小等。

3．夹带剂的加料方式有哪些？

目的是什么？

答：

夹带剂一般可随原料一起加入精馏塔中，若夹带剂的挥发度比较低，则应在加料板的上部加入，若夹带剂的挥发度比较高，则应在加料板的下部加入。

目的是保证全塔各板上均有足够的夹带剂浓度。

4．恒沸精馏产物与哪些因素有关？

答：

不仅与塔的分离能力有关，而且与进塔总组成落在哪个浓度区域有关。