試驗七恒沸精餾

1、實驗七恒沸精餾一、實驗目的1通過實驗加深對恒沸精餾過程的理解。2熟悉精餾設備的構(gòu)造，掌握精餾操作方法。3能夠?qū)s過程做全塔物料衡算。4學會使用氣相色譜分析氣、液兩相組成。二、實驗原理恒沸精餾是一種特殊的分離方法， 它是通過加入適當?shù)姆蛛x媒介來改變被分離組分之間的相對揮發(fā)度， 從而使分離由難變易的分離過程。 恒沸精餾主要適用于含恒沸物組成且用普通精餾無法得到純品的物系。通常， 加入的分離媒介（亦稱夾帶劑）能與被分離系統(tǒng)中的一種或幾種物質(zhì)形成最低恒沸物，從塔頂蒸出， 而塔釜得到純物質(zhì)。這種方法就稱作恒沸精餾。例如，分離乙醇和水的二元物系。由于乙醇和水可以形成共沸物（恒沸點78.15），而且常壓下

2、的共沸溫度和乙醇的沸點溫度極為相近，所以采用普通精餾方法只能得到乙醇和水的混合物， 而無法得到無水乙醇。為此，在乙醇一水系統(tǒng)中加入第三種物質(zhì)，該物質(zhì)被稱為共沸劑。實驗室恒沸精餾制無水乙醇過程研究主要包括以下幾個內(nèi)容：（ 1）夾帶劑的選擇就工業(yè)乙醇制備無水乙醇，苯、正己烷，環(huán)己烷，乙酸乙酯等，它們都能與水-乙醇形成多種恒沸物， 都可用作夾帶劑。 其中的三元恒沸物的室溫下又可以分為兩相，一相富含夾帶劑， 另一相中富含水， 前者可以循環(huán)使用， 后者又很容易分離出來，這樣使得整個分離過程大為簡化。表7.1 為幾種常用的恒沸體系的有關(guān)數(shù)據(jù)。表 7.1 常壓下夾帶劑與水、乙醇形成三元恒沸物的數(shù)據(jù)組分各純組

3、分沸點恒沸恒沸組成（質(zhì)量分數(shù)）123123溫度123/ 乙醇水苯78.310080.164.8518.5%7.4%74.1%乙醇水乙酸乙酯78.310077.170.238.4%9.0%82.6%乙醇水三氯甲烷78.310061.155.504.0%3.5%92.5%乙醇水正己烷78.310068.756.0011.9%3.0%85.02%本實驗采用正己烷為恒沸劑制備無水乙醇。當正己烷被加入乙醇-水系以后可以形成四種恒沸物，即一個三元恒沸物和三個二元恒沸物，相關(guān)的恒沸物性質(zhì)如下表7.2 所示。表 7.2 乙醇 -水 -正己烷三元系統(tǒng)恒沸物性質(zhì)物系恒沸點 /恒沸組成（質(zhì)量分數(shù)）在恒沸點分相乙 醇

4、水正己烷液的相態(tài)乙醇 -水78.17495.57%4.43%均相水 -正己烷61.555.6%94.40%非均相乙醇 -正己烷58.6821.02%78.98%均相乙醇 -水 -正乙醇56.0011.98%3.00%85.02%非均相（ 2）精餾區(qū)恒沸精餾過程不僅與塔的分離能力有關(guān)，而且與進塔總組成落在哪個濃度區(qū)域有關(guān)。因為精餾塔中的溫度沿向上是逐板降低，不會出現(xiàn)極值點，只要塔的分離能力（回流比， 塔板數(shù)）足夠大，塔頂產(chǎn)物可為溫度曲線的最低點，塔底產(chǎn)物可為溫度曲線上的最高點。因此，當溫度曲線在全濃范圍內(nèi)出現(xiàn)極值點時，該點將成為精餾路線通過的障礙。于是，精餾產(chǎn)物按混合液的總組成分區(qū)，稱為精餾區(qū)。

5、當添加一定數(shù)量的正己烷于工業(yè)乙醇中蒸餾時，整個精餾過程可以用圖7.1 加以說明。圖 7.1 恒沸精餾原理圖A 、 B 、W- 表示乙醇、正己烷和水三個純物質(zhì)；C、D 、E- 代表三個二元恒沸物；T-A-B-W三元恒沸物。曲線BNW-三元混合物在25時的溶解度曲線。曲線以下為兩相共存區(qū)，以上為均相區(qū)，該曲線受溫度的影響而上下移動。圖中的三元恒沸物組成點T 室溫下是處在兩相區(qū)內(nèi)。以 T 點為中點，連接三種純物質(zhì)A、B、W和三個二元恒沸組成點C、 D、 E，則該三角形相圖被分成六個小三角形。當塔頂混相回流 （即回流液組成與塔項上升蒸氣組成組成相同）時，如果原料液的組成落在某個小三角形內(nèi)，那么間歇精餾

6、的結(jié)果只能得到這個小三角形三個項點所代表的物質(zhì)。為此要想得到無水乙醇，就應保證原料液的總組成落在包含項點A 的小三角形內(nèi)。但由于乙醇-水的二元恒沸點與乙醇沸點相差極小，僅0.15，很難將兩者分開，而己醇 -正己烷的恒沸點與乙醇的沸點相差19.62，很容易將它們分開，所以只能將原料液的總組成配制在三角形的ATD 內(nèi)。圖 7.1 中 F 代表乙醇 -水混合物的組成，隨著夾帶劑正己烷加入，原料液的總組成將沿著 FB 線而變化，并將與 AT 線相交于 G 點。這時，夾帶劑的加入量稱作理論恒沸劑用量，它是達到分離目的所需最少的夾帶劑用量。 如果塔有足夠的分離能力， 則間歇精餾時三元恒沸物從塔頂餾出（ 5

7、6）。釜液組成就沿著 TA 線向 A 點移動。但實際操作時，往往總將夾帶劑過量，以保證塔釜脫水完全。這樣，當塔項三元恒沸物T 出完以后，接著餾出沸點略高于它的二元恒沸物，最后塔釜得到無水乙醇，這就是間歇操作特有的效果。倘若將塔項三元恒沸物（圖中T 點， 56）冷凝后分成兩相。一相為油相富含正己烷，一相為水相， 利用分層器將油相回流，這樣正己烷的用量可以低于理論夾帶劑的用量。分相回流也是實際生產(chǎn)中普遍采用的方法。它的突出優(yōu)點是夾帶劑用量少，夾帶劑提純的費用低。（ 3）夾帶劑的加入方式夾帶劑一般可隨原料一起加入精餾塔中， 若夾帶劑的揮發(fā)度比較低， 則應在加料板的上部加入， 若夾帶劑的揮發(fā)度比較高，

8、 則應在加料板的下部加入。 目的是保證全塔各板上均有足夠的夾帶劑濃度。（ 4）恒沸精餾操作方式恒沸精餾既可用于連續(xù)操作，又可用于間歇操作。（ 5）夾帶劑用量的確定夾帶劑理論用量的計算可利用三角形相圖按物料平衡式求解之。若原溶液的組成為F點，加入夾帶劑B 以后，物系的總組成將沿FB 線向著 B 點方向移動。 當物系的總組成移到G 點時，恰好能將水以三元恒沸物的形式帶出，以單位原料液F 為基準，對水作物料衡算，得：DX D= FXFD=FXF/XD夾帶劑 B 的理論用量為式中： F進料量；B=D ·XDBD 塔頂三元恒沸物量；B夾帶劑理論用量；X Fi i 組分的原料組成；X Oi 塔頂

9、恒沸物中I 組成三、實驗裝置與試劑、裝置實驗所用的精餾柱為內(nèi)徑20mm 的玻璃塔，塔內(nèi)分別裝有不銹鋼三角形填料和壓延孔環(huán)填料，填料層高1m。塔身采用真空夾套以便保溫。塔釜為1000mL 的三口燒瓶，其中位于中間的一個口與塔身相連，側(cè)面的一開口為測溫口，用于測量塔釜液相溫度，另一開口作為進料和取樣口。塔釜配有350W 電熱碗，加熱并控制釜溫。經(jīng)加熱沸騰后的蒸氣通過填料層到達塔頂，塔頂采用一物殊冷凝頭，以滿足不同操作方式的需要。 既可實現(xiàn)連續(xù)精餾操作，又可進行間歇精餾操作。塔頂冷凝液流入分相器后，分為兩相，上層為油相富含正己烷，下層富含水，油相通過溢流口，用考克控制回流量。2、試劑乙醇（ 95%）

10、，環(huán)已烷（分析純） 。圖 7.2恒溫精餾裝置圖1加熱鍋； 2進料口； 3填料； 4保溫管； 5， 8溫度計； 6冷凝器； 7油水分離器四、實驗步驟間歇操作：（ 1）稱取 100g95% （質(zhì)量分數(shù)）乙醇（以色譜分折數(shù)據(jù)為準） ，按夾帶劑的理論用量算出正己烷的加入量。（ 2）將配制好的原料加入塔釜中，開啟塔釜；加熱電源及塔頂冷卻水。（ 3）當塔頂有冷凝液時，便要注意調(diào)節(jié)回流考克，實驗過程采用油相回流。（ 4）每隔 10 分種記錄一次塔頂塔釜溫度，每隔20 分鐘，取塔釜液相樣品分析，當塔釜溫度升到80時，若釜液純度達99.5%以上即可停止實驗。（ 5）取出分相器中的富水層，稱重并進行分析，然后再取

11、富含正己烷的油相分析其組成。稱出塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。（ 6）切斷電源，關(guān)閉冷卻水，結(jié)束實驗。（ 7）實驗中各點的組成均采用氣相色譜分析法分析。五、實驗數(shù)據(jù)處理（ 1）作間歇操作的全塔物料衡算，推算出塔頂三元恒沸物的組成。（ 2）畫出 25下，乙醇 -水 -正己烷三元系溶解度曲線，在圖上標明恒沸物組成點，畫出加料線。（ 3）計算本實驗過程的收率。表 7.3水 -乙醇 -正己烷 25液 -液平衡數(shù)據(jù)（摩爾分數(shù)，%）水相油相水乙醇正己烷水乙 醇正己烷69.42330.1110.4660.4741.29798.23040.22756.1573.6160.9216.48292.59726.64364.6128.7451.33612.54086.12419.80365.67814.5172.53920.51576.94613.28461.75922.9573.95930.33965.70212.87958.44428.6764.94035.80859.25311.73256.25832.0105.90838.98355.10911.27155.09133.6396.52940.84952.622六、實驗結(jié)果及討論（ 1）將算出的三元恒沸物組成與文獻值比較，求出其相對誤