天津大学—共沸精馏实验报告

1、目录 一、实验目的3. 二、实验原理3. 三、装置、流程及试剂 4. 3.1装置4 3.2流程4 3.3试剂5 四、实验步骤5. 五、原始数据记录表6. 六、数据处理7. 6.1全塔物料衡算及塔顶三元共沸物的组成分析 7 1对塔内水进行物料衡算 7 2对塔内乙醇进行物料衡算8 3对塔内苯进行物料衡算 8 4塔内总持液量衡算9 5对物料衡算结果的分析9 6塔顶三元共沸物组成计算9 6.225C下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲线及简要说明.10 七、思考题10 7.1共沸物加入量的计算10 7.2全塔物料衡算所需的实验数据 11 7.3三元共沸物组成的误差及其分析 11 一、实验目的 1通过实验加

2、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； 、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

3、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/ C 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（AR） 68.24 32.7 0.0 67.63 苯-水（BW 69.25 0.0 8.83 91.17 乙醇-水（AW） 78.15 95.57 4.43 0.0 表2乙醇、水、苯的常压沸

4、点 物质名称（简记） 乙醇（A） 水（W 苯（B） 沸点温度C） 78.3 100 80.2 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10C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,AWZ,BW代表三个二元 共沸物，T表示三元共沸物。图中的曲线为25C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

5、物质A、B W及三个二元共沸点组成点AR、AW、BW， 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。 当塔顶米 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 在厶ATAA ATAW内。从沸点看，乙醇-水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15 C, 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 C,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 ATAB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

6、的总组成将沿着FE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 3.1装置 本实验所用的精馏塔为内径 20X 200mm的玻璃塔。内装有经改装后的高 效散装填料（型号未知）。填料层高度约为1.2m。 塔釜为一只结构特殊的三口烧瓶。上口与塔身相连

7、：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。 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。 由于本实验

8、只做间歇操作，为了保证有足够高的溢流液位，富水相应在实验结束 后取出。 3.2流程 具体试验流程见图2所示 1全曦髀2测温热电阻3填科塔4唐釜5电加塑磐6井招解 t电確借e回疣此捞和黠勺超出祯牧築辭10喷宇武湿頂显示辭 11控温仪12加斜口 體由料口 R2共沸稱悯流程 3.3试剂 本实验所用的实验试剂为乙醇80.0g和苯37.1g。 四、实验步骤 1称取80g的乙醇和37.1g的苯加入塔釜中，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，开启釜电加热系统，并把系统调整至全回流，调 节加热电流慢慢升至0.4A （注意不要使电流过大，以免设备突然受热而损坏）。 然后记

9、录下此时的时间、塔釜和塔顶的初始温度、加热电流以及塔釜和上、下段 加热电流。 3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，并持续30分钟，以使填料层具有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的 操作范围内。 4. 一个小时后，打开回流比调节器，调至 5:1，并在后面的2小时内，每20 分钟中对塔釜样品做一次色谱分析，分别记录下水、乙醇和苯的气相色谱峰面积。 5. 过20分钟后把回流比调节器调至3:1，再过两个5分钟后分别把回流比调 节器调至1:1和1:3。 6. 做完前面2个小时的最后一组色谱分析之后，发现样品中苯的存在，于是 把塔顶放空一格，等其溢流之后5分钟，

10、再做一组塔釜气象色谱分析，并记录相 关数据。 7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，并分别记录下各自的质量和其各组分的 气象色谱峰面积。 8.关闭冷却水，结束实验。 五、原始数据记录表 表3精馏过程各时刻实验记录 设备编号：03 时刻 上段 加热 电流 /A 釜加 热电 流/A 下段 加热 电流 /A 塔顶 温度 /C 塔釜 控温 /C 峰面积/卩VKs 峰的百分含量/% 水 乙醇 苯 水 乙醇 苯 14： 07 0.21 0.37 0.20 18.4 17.4 15： 0.20 0.37 0.21 61.0 71.9 515

11、0 1907 4388 2.14 79.5 18.2 05 92 3 740 546 )9793 15： 0.20 0.37 0.21 61.6 4219 2098 1873 1.95 97.1 0.86 75.7 25 14 409 784 7507 15： 0.20 0.38 0.20 61.8 75.8 3884 2228 1.71 98.2 45 71 286 8714 16： 0.20 0.37 0.20 61.7 75.6 2696 2073 1.28 98.7 05 28 366 1634 16： 0.20 0.38 0.20 61.8 1550 1600 0.95 99.0 7

12、5.7 25 44 919 4081 16： 0.20 0.38 0.20 61.7 75.6 2073 2496 0.82 99.1 45 49 353 7647 17： 0.20 0.37 0.20 61.8 75.7 1774 2456 1897 0.71 98.5 0.76 00 60 150 2766 0836 17： 12 0.20 0.37 0.20 61.8 75.7 1179 2059 04 0.56 934 99.4 3066 表4塔顶塔釜产物分析记录 物相名 称 质量/g 峰面积/ yVs 峰的百分含量/% 水 乙醇 苯 水 乙醇 苯 富水相 10.18 104934 1

13、47982 41916 35.59112 50.19197 14.21691 富苯相 25.86 9083 47828 182551 3.793086 19.97311 76.23381 塔釜液 71.30 207601 23268 89.92156 10.07844 表5原料组成色谱分析记录表 07 组J面积 成、 乙醇 苯 1 2 1 2 水， 12866 13394 乙醇 217703 219566 苯 214129 213013 表6色谱分析条件 柱 1 :压力 0.065MPa 柱 2:压力 0.065MPa 柱箱温度：145%气化室温度：110检测室温度：110 水 乙醇 苯 保留

14、时间（分钟） 0.153 0.435 1.955 校正因子 0.722 1.000 1.278 桥电流：100mA信号衰减：6进样量：0.6卩L P%= 六、数据处理 6.1全塔物料衡算及塔顶三元共沸物的组成分析 1对塔内水进行物料衡算 原料乙醇中水含量： 富苯相中水含量: 富水相中水含量： 塔釜液中水含量： 则塔内残余水含量为：0.0461g 2对塔内乙醇进行物料衡算 原料中乙醇含量： 富苯相中乙醇含量： 富水相中乙醇含量： 塔釜液中乙醇含量： 则塔内残余乙醇含量为：g 3对塔内苯进行物料衡算 原料中苯含量： 富苯相中苯含量： 富水相中苯含量： 塔釜液中苯含量： 则塔内残余苯的含量为： 4塔

15、内总持液量衡算 塔内残余液理论量为g 而实际塔内残余液量为0.0461+g 两者完全相等。 5对物料衡算结果的分析 塔内总残余液比例: 从上述计算可以看出，塔内残余液占了很大的比例，其中既包括了乙醇，也 包括了苯，且两者质量比例大约为 0.8754: 1。 而对于塔内水的衡算结果为负值这一事实，由于其值很小且趋近于零，所以 我认为可能是实验时的系统误差和随机误差导致的。 6塔顶三元共沸物组成计算 组分水所占比例： 相对误差： 组分乙醇所占比例： 相对误差： 组分苯所占比例： 相对误差： 总结上述结果得到下表: 表7塔顶三元共沸物组成 水 乙醇 苯 质量分数 0.094 0.270 0.636

16、相对误差 27.0% 45.9% 14.2% 6.225 C下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲线及简要说明 右图所示为25C下水一乙醇一苯的三元相图，其中A、B、W分别代表乙醇、 苯和水；ABz、AW、BWz代表三个二元共沸物，T表示三元共沸物；图中的曲线 即为25C下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲线；线段 FB则为加料线。 将乙醇一水的混合物加入塔釜中，此时即对应右图中的F点，随着苯的加入, 原料液的组成点逐渐的向B点迁移。由三元相图原理可知，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。所以如果想得到无水乙醇，就应该保证

17、原料液的组 成落在包含顶点A的小三角形内，即在 ATABz或 A ATAWZ内。从沸点看，乙醇 水的共沸点和乙醇的沸点仅差 0.15C, 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 10.06C，很容易将它们分离开来。所以应 该将原料液的组成控制在 A ATABz中。也 就是说，应该通过控制苯的加入量，使得 原料液的组成点落在线段HI之间即可。 将适量的苯加入塔釜中，通过控制适 宜的塔釜温度和塔顶回流比，即可以在塔 釜中得到较为纯净的乙醇，塔顶得到两元 和三元共沸物，从而达到了乙醇和水分离 的目的。 七、思考题 7.1共沸物加入量的计算 首先，通过指定的压力条件查阅相

18、关的文献， 确定三元共沸物和所有的两元 共沸物的的组成，画出该压力条件的水一乙醇一苯的三元相图， 如右图所示。其 中A、B、W分别代表乙醇、苯和水；ABz、AWz、BWz代表三个二元共沸物，T 表示三元共沸物；图中的曲线为乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲线。 A 然后连接F、B两点，交 ATAB于H和I两 点。由沸点的参数可知，要想得到纯净的乙醇， 原料液的组成点应该落在 ATAB中，故点H、I 两点分别为苯的最小加入量和最大加入量。 最后，量取线段IF、Bl、HF、BH的长度待用， 通过杠杆定理 可得，mB,min=mFK|HF|/|BH| ，而 mB,max=mFK|IF|/|BI|，即苯的加入量应该控制在其 二者之间。 7.2全塔物料衡算所需的实验数据 一共需要8组数据才可以对全塔做物料衡算。它们分别是：1原料液的总质 量质量mf; 2原料液各组分的气相色谱峰面积百分数Xfi； 3塔釜液质量mF； 4 塔顶富水相质量mdW5塔顶富苯相质量mdB； 6塔釜液各组分的气相色谱峰面积 百分数XFi； 7塔顶富水相各组分的气相色谱峰面积百分数XdWi； 8塔顶富苯相各 组分的气相色谱峰面