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43.1 装置43.2 流程43.3 试剂5四、实验步骤5五、原始数据记录表6六、数据处理76.1 全塔物料衡算及塔顶三元共沸物的组成分析71> 对塔内水进行物料衡算72> 对塔内乙醇进行物料衡算83> 对塔内苯进行物料衡算84> 塔内总持液量衡算95> 对物料衡算结果的分析96> 塔顶三元共沸物组成计算96.2 25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107.1 共沸物加入量的计算107.2 全塔物料衡算所需的实验数据117.3 三元共沸物组成的误差及其分析11一、实验目的1>

2、 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

3、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，t%乙醇水苯乙醇-水-苯（T）64.8518.57.474.1乙醇-苯（ABZ）68.2432.70.067.63苯-水（BWZ）69.250.08.8391.17乙醇-水（AWZ）78.1595.574.430.0表2 乙醇、水、苯的常压沸点物质名称（简记）乙醇（A）水（W）苯

4、（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

5、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

6、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20×200mm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：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

7、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。3.3 试剂本实验所用的实

8、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

9、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，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/

10、A塔顶温度/塔釜控温/峰面积/µV*s峰的百分含量/%水乙醇苯水乙醇苯14：070.210.370.2018.417.415：050.200.370.2161.071.95150190792438832.1474079.554618.2979315：250.200.370.2161.675.7421920981418731.9540997.17840.86750715：450.200.380.2061.875.838842228711.7128698.2871416：050.200.370.2061.775.626962073281.2836698.7163416：250.200.3

11、80.2061.875.715501600440.9591999.0408116：450.200.380.2061.775.620732496490.8235399.1764717：000.200.370.2061.875.7177424566018970.7115098.527660.76083617：120.200.370.2061.875.711792059040.5693499.43066表4 塔顶塔釜产物分析记录物相名称质量/g峰面积/µV*s峰的百分含量/%水乙醇苯水乙醇苯富水相10.181049341479824191635.5911250.1919714.21691富

12、苯相25.869083478281825513.79308619.9731176.23381塔釜液71.302076012326889.9215610.07844表5 原料组成色谱分析记录表试剂波峰面积组成乙醇苯1212水1286613394乙醇217703219566苯214129213013表6 色谱分析条件柱1：压力 0.065MPa 柱2：压力 0.065MPa柱箱温度：1450C 气化室温度：110 检测室温度：110水乙醇苯保留时间（分钟）0.1530.4351.955校正因子0.7221.0001.278桥电流：100mA 信号衰减：6 进样量：0.6LPi%=fiAifiAi六

13、、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：mW=(12866+13394)×0.722×8012866+13394×0.722+(217703+219566)=3.3246g富苯相中水含量：mBW=3.793086×0.722×25.863.793086×0.722+19.97311+76.23381×1.278=0.5895g富水相中水含量：mWW=35.59112×0.722×10.1835.59112×0.722+50.191

14、97+14.21691×1.278=2.7812g塔釜液中水含量： mFW=0g则塔内残余水含量为：3.3246-0.5895-2.7812-0=-0.0461g2> 对塔内乙醇进行物料衡算原料中乙醇含量：mA=(217703+219566)×8012866+13394×0.722+(217703+219566)=76.6754g富苯相中乙醇含量：mBA=19.97311×25.863.793086×0.722+19.97311+76.23381×1.278=4.2992g富水相中乙醇含量：mWA=50.19197×1

15、0.1835.59112×0.722+50.19197+14.21691×1.278=5.4323g塔釜液中乙醇含量：mFA=89.92156×71.3089.92156+10.07844×1.278=62.3667g则塔内残余乙醇含量为：76.6754-4.2992-5.4323-62.3667=4.5772g3> 对塔内苯进行物料衡算原料中苯含量：mB=37.10g富苯相中苯含量：mBB=76.23381×1.278×25.863.793086×0.722+19.97311+76.23381×1.278=

16、20.9713g富水相中苯含量：mWB=14.21691×1.278×10.1835.59112×0.722+50.19197+14.21691×1.278=1.9665g塔釜液中苯含量：mFB=10.07844×1.278×71.3089.92156+10.07844×1.278=8.9333g则塔内残余苯的含量为：37.10-20.9713-1.9665-8.9333=5.2289g4> 塔内总持液量衡算塔内残余液理论量为80+37.1-10.18-25.86-71.30=9.76g而实际塔内残余液量为-0.046

17、1+4.5772+5.2289=9.76g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：=9.7680+37.1*100%=8.3348%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：w=0.5895+2.781225.86+10.18×100%=9.4%相对误差：rw=|0.094-0.0740.074|×100%=27.0%组

18、分乙醇所占比例：A=4.2992+5.432325.86+10.18×100%=27.0%相对误差：rA=|0.270-0.1850.185|×100%=45.9%组分苯所占比例：B=20.9713+1.966525.86+10.18×100%=63.6%相对误差：rB=|0.636-0.7410.741|×100%=14.2%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0.0940.2700.636相对误差27.0%45.9%14.2%6.2 25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25oC下水乙醇苯的三元相图，其中

19、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；图中的曲线即为25下乙醇水苯三元物系的溶解度曲线；线段FB则为加料线。将乙醇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

20、醇的沸点相差10.06，很容易将它们分离开来。所以应该将原料液的组成控制在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乙醇苯的三元相图，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；图中的曲线为乙醇水苯三元物系的溶解