化工专业实验教材.doc

实验一 恒 沸 精 馏 A 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。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。 本实验的目的，旨在使学生通过制备无水乙醇，从而加强并巩固对恒沸精馏过程的理解；熟悉实验精馏塔的构造，掌握精馏操作方法； B 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％（wt％）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。实验室中恒沸精馏过程的研究，包括以下几个内容： 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： 必须至少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。 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。 回收容易，一方面希望形成的最低恒沸物是非均相恒沸物，可以减少分离恒沸物所需要的萃取操作等，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。 应具有较小的汽化潜热，以节省能耗。 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在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。 表1.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wt％ 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–水系统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。 表2.乙醇–水–正己烷三元系统恒沸物性质 物系 恒沸点℃ 恒沸组成wt％ 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-正己烷 56.00 11.98 3.00 85.02 非均相 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塔向上是逐板降低，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，当温度曲线在全浓度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。 图1 恒沸精馏原理图 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图2–32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点为中心，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(即回流液组成与塔顶上升蒸汽组成相同）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顶点所代表的物质。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顶点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,而己醇一正己烷的恒沸点与乙醇的沸点相差