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
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
（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FB线⽽变化，并将与AT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TA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FB 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，得⽔
⽔⽔⽔D F F D X FX D FX DX /==
夹带剂B 的理论⽤量为B=D ·X DB 式中 F ——进料量；D ——塔顶三元恒沸物量； B ——夹带剂理论⽤量；X Fi ——i 组分的原料组成； X Oi ——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Φ20mm 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：.51g，釜液质量：32.84g1)对⼄醇做物料衡算
⽔相⼄醇质量：14.590.8537=12.4555g油相⼄醇质量：.510.0653=4.2125g2)对⽔做物料衡算
⽔相⽔的质量：14.590.1463=2.1345g油相⽔的质量：.510=03)对正⼰烷做物料衡算⽔相正⼰烷质量：14.590=0
油相正⼰烷质量：.510.9347=60.2975g3.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。
