一、实验目的：
1．通过实验加深对共沸精馏过程的理解。
排队长度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一液两相间的分配，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，在乙醇一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乙醇水一苯三元共沸物性质
共沸物组成，t％
共沸物（简记）共沸点℃
连通性乙醇水苯乙醇—水一苯（T）64.8518.57.474.1
乙醇一苯（ABZ）68.2432.70.067.63
苯一水（BWZ）69.250.08.8391.17
乙醇一水（AWz）78.1595.57 4.430.0
表2
乙醇、水、苯的常压沸点从表1和表2列出沸点看，除乙醇一水二元共沸
物的共沸点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；AB Z 、AW Z 、
BW Z 代表三个二元共沸物，T 表示三元共沸物。图中的曲线为25℃下乙醇、水、苯三元混合物的溶解度曲线。该曲线下方为两相区，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AB Z 、AW Z 、BW Z ，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ΔATABz 或ΔATAWz 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。而乙醇一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ΔATABz 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
1．装置物质名称（简记）
乙醇（A ）水（W ）苯（B ）沸点温度（℃）78.310080.2
图1
本实验所用的精馏塔为内径Ф20×200mm的玻璃塔。内装Ө网环型Ф2×2mm的高效散装填料。填料层高度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。这样的设计既实现了连续精馏操作，又可进行间歇精馏操作。
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。当间歇操作时，为了保证有足够高的溢流液位，富水相可在实验结束后取出。
2．流程
具体的实验流程见图2。
3．试剂
实验试剂有乙醇（化学纯），含量95％：苯（分析纯），含量99．5％。
四、实验步骤
方法一：间歇精馏
1.称取80克95％的乙醇和一定量的苯（通过共沸物的组成计算，参考量为40克），加入塔釜中，并分别对原料乙醇和苯进行谱分析，确定其组成。
2.向全凝器中通入冷却水，并开启釜电加热系统，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）。待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流，上段为0～0.4A，下段为0.05～0.2A，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。
苏小沫儿3.当塔头有液体出现，全回流20分钟稳定后，调节回流比进行混相回流操作，回流比为5：1～3：1条件下运行20分钟后，将回流比调至1：3。
4.每隔20分钟记录一次塔顶、塔釜温度。
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船用接触器5.待分相器内液体开始溢流，并分成两相，上层为苯相，下层为水相，且能观察到三元共沸物在苯相苯中以水珠形态穿过，溶于水相中，此时，关闭回流比控制器，开始每隔10
分钟取塔釜气项试样进行纯度分析。
6.待塔釜中乙醇含量大于99．6％时，停止加热，让塔内持液全部流至塔釜，取出釜液。
7.将塔顶馏出液用分液漏斗分离。并依次用气相谱仪分析富水相、富苯相以及釜液组成，并分别称重。
8.切断设备的供电电源，关闭冷却水，结束实验。
图2共沸精馏流程
方法二：连续精馏：
1．称取40～50克95%的乙醇和一定量的苯（参考量为20～25克）加入塔釜中。
2．开启塔釜电加热系统，慢慢调节加热电流为0.3～0.5A，并向全凝器中通冷却水。当
塔头开始出现液滴时，全回流20分钟。
3．将95％的乙醇和苯（按三元共沸物的配比）从塔加料口加入塔中。乙醇的进料流量（参考值为50～100ml／h），苯的加人量应根据塔顶水相和塔釜乙醇的纯度确定。当塔顶分相器内液体开始回流时，停止加入原料苯，保持适宜的回流比（参考值为3：1～5：1）。
4．用气相谱分析塔釜出料乙醇和塔顶排出水的组成，计算单位时间内共沸剂苯的损失量，以确定连续补加苯的量。
5．在精馏完一定量的有水乙醇后，停止加料。待塔内无原料后，取出精制后乙醇。
6．将塔顶馏出液用分液漏斗分离。并依次用气相谱仪分析富水相、富苯相以及产品组成，并分别称重。
7．切断电源，关闭冷却水，结束实验。
五、数据处理
1.作全塔物料衡算，并对共沸物形成的富水相和富苯相进行分析和衡算，求出塔顶三元共沸物的组成。
2.画出25℃下乙醇一水一苯三元物系的溶解度曲线。在图上标明共沸物的组成点，画出加料线，并对精馏过程作简要的说明。
六、思考题
1.如何计算共沸剂的加入量？
2.需要测出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具体的衡算方法是什么？
3.将计算出的三元共沸物组成与文献值比较，求出其相对误差，并分析实验过程中产生误差的原因。
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七、参考文献
[1]E A Coulson，etal.Laboratory Distillation Practice，L．George News Ltd．1958
[2]Erich Krell．Handbook of Laboratory Distillation，Amsterdam，Elsevier，1982
[3]陈洪钫.基本有机化工分离工程．北京：化学工业出版社，1985
[4]F G Shinskey.Distillation Contol for Productivity and Energy Conservatlon2nd ed.New York, Mc Graw-Hill Book co,19842nd
[5]Hoanh N Pham，et al.Chemical Engineering Science1990，45（7），1823
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