实验8 萃取精馏制无水乙醇实验
一.实验目的
精馏是化工过程中重要的分离单元操作,其基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发度(或沸点)的差异,通过一精馏塔经多次汽化和多次冷凝将其分离。 在精馏塔底获得沸点较高(挥发度较小)产品, 在精馏塔顶获得沸点较低(挥发度较大)产品。但实际生产中也常遇到各组分沸点相差很小,或者具有恒沸点的混合物,用普通精馏的方法难以完全分离,此时需采用其他方法,如恒沸精馏、萃取精馏、溶盐精馏或加盐萃取精馏等。
萃取精馏是在被分离的混合物中加入某种添加剂,以增加原混合物中两组分间的相对挥发度(添加剂不与混合物中任一组分形成恒沸物),从而使混合物的分离变得很容易。所加入的添加剂为挥发度很小的溶剂(萃取剂)。
由于萃取精馏操作条件范围比较宽,溶剂的浓度为热量衡算和物料衡算所控制,而不是为恒沸点所控制,溶剂在塔内也不需要挥发,故热量消耗较恒沸精馏小,在工业上应用也更为广泛。
乙醇—水能形成恒沸物(恒沸物质量组成95.57%,恒沸点78.15℃),用普通精馏的方法难以完全分离,本实验利用乙二醇为分离剂进行萃取精馏的方法分离乙醇—水混合物制取无水乙醇。本实验的目的是:
1. 熟悉萃取精馏的原理和萃取精馏装置;
2. 掌握萃取精馏塔的操作方法和乙醇—水混合物的气相色谱分析法; 3. 利用乙二醇为分离剂进行萃取精馏制取无水乙醇。
二.实验原理
萃取精馏是在被分离的混合物中加入添加剂(溶剂),添加剂不与混合物中任一组分形成恒沸物,但能改变原混合物中组分间的相对挥发度,且添加剂沸点较原溶液中各组分的沸点均高。
由化工热力学研究,压力较低时,原溶液组分1和2的相对挥发度可表示为
α
12
= p1S γ1/ p2Sγ
2
加入溶剂S后,组分1和2的相对挥发度(α(α
式中,(p1
S
12 )S
12 )S则为
= (p1S / p2S)T S *(γ
1/γ2)S
/ p2S)T S——加入溶剂S后,三元混合物泡点下,组分1和2 的饱和蒸汽压之
比;(γ1/γ2)S —— 加入溶剂S后,组分1和2的活度系数之比。
一般把(α
12 )S
/α
12
叫做溶剂S的选择性。因此,萃取剂的选择性是指溶剂改变原
12 )S
有组分间相对挥发度的能力。(α
/α
12越大,选择性越好。
三.实验装置、流程和试剂
1. 萃取精馏塔(塔1)
萃取精馏塔流程图见图2。
图上部为冷凝器—回流头1,回流量由回流比调节器控制。回流比调节器由电磁摆针、电磁铁和时间继电器6构成。冷凝器通冷却水冷却。塔顶产物进入塔顶产物接收瓶5。
塔身由φ24/27耐热玻璃管制成,内装填φ3 θ网环。塔分三段:上部为溶剂回收段(填料层高200mm,教学实验可不装)2-1,中部为精馏段(填料层高800mm)2-2和下部为提馏段(填料层高400mm)2-3。精馏段上端配有测温口T和溶剂加料口,下端也配有测温口T及原料加料口。各塔节外套有φ31/34玻璃套管,其外缠电热带(7-1、7-2、7-3)保温。溶剂加料经溶剂加料管9-2,原料加料经原料加料管9-1,二者再分别经流量计F2和F1连续进入塔内。
塔釜为500 ml四口瓶3,主口接精馏柱,三个侧口分别接温度计T、压力计P和塔底产物接受瓶4。塔釜用电热包8加热,加热量由数显温控仪控制。
2. 间歇精馏塔(塔2)
间歇精馏塔流程图见图1。
其主要部分同萃取精馏塔,但其构件较简单,塔身只有一段,且无塔身进料口和塔中测温口。填料层高1200 mm。 3. 仪表控制面板
其排列如图3。
图3 精馏装置仪表控制面板
图中, XMT-3000-1,XMT-3000-2----数字显示控温仪,用于间隙精馏塔塔1和萃取精馏 塔塔2的塔釜加热控制;XMT-3000-3----塔1的塔顶和塔釜温度显示; XMT-3000-4----塔2的塔顶、塔中和塔釜温度显示; V-1,V-2,V-3和V-4----电压表和电位器,用于塔1和塔2的塔身保温调节;R-1,R-2----塔1和塔2的回流比调节器。
控制仪表包括四部分: (1)塔1和塔2的电热包加热控制 由二台XMT-3000G 数显温控仪控制,通过调整给定温度调节电热包加热量。提高给定温度可增大加热量,降低给定温度可减少加热量。一般情况下给定温度调整为高于塔釜物料泡点50-80℃。
(2)塔1和塔2精馏柱保温控制 由四台电位器调节。其中电位器1控制塔1的保温,电位器2、3和4分别控制塔2的溶剂回收段2-1,精馏段2-2和提馏段2-3的保温。 (3)塔1和塔2的温度显示 用二台XMT-3000N温度数显仪。
其中XMT-3000N-1显示塔1的塔顶和塔釜温度(二点),XMT-3000N-2显示塔2的塔顶、塔中和塔釜温度(三点)。
(4)塔1和塔2的回流比调节 由回流比调节器控制。回流比调节器由电磁摆针、电磁铁和时间继电器构成。其中回流比调节器1控制塔1的回流比,回流比调节器2,控制塔2的回
流比。
此外,转子流量计F1和F2可分别显示和控制塔2的原料和溶剂的进料量。 4. 实验试剂
乙醇—化学纯(纯度95%); 乙二醇—化学纯(水含量
四.实验设备安装及调试
1. 安装(教学实验由教师预先准备好)
(1) 向精馏柱装填少量瓷环垫底,再装入φ3 θ网环填料,注意填料要紧密堆积。给玻璃套管缠电热带(每段套管缠1根)。
(2)按图1和图2连接冷凝器—回流头1、精馏塔身2和塔釜3,插入温度计套管、压力计套管和进出料管。注意:玻璃件磨口处要均匀涂上真空活塞油,以保证磨口连接润滑和密封(磨口处要定期补涂真空活塞油,长期不用应将磨口接头松开,防止磨口结死!)。向温度计套管和压力计套管内加入液体石蜡(压力计管也可加入水银)。连接进料管、流量计和塔身,连接冷凝器上下水管、连接塔顶和塔釜出料管及连接压力计管。 连接塔釜加热电路、塔身保温电路、热电偶测温电路和回流比调节电路。 2.调试
(1) 检查系统的密封性(可用减压法),检查精馏塔塔身是否垂直。 (2) 检查各电路运行是否正常。
(3)校核温度计、压力计和流量计,校核分析方法。(本科生和研究生论文实验做) (4)测定精馏塔理论塔板数。(本科生和研究生论文实验做)
五. 实验操作
1. 开启气相色谱仪,调节载气流量、汽化温度、柱温度和热导检测器温度。调节桥流。使 之稳定,待产品分析用。
如实验条件许可,也可用卡尔-弗休法分析。 2. 萃取精馏塔 (塔2)
(1) 向塔釜内加入少许碎瓷环(以防止釜液暴沸)及60-80 ml 60-95% 乙醇,取样分析。向加料管9-1和9-2分别加入溶剂乙二醇和60-95% 乙醇.向塔顶冷凝器通入冷却水. (2) 升温
合上总电源开关,温度显示仪有数值显示,调整转换开关观察各温度测点指示是否正常.
开启釜加热控制开关,仪表应有显示.调节电压给定旋钮,电压表有显示后,按动仪表上参数给定键,仪表显示Sn通过增减键调节给定值,此后经数秒钟进入正常状态.(详见操作说明书)
升温操作注意: a. 釜热控温仪表的给定温度要高于塔釜物料泡点50-80℃,使传热有足够的温差.其值可根据实验的要求而调整.如蒸发量小,则应增大温差;如蒸发量大,则应减少温差,以免造成液泛. b. 升温前,再次检查冷凝器-塔头是否通人冷却水!
当釜液开始沸腾时,开启下、中和上段保温电源,根据塔的操作情况调节保温电压,不能过大或过小,否则影响精馏塔操作的稳定性. (3)建立精馏塔的操作平衡
升温后注意观察塔釜、塔中、塔顶温度和釜压力的变化。塔头出现回流液时,保持全回流30 分钟左右,观察温度和回流量。釜压力过大时,注意检查是否出现液泛。当塔顶温度稳定,回流液量稳定时,可取少量塔顶产品,分析其组成。
(4) 当塔顶产物组成稳定,且显示精馏塔的分离效果良好时,可开启回流比调节器,
给定一回流比。维持少量出料。同时开启进料流量计F1,加入原料。进料量和出料量可由物料衡算计算,保持乙醇的平衡。稳定情况下,回流比控制在2-4:1。
(5) 开启溶剂流量计F2,加入溶剂乙二醇,进行萃取精馏操作。调节溶剂与原料体积比 (溶剂比)为2-4:1左右。稳定约20分钟,取样分析。塔顶产物中水含量应小于2-3%。 (6) 实验中应及时记录温度、压力、流量和回流比数据。注意观察塔釜液位,如液位显著上升,应及时抽出釜液,保持釜液液位稳定。
(7)如时间许可,调节回流比和溶剂比进行不同条件的精馏实验。
(8)实验结束,应停止加热,切断电源。关闭冷却水。如实验装置长时间不用,应将各磨口接头松开,防止磨口结死! 3.间隙精馏塔(塔1)
其操作与萃取精馏塔同,但较萃取精馏塔简单(见2.( 1)、(2)、(3)和(7)),不需塔中溶 剂和原料进料操作。釜液可用20%乙醇的水溶液,其加入量为塔釜容积的2/3左右。控制一定的回流量或回流比,当精馏塔达到平衡时,可同时由塔顶和塔釜取样分析。计算精馏塔的理论塔板数。
六.实验记录和整理
1.萃取精馏塔(塔2)操作记录 参见下表。
2.间隙精馏塔操作记录
乙醇回收率(%质量)
= 塔顶产物醇含量(%质量)*塔顶产物质量/(原料进料质量*原料醇含量(%质量)+塔釜
醇的减少量)
4. 估算间隙精馏塔理论塔板数
七.思考题
1. 萃取精馏中溶剂的作用?如何选择溶剂?
2. 回流比和溶剂比的意义?它们对塔顶产物组成有何影响?
3. 实验中为提高乙醇产品的纯度,降低水含量,应注意哪些问题? 4. 塔顶产品采出量如何确定?
八.实验中注意事项
1. 塔釜加热量应适当。不可过大,此时易引起液泛;也不可过小,此时蒸发量过小,精馏 塔也难以正常操作。
2. 塔身保温要维持适当。过大会引起塔壁过热,物料易二次汽化;过小,则塔中增加物料 冷凝量,增大内回流,精馏塔也难以正常操作。
3. 塔顶产品量取决于塔的分离效果(理论塔板数、回流比和溶剂比)及物料衡算结果。不 能任意提高。
4. 加热控制宜微量调整,操作要认真细心,平衡时间应充分。
九.参考文献
1.段占庭等.清华 大学科学研究成果汇编.北京:清华大学科技处,9-10,1986 2.刘光永.化工开发实验技术.天津:天津大学出版社,1994
3.陈洪钫,刘家祺.化工分离过程. 北京: 化学工业出版社, 1995
4.金克新,赵传钧,马沛生.化工热力学.天津:天津大学出版社,1990 5.King C J. Separation Processes.2nd New York:McGraw-Hill, 1980 6.赵汝傅,管国锋。化工原理.北京:化学工业出版社.1999
7.雷志刚,周荣琪。溶剂加盐对醇水汽液平衡的影响.精细化工,17( 5):307~309 8.Gamehling J, Onken H. VLE Data Collection , Aqueous-organic system Vol 1,part 1. Germany: DECHEM, 1977
9.L M 罗斯. 实用精馏设计. 北京: 化学工业出版社,1993
10.郭天民. 多元汽液平衡和精馏. 北京: 化学工业出版社,1983 11.房鼎业,等.化学工程与工艺专业实验. 北京: 化学工业出版社, 2000 12.许开天. 酒精蒸馏技术. 北京: 轻工业出版社,1990
附录
实验8 萃取精馏制无水乙醇实验
一.实验目的
精馏是化工过程中重要的分离单元操作,其基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发度(或沸点)的差异,通过一精馏塔经多次汽化和多次冷凝将其分离。 在精馏塔底获得沸点较高(挥发度较小)产品, 在精馏塔顶获得沸点较低(挥发度较大)产品。但实际生产中也常遇到各组分沸点相差很小,或者具有恒沸点的混合物,用普通精馏的方法难以完全分离,此时需采用其他方法,如恒沸精馏、萃取精馏、溶盐精馏或加盐萃取精馏等。
萃取精馏是在被分离的混合物中加入某种添加剂,以增加原混合物中两组分间的相对挥发度(添加剂不与混合物中任一组分形成恒沸物),从而使混合物的分离变得很容易。所加入的添加剂为挥发度很小的溶剂(萃取剂)。
由于萃取精馏操作条件范围比较宽,溶剂的浓度为热量衡算和物料衡算所控制,而不是为恒沸点所控制,溶剂在塔内也不需要挥发,故热量消耗较恒沸精馏小,在工业上应用也更为广泛。
乙醇—水能形成恒沸物(恒沸物质量组成95.57%,恒沸点78.15℃),用普通精馏的方法难以完全分离,本实验利用乙二醇为分离剂进行萃取精馏的方法分离乙醇—水混合物制取无水乙醇。本实验的目的是:
1. 熟悉萃取精馏的原理和萃取精馏装置;
2. 掌握萃取精馏塔的操作方法和乙醇—水混合物的气相色谱分析法; 3. 利用乙二醇为分离剂进行萃取精馏制取无水乙醇。
二.实验原理
萃取精馏是在被分离的混合物中加入添加剂(溶剂),添加剂不与混合物中任一组分形成恒沸物,但能改变原混合物中组分间的相对挥发度,且添加剂沸点较原溶液中各组分的沸点均高。
由化工热力学研究,压力较低时,原溶液组分1和2的相对挥发度可表示为
α
12
= p1S γ1/ p2Sγ
2
加入溶剂S后,组分1和2的相对挥发度(α(α
式中,(p1
S
12 )S
12 )S则为
= (p1S / p2S)T S *(γ
1/γ2)S
/ p2S)T S——加入溶剂S后,三元混合物泡点下,组分1和2 的饱和蒸汽压之
比;(γ1/γ2)S —— 加入溶剂S后,组分1和2的活度系数之比。
一般把(α
12 )S
/α
12
叫做溶剂S的选择性。因此,萃取剂的选择性是指溶剂改变原
12 )S
有组分间相对挥发度的能力。(α
/α
12越大,选择性越好。
三.实验装置、流程和试剂
1. 萃取精馏塔(塔1)
萃取精馏塔流程图见图2。
图上部为冷凝器—回流头1,回流量由回流比调节器控制。回流比调节器由电磁摆针、电磁铁和时间继电器6构成。冷凝器通冷却水冷却。塔顶产物进入塔顶产物接收瓶5。
塔身由φ24/27耐热玻璃管制成,内装填φ3 θ网环。塔分三段:上部为溶剂回收段(填料层高200mm,教学实验可不装)2-1,中部为精馏段(填料层高800mm)2-2和下部为提馏段(填料层高400mm)2-3。精馏段上端配有测温口T和溶剂加料口,下端也配有测温口T及原料加料口。各塔节外套有φ31/34玻璃套管,其外缠电热带(7-1、7-2、7-3)保温。溶剂加料经溶剂加料管9-2,原料加料经原料加料管9-1,二者再分别经流量计F2和F1连续进入塔内。
塔釜为500 ml四口瓶3,主口接精馏柱,三个侧口分别接温度计T、压力计P和塔底产物接受瓶4。塔釜用电热包8加热,加热量由数显温控仪控制。
2. 间歇精馏塔(塔2)
间歇精馏塔流程图见图1。
其主要部分同萃取精馏塔,但其构件较简单,塔身只有一段,且无塔身进料口和塔中测温口。填料层高1200 mm。 3. 仪表控制面板
其排列如图3。
图3 精馏装置仪表控制面板
图中, XMT-3000-1,XMT-3000-2----数字显示控温仪,用于间隙精馏塔塔1和萃取精馏 塔塔2的塔釜加热控制;XMT-3000-3----塔1的塔顶和塔釜温度显示; XMT-3000-4----塔2的塔顶、塔中和塔釜温度显示; V-1,V-2,V-3和V-4----电压表和电位器,用于塔1和塔2的塔身保温调节;R-1,R-2----塔1和塔2的回流比调节器。
控制仪表包括四部分: (1)塔1和塔2的电热包加热控制 由二台XMT-3000G 数显温控仪控制,通过调整给定温度调节电热包加热量。提高给定温度可增大加热量,降低给定温度可减少加热量。一般情况下给定温度调整为高于塔釜物料泡点50-80℃。
(2)塔1和塔2精馏柱保温控制 由四台电位器调节。其中电位器1控制塔1的保温,电位器2、3和4分别控制塔2的溶剂回收段2-1,精馏段2-2和提馏段2-3的保温。 (3)塔1和塔2的温度显示 用二台XMT-3000N温度数显仪。
其中XMT-3000N-1显示塔1的塔顶和塔釜温度(二点),XMT-3000N-2显示塔2的塔顶、塔中和塔釜温度(三点)。
(4)塔1和塔2的回流比调节 由回流比调节器控制。回流比调节器由电磁摆针、电磁铁和时间继电器构成。其中回流比调节器1控制塔1的回流比,回流比调节器2,控制塔2的回
流比。
此外,转子流量计F1和F2可分别显示和控制塔2的原料和溶剂的进料量。 4. 实验试剂
乙醇—化学纯(纯度95%); 乙二醇—化学纯(水含量
四.实验设备安装及调试
1. 安装(教学实验由教师预先准备好)
(1) 向精馏柱装填少量瓷环垫底,再装入φ3 θ网环填料,注意填料要紧密堆积。给玻璃套管缠电热带(每段套管缠1根)。
(2)按图1和图2连接冷凝器—回流头1、精馏塔身2和塔釜3,插入温度计套管、压力计套管和进出料管。注意:玻璃件磨口处要均匀涂上真空活塞油,以保证磨口连接润滑和密封(磨口处要定期补涂真空活塞油,长期不用应将磨口接头松开,防止磨口结死!)。向温度计套管和压力计套管内加入液体石蜡(压力计管也可加入水银)。连接进料管、流量计和塔身,连接冷凝器上下水管、连接塔顶和塔釜出料管及连接压力计管。 连接塔釜加热电路、塔身保温电路、热电偶测温电路和回流比调节电路。 2.调试
(1) 检查系统的密封性(可用减压法),检查精馏塔塔身是否垂直。 (2) 检查各电路运行是否正常。
(3)校核温度计、压力计和流量计,校核分析方法。(本科生和研究生论文实验做) (4)测定精馏塔理论塔板数。(本科生和研究生论文实验做)
五. 实验操作
1. 开启气相色谱仪,调节载气流量、汽化温度、柱温度和热导检测器温度。调节桥流。使 之稳定,待产品分析用。
如实验条件许可,也可用卡尔-弗休法分析。 2. 萃取精馏塔 (塔2)
(1) 向塔釜内加入少许碎瓷环(以防止釜液暴沸)及60-80 ml 60-95% 乙醇,取样分析。向加料管9-1和9-2分别加入溶剂乙二醇和60-95% 乙醇.向塔顶冷凝器通入冷却水. (2) 升温
合上总电源开关,温度显示仪有数值显示,调整转换开关观察各温度测点指示是否正常.
开启釜加热控制开关,仪表应有显示.调节电压给定旋钮,电压表有显示后,按动仪表上参数给定键,仪表显示Sn通过增减键调节给定值,此后经数秒钟进入正常状态.(详见操作说明书)
升温操作注意: a. 釜热控温仪表的给定温度要高于塔釜物料泡点50-80℃,使传热有足够的温差.其值可根据实验的要求而调整.如蒸发量小,则应增大温差;如蒸发量大,则应减少温差,以免造成液泛. b. 升温前,再次检查冷凝器-塔头是否通人冷却水!
当釜液开始沸腾时,开启下、中和上段保温电源,根据塔的操作情况调节保温电压,不能过大或过小,否则影响精馏塔操作的稳定性. (3)建立精馏塔的操作平衡
升温后注意观察塔釜、塔中、塔顶温度和釜压力的变化。塔头出现回流液时,保持全回流30 分钟左右,观察温度和回流量。釜压力过大时,注意检查是否出现液泛。当塔顶温度稳定,回流液量稳定时,可取少量塔顶产品,分析其组成。
(4) 当塔顶产物组成稳定,且显示精馏塔的分离效果良好时,可开启回流比调节器,
给定一回流比。维持少量出料。同时开启进料流量计F1,加入原料。进料量和出料量可由物料衡算计算,保持乙醇的平衡。稳定情况下,回流比控制在2-4:1。
(5) 开启溶剂流量计F2,加入溶剂乙二醇,进行萃取精馏操作。调节溶剂与原料体积比 (溶剂比)为2-4:1左右。稳定约20分钟,取样分析。塔顶产物中水含量应小于2-3%。 (6) 实验中应及时记录温度、压力、流量和回流比数据。注意观察塔釜液位,如液位显著上升,应及时抽出釜液,保持釜液液位稳定。
(7)如时间许可,调节回流比和溶剂比进行不同条件的精馏实验。
(8)实验结束,应停止加热,切断电源。关闭冷却水。如实验装置长时间不用,应将各磨口接头松开,防止磨口结死! 3.间隙精馏塔(塔1)
其操作与萃取精馏塔同,但较萃取精馏塔简单(见2.( 1)、(2)、(3)和(7)),不需塔中溶 剂和原料进料操作。釜液可用20%乙醇的水溶液,其加入量为塔釜容积的2/3左右。控制一定的回流量或回流比,当精馏塔达到平衡时,可同时由塔顶和塔釜取样分析。计算精馏塔的理论塔板数。
六.实验记录和整理
1.萃取精馏塔(塔2)操作记录 参见下表。
2.间隙精馏塔操作记录
乙醇回收率(%质量)
= 塔顶产物醇含量(%质量)*塔顶产物质量/(原料进料质量*原料醇含量(%质量)+塔釜
醇的减少量)
4. 估算间隙精馏塔理论塔板数
七.思考题
1. 萃取精馏中溶剂的作用?如何选择溶剂?
2. 回流比和溶剂比的意义?它们对塔顶产物组成有何影响?
3. 实验中为提高乙醇产品的纯度,降低水含量,应注意哪些问题? 4. 塔顶产品采出量如何确定?
八.实验中注意事项
1. 塔釜加热量应适当。不可过大,此时易引起液泛;也不可过小,此时蒸发量过小,精馏 塔也难以正常操作。
2. 塔身保温要维持适当。过大会引起塔壁过热,物料易二次汽化;过小,则塔中增加物料 冷凝量,增大内回流,精馏塔也难以正常操作。
3. 塔顶产品量取决于塔的分离效果(理论塔板数、回流比和溶剂比)及物料衡算结果。不 能任意提高。
4. 加热控制宜微量调整,操作要认真细心,平衡时间应充分。
九.参考文献
1.段占庭等.清华 大学科学研究成果汇编.北京:清华大学科技处,9-10,1986 2.刘光永.化工开发实验技术.天津:天津大学出版社,1994
3.陈洪钫,刘家祺.化工分离过程. 北京: 化学工业出版社, 1995
4.金克新,赵传钧,马沛生.化工热力学.天津:天津大学出版社,1990 5.King C J. Separation Processes.2nd New York:McGraw-Hill, 1980 6.赵汝傅,管国锋。化工原理.北京:化学工业出版社.1999
7.雷志刚,周荣琪。溶剂加盐对醇水汽液平衡的影响.精细化工,17( 5):307~309 8.Gamehling J, Onken H. VLE Data Collection , Aqueous-organic system Vol 1,part 1. Germany: DECHEM, 1977
9.L M 罗斯. 实用精馏设计. 北京: 化学工业出版社,1993
10.郭天民. 多元汽液平衡和精馏. 北京: 化学工业出版社,1983 11.房鼎业,等.化学工程与工艺专业实验. 北京: 化学工业出版社, 2000 12.许开天. 酒精蒸馏技术. 北京: 轻工业出版社,1990
附录