共沸精馏制取无水乙醇任务书

共沸精馏制取无水乙醇任务书研究背景：在工业产生的无水乙醇中添加适量改性剂得到变性燃料乙醇。把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混合可形成一种新型汽车燃料，即车用乙醇汽油(国际上称汽油醇，商品名GASOHOL)。无水乙醇作为一种可再生能源，可以部分取代矿物能源已经受到了普遍的关注。向汽油中添加的变性燃料乙醇可提高汽油的抗爆性能；代替四乙基铅作为汽油添加剂，可消除空气中铅的污染；取代甲基叔丁醚(MTBE)，可避免对地下水的污染；能改善燃烧，有效降低汽车尾气的排放量。但是对生物乙醇用一般的蒸馏法脱水不能得到无水乙醇，因为乙醇浓度为95.57％时乙醇-水二元体系中存在共沸组成。要降低制备无水乙醇的能耗，就必须采用特殊生产方法。目前能够规模化生产无水乙醇的主要方法有共沸精馏法、萃取精馏法、膜分离法和吸附法。本小组经一定的模拟运算和比较，决定首先应用普通精馏将生物乙醇浓缩成95％的乙醇溶液，再应用共沸精馏的方法得到无水乙醇。共沸精馏(恒沸精馏)工艺是在常压无法制取无水乙醇的情况下，通过向乙醇-水溶液添加夹带剂(如苯、环己烷、戊烷等)进行精馏，夹带剂与乙醇溶液中的乙醇和水形成三元共沸物，可获得纯度很高的乙醇。经多方面考虑与讨论，本小组应用苯作为夹带剂进行共沸精馏。实验原理：1、精馏是化工生产中常用的分离方法。对于不同的分离对象，精馏方法也有所差异，本实验的目的是分离乙醇和水的二元物质。由于乙醇和水可以形成共沸物，而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。在精馏工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。本实验中乙醇的初始浓度为28.29%（质量分数），所以精馏过程分为两部分。首先用普通精馏得到95%的乙醇后，再加入合适的共沸剂进行共沸精馏。2、共沸剂的选择：理想共沸剂应具备一下特性：①显著影响关键组分的气液平衡关系；②共沸剂容易分离和回收；③用量少，汽化潜热低；④与进料组分互溶，不生成两相，不与进料中的组分起化学反应；⑤无腐蚀，无毒；⑥价廉易得。常压下几种共沸剂与乙醇、水形成三元共沸物的特性见表-1组分各纯组分沸点三元共沸点（℃）共沸物组成wt%123123123乙醇水苯78.310080.264.8518.57.474.1乙醇水乙酸乙酯78.310077.1570.238.49.082.6乙醇水甲苯78.3100110.774.55———乙醇水三氯甲烷78.310061.1555.54.03.592.5表1三元共沸物特性表在表-1所列共沸剂中（组分3），以苯应用最早、最广。虽然目前有被三氯甲烷和乙醇乙酯取代的趋势，但本实验考虑到苯作共沸方法成熟，现象明显，数据较全，便于操作，故采用苯作共沸剂制无水乙醇，但在条件成熟后，可以尝试实验共沸剂的优化。3、乙醇—水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。现将他们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表-2.共沸物（简记）共沸点（℃）共沸物组成（%）（质量分数）乙醇水苯乙醇-水-苯（T）64.8518.57.474.1乙醇-苯（Zab）68.2432.70.067.3苯-水（Zbw）69.250.08.8391.17乙醇-水（Zaw）78.1595.574.430.0乙醇-水-苯三元共沸物性质（表-2）4、为了便于比较，再将乙醇、水、苯3种纯物质常压下的沸点列于表-3.物质名称（简记）乙醇（A）水（W）苯（B）沸点温度（℃）78.3100.08.1乙醇、水、苯的常压沸点（表-3）从表1和表2列出的沸点看，除乙醇—水二元共沸物的共沸点与乙醇沸点相近之外，其余3种共沸物的共沸点与乙醇沸点均有10摄氏度左右的温度差。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，Zab、Zaw、Zbw代表二元共沸物，T代表三元共沸物。图中的下方为两相区，上方为均相区。图中标出的三元共沸组成点T出在两相区内。以T为中心，连接3种纯物质组成点A、B、W及3个二元共沸组成点Zzb、Zzw、Zbw，将该图分为6个小三角。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最终结果只能得到这个小三角形3个顶点所代表的物质。故要想无水乙共沸精馏原理图（图-1）醇，就应原料的组成落在包含A点的小三角内。从沸点看，乙醇-水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15℃，本实验的技术条件无法对其进行分离。而乙醇-苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃，很容易将其进行分离。所以分析的最终结果是将原料液的组成控制在△ATZab中。图-1中F代表未加共沸物时原料中乙醇、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线段连续变化，并与AT线交于H点，这是共沸剂苯的加入量称理论共沸剂量，它是达到分离目的所需的最少的共沸剂量。5、回流方式在共沸精馏过程中，首先馏出的大部分为三元共沸（其总组成为T点所示），冷凝后分为两相，一相以苯为主，称苯富相；一相以水为主，称水富相。一般可利用分相器分层将苯相回流，水相采出，使共沸剂不至浪费，也可使精馏时间缩短。但本实验为便于分析计算，未采用分相回流，而是混相回流。继三元共沸后，馏出物为均相的二元共沸物（组成为Zab点所示）。模拟运算：（1）原料组成：500ml无水乙醇，1000ml水ρ(A)=0.789g/mlρ(W)=1g/mlm=ρ*vm(A)=394.5gm(W)=1000gω（A）=394.5/(1000+394.5)=28.29%对全塔进行物料衡算：wdmmm%95%29.28mmd，xmmw)1(%29.28为回收率，x为塔釜组成（质量分数）mxmmw)1(%29.28%95%29.28mmd令=90%解得x=3.86%摩尔组成%53.11814.964686.34686.3wx（2）原料乙醇组成%37.131879.714629.284629.28Fx塔顶乙醇组成%14.8818546954695Dx塔釜乙醇组成%53.11814.964686.34686.3Wx运用拉格朗日插值法：43.8914.8815.7842.7443.8941.7815.78DDttDt=78.17℃053.110090.105.95100WWttWt=96.38℃（3）在y-x相图上作直线AB与曲线相切，取两点A(0.2,0.41)B(0.1,0.33)7.01.02.033.040.01minminRRminR=3.33综合得minR=3.33R=1.5minR=4.995在y-x相图中作出精馏操作曲线：111RxxRRyDnn，作图求出理论塔板数为12块。需要能提供10块理论塔板数的填料高度。mm60012201000。（4）iiiiCTBAp0lnAntoine常数设A为OHHC52,B为OH2627.668.4132.35198.38039119.18ln101iiiACTBAp799.513.462.3514.3816326.18ln11iioBCTBiAp解得143.1799.5627.6ln1D1=3.316355.768.4184.37098.38039119.18ln202iiiACTBAp550.613.4684.3704.3816326.18ln22iioBCTBiAp解得123.1550.1355.7ln22=3.074最终得015.3221由nnnxxxy1，111RxxRRyDnn对全过程进行迭代计算，检验理论塔板数正确，满足规定要求。（5）苯用量的计算：苯、水、乙醇形成的三元共沸物组成关系m（B）:m(W):m（A）=74.1:7.4:18.5。经普通精馏后的乙醇质量浓度为95.6%，要将Mkg浓度为95.6%的乙醇溶液中的水出去，需要的苯的量约为：kg%50.07*%4.7kg%5**%1.74MM苯与乙醇溶液的比例为：0.2:1%07.50*MMρ(B)=0.8786g/mldm=394.5*90%/95%=373.74gm(B)=0.5*dm=186.87gV(B)=186.86/0.8786=213mliAiBiC水18.30363816.446.13乙醇18.91193803.9841.68实验装置图：普通精馏装置图共沸精馏装置图1-精馏头2-塔体3-圆底烧瓶1-精馏头2-塔体3-圆底烧瓶4-电加热套5-U型压差计4-电加热套5-U型压差计6，7-铂电阻温度计8-塔釜冷却器6，7-铂电阻温度计8-塔釜冷却器9，11-受器10-塔顶冷却器9，11-受器10-塔顶冷却器本实验选用的精馏塔为高度1.0米的玻璃塔，选用的填料为三角形螺旋高效填料，填料高度为600mm。实验步骤：一、普通精馏1、测量乙醇水溶液的体积，分析乙醇水溶液的初始浓度，计算乙醇的质量分数。2、按实验装置图和计算结果搭建实验装置：首先将加热器放在适当的位置，将三口烧瓶放于加热器内。在1.0米的填料塔内加入600mm的高性能填料，并将填料塔竖直地接于三口烧瓶的中间瓶口，用铁夹固定填料塔的位置。安上精馏头，在精馏头的产品采出口下放置干燥回收罐。3、取下三口烧瓶，将1500ml质量分数为28.29%的乙醇水溶液加入三口烧瓶，再放入几粒沸石，将三口烧瓶的其余两个瓶口分别插入温度计和连接塔釜液采出装置。将冷凝水管与装置中的冷却器连接。4、开启塔釜加热电源及开通冷却水。控制塔釜和塔顶温度，当塔顶有冷凝液出现时，稳定全回流20-30min后，再进行部分回流操作，控制回流比5：15、每隔10min记录一次塔顶和塔釜温度，当塔釜温度升到接近96.38℃时，测取塔顶馏出液的组成，塔顶乙醇浓度达到95%（质量分数），即可停止实验。6、取下塔顶的回收罐。切断设备的供电电源，结束实验：待塔中液体全部流回三口烧瓶内后，关闭冷却水。取下三口烧瓶两个侧口的装置，依次取下精馏头，精馏塔。取出三口烧瓶内的残留液。7、测产物中乙醇的浓度，体积。二、共沸精馏1、将普通精馏得到的乙醇重新加入到塔釜，放入沸石。2、计算共沸剂用量，将共沸剂全部加入塔釜。3、重新安装精馏装置，向全凝器中通入冷却水，打开电源开关，开始塔釜加热。4、控制塔釜和塔顶温度，当塔顶有冷凝液出现时，稳定全回流20-30min后，然后以回流比R=8出料，注意观察塔顶温度变化及馏出液分层情况（控制馏出液在冷凝器中的积累量，放置出现馏出液分层）。5、当塔顶温度略有升高，塔顶馏出物由混浊（分层）变为清晰时（不分层），更换出料接收瓶，并加大回流比。6、每隔10min记录一次塔顶和塔釜的温度，当塔釜温度升到80℃时，测塔釜组成，塔釜液体组成达到99.5%以上时，即可停止实验7、将产物从塔釜中取出，测定去体积和组成。8、切断设备的供电电源，继续通入塔顶冷却水约20min后关闭冷却水，结束实验。参考文献：[1]武汉大学、兰州大学、复旦大学等.化工基础实验.北京：高等教育出版社.2005.6[2]许伟.化工原理实验.山东：山东大学出版社.[3]大连理工大学.化工原理(上).北京：高等教育出版社.2007.07[4]大连理工大学化工原理教研室.化工原理实验(第二版).大连：大连理工大学出版社.2005.08[5]王国胜.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社.2005.02[6]覃锐兵.使用酒精加苯共沸精馏制取试剂级无水乙醇.四川有色金属.1998.第3期[7]岳国君，董红星，蒋秋黎.共沸精馏制取无水乙醇的实验研究.ChemicalEngineer.2008.09[8]李秀芹.加盐萃取精馏制备无水乙醇的研究.北京服装学院报.1990.10[9]唐艳红，熊兴耀，谭兴和