榮俊鋒，武成利，焦發(fā)存，張 曄

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)熟悉萃取精餾的原理和萃取精餾裝置；

(2)掌握萃取精餾塔的操作方法和乙醇-水混合物的氣相色譜分析法；

(3)利用乙二醇為分離劑進(jìn)行萃取精餾制取無水乙醇；

(4)了解計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和用計(jì)算機(jī)控制精餾操作參數(shù)的方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

精餾是化工過程中重要的分離單元操作，其基本原理是根據(jù)被分離混合物中各組分相對揮發(fā)度差異，通過精餾塔經(jīng)多次汽化和多次冷凝將其分離。在精餾塔底獲得沸點(diǎn)較高產(chǎn)品，在精餾塔頂獲得沸點(diǎn)較低產(chǎn)品。但實(shí)際生產(chǎn)中也常遇到各組分沸點(diǎn)相差很小，或者具有恒沸點(diǎn)的混合物，用普通精餾的方法難以完全分離。此時需采用其他精餾方法，如恒沸精餾、萃取精餾、溶鹽精餾或加鹽萃取精餾等。

萃取精餾是在被分離的混合物中加入某種添加劑，以增加原混合物中兩組分間的相對揮發(fā)度，從而使混合物的分離變得很容易。所加入的添加劑為揮發(fā)度很小的溶劑(萃取劑)，其沸點(diǎn)高于原溶液中各組分的沸點(diǎn)。

由于萃取精餾操作條件范圍比較寬，溶劑的濃度為熱量衡算和物料衡算所控制，而不是為恒沸點(diǎn)所控制，溶劑在塔內(nèi)也不需要揮發(fā)，故熱量消耗較恒沸精餾小，在工業(yè)上應(yīng)用也更為廣泛。

乙醇-水能形成恒沸物(常壓下，恒沸物乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)95.57%，恒沸點(diǎn)78.15 ℃)，用普通精餾的方法難以完全分離。本實(shí)驗(yàn)利用乙二醇為分離劑進(jìn)行萃取精餾的方法分離乙醇-水混合物制取無水乙醇。

由化工熱力學(xué)研究，壓力較低時，原溶液組分1(輕組分)和2(重組分)的相對揮發(fā)度可表示為:

(1)

加入溶劑S后，組分1和2的相對揮發(fā)度(α12)S則為:

(2)

一般把(α12)S/α12叫做溶劑S的選擇性。因此，萃取劑的選擇性是指溶劑改變原有組分間相對揮發(fā)度的能力。(α12)S/α12越大，選擇性越好。

3 實(shí)驗(yàn)裝置流程和試劑

3.1 萃取精餾塔

萃取精餾塔流程圖見圖1。圖1上部為冷凝器-回流頭1，回流量由回流比調(diào)節(jié)器控制。回流比調(diào)節(jié)器由電磁擺針、電磁鐵和時間繼電器6構(gòu)成。冷凝器通冷卻水冷卻。塔頂產(chǎn)物進(jìn)入塔頂產(chǎn)物接收瓶5。

圖1 萃取精餾塔

塔身由φ24/27耐熱玻璃管制成，內(nèi)裝填料φ3 θ網(wǎng)環(huán)。塔分三段：上部為溶劑回收段(填料層高100 mm，教學(xué)實(shí)驗(yàn)可不裝)2-1，中部為精餾段(填料層高700～800 mm)2-2和下部為提餾段(填料層高300～400 mm)2-3。精餾段上端配有測溫口T和溶劑加料口，下端也配有測溫口T及原料加料口。各塔節(jié)外套有φ31/34玻璃套管，其外纏電熱帶(7-1、7-2、7-3)保溫。原料加料由原料加料管9-1，溶劑加料由溶劑加料管9-2，二者經(jīng)計(jì)量泵，再分別經(jīng)流量計(jì)F2和F1連續(xù)進(jìn)入塔內(nèi)。

塔釜為1000 mL四口燒瓶3，主口接精餾柱，三個側(cè)口分別接溫度計(jì)T、壓力計(jì)P和塔底產(chǎn)物接收瓶4。塔釜用電熱包8加熱。電熱包8和電熱帶(7-1、7-2、7-3)加熱量由數(shù)顯溫控儀配控溫溫度計(jì)控制。

本裝置配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)?？娠@示塔頂、塔中和塔釜溫度及溫度隨時間變化曲線；可自動調(diào)節(jié)和控制電熱包8和電熱帶(7-1、7-2、7-3)加熱量。

3.2 間歇精餾塔

間歇精餾塔流程圖見圖2。其主要部分同萃取精餾塔(圖1)，但其構(gòu)件較簡單，塔身只有一段，填料層高1200 mm，無塔中進(jìn)料口和塔中測溫口，可用于溶劑回收。

圖2 間歇精餾塔

3.3 實(shí)驗(yàn)試劑

乙醇 化學(xué)純(純度95%)；乙二醇 化學(xué)純(水含量<0.3%)；蒸餾水。

3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝及調(diào)試

3.4.1 安裝

(1) 向精餾柱裝填少量瓷環(huán)墊底，再裝入φ2-3 θ網(wǎng)環(huán)填料，注意填料要緊密堆積。給玻璃套管纏電熱帶(每段套管纏1根)。

(2)按圖1和圖2連接冷凝器-回流頭1、精餾塔身2和塔釜3，插入溫度計(jì)套管、壓力計(jì)套管和進(jìn)出料管。注意：玻璃件磨口處要均勻涂上高真空硅脂，以保證磨口連接潤滑和密封(磨口處要定期補(bǔ)涂真空硅脂，長期不用應(yīng)將磨口接頭松開，防止磨口結(jié)死)。向溫度計(jì)套管和壓力計(jì)套管內(nèi)加入液體石蠟(壓力計(jì)管也可加入水銀)。連接進(jìn)料管、計(jì)量泵、流量計(jì)和塔身，連接冷凝器上下水管、連接塔頂和塔釜出料管及連接壓力計(jì)管。連接塔釜加熱電路、塔身保溫電路、熱電偶測溫電路和回流比調(diào)節(jié)電路。連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.4.2 調(diào)試

(1)檢查系統(tǒng)的密封性(可用減壓法)，檢查精餾塔塔身是否垂直。

(2)檢查各電路運(yùn)行是否正常。

(3)校核溫度計(jì)、壓力計(jì)和流量計(jì)。

(4)檢查計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(5)測定精餾塔理論塔板數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)步驟和操作

(1)開啟氣相色譜儀，調(diào)節(jié)載氣流量、汽化溫度、柱溫度和熱導(dǎo)檢測器溫度。調(diào)節(jié)橋流。使之穩(wěn)定，待產(chǎn)品分析用。

(2)萃取精餾塔

①向塔釜內(nèi)加入少許碎瓷環(huán)(以防止釜液暴沸)及80～120 mL 60%～95% 乙醇，取樣分析。向加料管9-1和9-2分別加入溶劑乙二醇和60%～95% 乙醇。向塔頂冷凝器通入冷卻水。

②升溫

合上總電源開關(guān)，溫度顯示儀有數(shù)值顯示，觀察各溫度測點(diǎn)指示是否正常。開啟儀表電源開關(guān)，塔釜加熱控制和各保溫段加熱控制XMT-3000儀表應(yīng)有顯示。按動儀表上參數(shù)給定鍵，儀表顯示Sn，通過增減鍵調(diào)節(jié)釜加熱溫度設(shè)定值和各保溫段加熱溫度設(shè)定值。根據(jù)設(shè)定溫度高低，用電流調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)電流。塔釜加熱溫度設(shè)定值和各保溫段加熱溫度設(shè)定值也可直接由計(jì)算機(jī)調(diào)定。

升溫操作注意:

釜熱控溫儀表的設(shè)定溫度要高于塔釜物料泡點(diǎn)50～80 ℃，使傳熱有足夠的溫差。其值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求而調(diào)整。如蒸發(fā)量小，則應(yīng)增大溫差；如蒸發(fā)量大，則應(yīng)減少溫差，以免造成液泛。

升溫前，再次檢查冷凝器-塔頭是否通人冷卻水。

當(dāng)釜液開始沸騰時，根據(jù)塔的操作情況調(diào)節(jié)各保溫段加熱溫度的設(shè)定值，不能過大或過小，否則影響精餾塔操作的穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)各保溫段加熱溫度的設(shè)定值大約為80 ℃，各保溫段加熱電流大約是0.3 mA(回收段)、0.9 mA(精餾段)和0.5 mA(提餾段)。

③建立精餾塔的操作平衡

升溫后注意觀察塔釜、塔中、塔頂溫度和釜壓力的變化。塔頭出現(xiàn)回流液時，保持全回流30 min左右，觀察溫度和回流量。釜壓力過大時，注意檢查是否出現(xiàn)液泛。當(dāng)塔頂溫度穩(wěn)定，回流液量穩(wěn)定時，可取少量塔頂產(chǎn)品，分析其組成。同時取少量塔釜料，分析其組成。根據(jù)全回流時的塔頂和塔釜組成，可估算全塔理論塔板數(shù)。

④當(dāng)塔頂產(chǎn)物組成穩(wěn)定，且顯示精餾塔的分離效果良好時，可開啟回流比調(diào)節(jié)器，給定一回流比。維持少量出料。同時開啟進(jìn)料流量計(jì)，加入原料。進(jìn)料量和出料量可按物料衡算計(jì)算，保持乙醇的平衡。穩(wěn)定情況下，回流比控制在(2～4):1。

⑤開啟溶劑流量計(jì)，加入溶劑乙二醇，進(jìn)行萃取精餾操作。調(diào)節(jié)溶劑與原料體積比(溶劑比)為(2～4):1左右。穩(wěn)定約20 min，取樣分析。塔頂產(chǎn)物中水含量應(yīng)小于2%～3%。

⑥實(shí)驗(yàn)中應(yīng)及時記錄溫度、壓力、流量和回流比數(shù)據(jù)。注意觀察塔釜液位，如液位顯著上升，應(yīng)及時抽出釜液，保持釜液液位穩(wěn)定。塔頂、塔釜和塔中溫度隨時間變化曲線由計(jì)算機(jī)界面自動顯示出。

⑦如時間許可，調(diào)節(jié)回流比和溶劑比進(jìn)行不同條件的精餾實(shí)驗(yàn)。

⑧實(shí)驗(yàn)結(jié)束，應(yīng)停止加熱，切斷電源。關(guān)閉冷卻水。如實(shí)驗(yàn)裝置長時間不用，應(yīng)將各磨口接頭松開，防止磨口結(jié)死，關(guān)閉色譜儀。

(3)間歇精餾塔

其操作與萃取精餾塔同，但較萃取精餾塔簡單(見(2)①、②、③和⑦)，不需塔中溶劑和原料進(jìn)料操作。釜液可用20%乙醇的水溶液，其加入量為塔釜容積的2/3左右?？刂埔欢ǖ幕亓髁炕蚧亓鞅龋?dāng)精餾塔達(dá)到平衡時，可同時由塔頂和塔釜取樣分析。計(jì)算精餾塔的理論塔板數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

間歇精餾塔操作記錄參見圖3，萃取精餾塔操作記錄參見圖4。

圖3 間歇精餾塔操作記錄表

圖4 萃取精餾塔操作記錄表

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(1)估算精餾塔理論塔板數(shù)

利用芬斯克方程估算理論塔板數(shù)(全回流條件下理論板)，芬斯克方程為：

(3)

式中:相對揮發(fā)度取α=(α頂α底)0.5≈1.63。

(2)比較普通精餾和萃取精餾塔頂產(chǎn)物組成。

(3)估算萃取精餾乙醇回收率。

乙醇回收率(%質(zhì)量)=塔頂產(chǎn)物質(zhì)量×塔頂產(chǎn)物醇含量(%質(zhì)量)/(原料進(jìn)料質(zhì)量×原料醇含量(%質(zhì)量)+塔釜醇的減少量)

7 思考題

(1)萃取精餾中溶劑的作用？如何選擇溶劑？

(2)回流比和溶劑比的意義？它們對塔頂產(chǎn)物組成有何影響？

(3)塔頂產(chǎn)品采出量如何確定？

8 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)塔釜加熱量應(yīng)適當(dāng)。不可過大，此時易引起液泛；也不可過小，此時蒸發(fā)量過小，精餾塔也難以正常操作。

(2)塔身保溫要維持適當(dāng)。過大會引起塔壁過熱，物料易二次汽化；過小，則塔中增加物料冷凝量，增大內(nèi)回流，精餾塔也難以正常操作。

(3)塔頂產(chǎn)品量取決于塔的分離效果(理論塔板數(shù)、回流比和溶劑比)及物料衡算結(jié)果。不能任意提高。

(4)加熱控制宜微量調(diào)整，操作要認(rèn)真細(xì)心，平衡時間應(yīng)充分。

9 計(jì)算實(shí)例

利用表1～表3數(shù)據(jù)，可通過公式(3)估算理論塔板數(shù)。

表1 第一組回流比產(chǎn)品數(shù)據(jù)

表2 第二組回流比產(chǎn)品數(shù)據(jù)

表3 第三組回流比產(chǎn)品數(shù)據(jù)

以第一組1:1計(jì)算為例：

10 結(jié) 語

特種萃取精餾實(shí)驗(yàn)是化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)里重要的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，屬于化工分離工程里面的內(nèi)容，通過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生單元操作能力，同時結(jié)合微電腦控制，讓學(xué)生學(xué)會數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)采集的基本技能。拓寬學(xué)生視野，達(dá)到綜合訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際動手能力和數(shù)據(jù)分析能力，達(dá)到了培養(yǎng)目標(biāo)對學(xué)生綜合能力訓(xùn)練的目的。