[科普中國]-共沸蒸餾

簡介

共沸蒸餾，又稱恒沸蒸餾，是在被分離的混合液中加入一種經(jīng)過選擇的第三組分，使其與原混合物中的一個(gè)或多個(gè)組分形成新的共沸物，而且其沸點(diǎn)比原來任一組分的沸點(diǎn)都要低。這樣，蒸餾時(shí)新的共沸物從塔頂被蒸出，而塔底產(chǎn)品則為一個(gè)純組分，從而達(dá)到了將原混合物分離的目的。

共沸蒸餾適用于分離只有共沸組成和相對揮發(fā)度接近于1的混合液，工業(yè)上無水酒精就是用這種方法制備的。

共沸蒸餾原理在常壓下乙醇和水會形成具有最低共沸點(diǎn)的共沸物，其中乙醇的摩爾分率為0.894、質(zhì)量分率為0.9557，沸點(diǎn)為351.15K。用普通蒸餾方法，只能獲得95.57%的乙醇水溶液。但是．如果在乙醇水溶液中加入苯之后．情形就改變了，苯可以與乙醇、水形成二元、三元的共沸物。

乙醇-水-苯三元共沸物的沸點(diǎn)最低，蒸餾時(shí)從塔頂被蒸出；而且在三元共沸物中乙醇含量比原來乙醇-水共沸物中含量大大降低，而水的含量則增加一倍。因此，只要苯的加入量適當(dāng)，原料中的水幾乎可以全部轉(zhuǎn)移到新的共沸物中去，塔底所留下的則幾乎為純的乙醇，即通常所說的無水酒精。

用共沸蒸餾制備無水酒精流程，如圖7-24所示。將工業(yè)酒精和苯加入共沸蒸餾塔1內(nèi)進(jìn)行蒸餾，塔底排出的是無水酒精，塔頂蒸出的是三元共沸蒸氣，經(jīng)冷凝器4冷凝后，一部分回流塔頂，余下引入分層器5內(nèi)靜置分層。上層中苯量較多(0.845)全部返回塔內(nèi)作補(bǔ)充回流液。下層中苯含量較少(0.1)送入苯回收塔2頂部，以回收其中的苯。在苯回收塔2中，也會產(chǎn)生三元共沸物。因此，將塔2和塔1的蒸氣合并冷凝。塔2底部殘液則引到乙醇回收塔3中，塔頂蒸出乙醇和水二元共沸物，送回塔1作原料。塔3放出的殘液則幾乎是純水。

苯在系統(tǒng)中是循環(huán)使用的。最初加苯量應(yīng)使原料中的水分幾乎都能全部進(jìn)入三元共沸物中為最佳。操作中，間隔一定時(shí)間補(bǔ)充適當(dāng)數(shù)量的苯．以彌補(bǔ)過程中的損耗。

乙醇-水混合物的共沸蒸餾的最大優(yōu)點(diǎn)，是蒸餾時(shí)不需要將原料全部汽化，也不需要很大的回流比，只要能作到使新共沸物汽化就可以了。因此，設(shè)備費(fèi)用和能源消耗量都低。1

在共沸蒸餾中，混合物中需要添加夾帶劑才能進(jìn)行蒸餾分離。夾帶劑與混合物中的一個(gè)成分形成共沸物，從而在共沸物與其他成分之間形成較大的相對揮發(fā)度。

可采用乙基丁基醚作為夾帶劑從甲酸和乙酸中分離水。水被分離后，采用1-氯丁烷或三氯甲烷作為夾帶劑分離酸。也可采用甲酸丙酯、甲酸丁酯、甲酸戊酯、甲酸異戊酯、二氯乙烷、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、正己烷和正戊烷等夾帶劑從混合物中分離水。

以丁醇為酯化劑、采用酯化一共沸蒸餾方法可以從三元混合物中分離乙酸。甲酸和水以甲酸丁酯-水共沸混合物的形式被去除。當(dāng)以苯作為夾帶劑時(shí)，通過從混合物分離甲酸和水可生產(chǎn)幾乎純的乙酸。2

共沸劑共沸劑的使用在共沸蒸餾中，第三種溶劑(稱作共沸劑)被加到初始共沸混合物中，它可與原來混合物中的一種組分形成恒沸點(diǎn)混合物，由此產(chǎn)生的沸點(diǎn)變化經(jīng)常大到足以引起沸點(diǎn)接近的物質(zhì)的進(jìn)一步分離，原共沸混合物中的一種成分的定量移去依賴于加入的共沸劑過量的情況，第二個(gè)要求是共沸劑必須容易用簡單蒸餾方法除去。

無水乙醇可通過加入苯蒸餾乙醇一水混合液得到，蒸餾形成新的低沸點(diǎn)(65℃)三元共沸物(74%苯，7.5%水和18.5%乙醇)，該三元共沸物的蒸餾可從體系中定量除去水，但同時(shí)使乙醇夾帶了苯．然而，苯一乙醇共沸物(67.6%苯和32.4%乙醇)的沸點(diǎn)為68.3℃，用簡單分餾法從無水乙醇中蒸餾出苯，并在78.5℃收集。

其他例子還有：用乙酸分離乙基苯和乙烯基苯，以及乙酸丁酯用于乙酸的脫水。實(shí)際上，合理選擇共沸劑將有助于復(fù)雜混合物的分離。3

共沸劑的選擇選擇一種好的共沸劑是共沸蒸餾操作好壞的關(guān)鍵，通常應(yīng)根據(jù)以下幾點(diǎn)選擇共沸劑。

(1)共沸劑至少應(yīng)與欲分離的混合液中的一個(gè)組分形成共沸物，而且所形成的新共沸物的沸點(diǎn)與被分離組分的沸點(diǎn)差，一般不應(yīng)小于10K。

(2)在新的共沸物中，被分離組分與共沸劑的質(zhì)量比應(yīng)盡量大一些，以減少共沸劑的用量和汽化所需要的熱量。

(3)冷凝后的新共沸液可以分層，以利于回收。

(4)無毒、無腐蝕、受熱不分解，不與被分離組分起化學(xué)反應(yīng)，來源廣泛，價(jià)格便宜等。1

共沸蒸餾裝置共沸蒸餾裝置是在蒸餾燒瓶與回流冷凝器之間加一個(gè)分水器。常用的共沸蒸餾裝置與分水器如右圖所示。

當(dāng)用苯、甲苯等比水輕的帶水劑時(shí)，選用右圖中(a)或(b)裝置；若用氯仿、四氯化碳等比水重的帶水劑，應(yīng)選用圖(c)分水器，在開始加熱前用抽吸的方法使刻度管內(nèi)吸滿適量的帶水劑；若要除去的水較多，則選用圖(d)分水器較好，它能將蒸出去的水連續(xù)排出。

工業(yè)上常常用苯作為恒沸劑進(jìn)行共沸精餾生產(chǎn)無水乙醇。實(shí)驗(yàn)室中常用夾帶劑有苯、甲苯、二甲苯、氨仿、四氯化碳。4