乙醇－丙酮混合物的分馏柱优化实验

　　引 言
　　
　　分馏应用广泛于有机合成，化工生产，也是高等专科院校化学、化工专业实验课的重要教学内容[1]. 分馏是对某一液体混合物加热，对混合物中不同沸点的组分进行冷却分离的过程。 分馏实际上是多次蒸馏，适合分离提纯沸点相差不大（ 沸点差≤ 30 ℃） 的有机液体混合物，如煤焦油的分馏，石油的分馏等[2-3]. 分馏柱柱效对液体混合物的分离效果作用关键。 分馏柱的内部充满柱刺或填充填料，增加了蒸气上升阻力和凝结表面积。 沸腾的混合物蒸气进入分馏柱，由于高沸点组分易凝结，所以冷凝液中含有较多高沸点物质，蒸气中含有较多低沸点物质。 当冷凝液向下流动与上升蒸气接触时，二者进行热交换，上升蒸气中高沸点物质被冷凝下来，冷凝液中的低沸点物质再次受热气化。 气液两相间的多次热交换，类似于反复多次的简单蒸馏[4-7].

　　有机实验中的分馏采用韦氏分馏柱（ 刺型分馏柱） ,图 1 - a. 韦氏分馏柱一次成型，标口配置，使用方便，内置玻璃质刺状突起，惰性，耐高温，增加了气液接触面积。 使用时外裹石棉绳保温，减少能耗，保证混合物蒸气顺利上升。 该装置可分离沸点相差30 ℃ 以内的液体混合物。 但由于该分馏柱刺状突起较为分散，外裹石棉绳保温控温效果较差，所以在分离沸点相差 20 ℃或 20 ℃以下的液体混合物时，效果差强人意。 分离沸点更接近的液体混合物通常使用精密分馏柱，图 1 - b. 该装置柱充满惰性填料以增加气液接触表面积，外置电阻丝等加热装置保持柱温，保证回流比和混合蒸气的稳定上升。 精密分馏柱可分离沸点相差 10 ℃ 以内（ 甚至沸点相差 1 ~2 ℃ ） 的液体混合物。 然而精密分馏柱虽然分离效果好，但体积庞大，价格昂贵，安装使用颇为不便。 本文在确保分离效果的前提下，设计制造了一种优化分馏柱，以常规玻璃仪器---直形冷凝管为模板，循环热水为保温热源，内置玻璃填料，图 1 - c,兼有韦氏分馏柱的方便标准和精密分馏柱的精准高效。 通过使用优化分馏柱和韦氏分馏柱对乙醇 - 丙酮混合物的对照实验，测定馏出液的折光率，分析、比较分离效果，从而表明优化分馏柱可有效分离沸点更接近的液体混合物，较韦氏分馏柱分馏来说效果更好。

　　1 仪器设备与主要化学试剂
　　
　　申光阿贝折射仪 WYA,德天佑 DTY-10B 超级恒温循环水浴，中兴伟业 HJ-6 型电热套，优化分馏柱，韦氏分馏柱，丙酮-乙醇混合物（ 体积比 1∶ 1） .

　　2 实验步骤
　　
　　丙酮沸点58 ℃，乙醇78 ℃，两种溶剂沸点接近且混溶。 本实验分馏提纯丙酮-乙醇（ 体积比 1∶ 1） 液体混合物，通过测定馏出物折光率，判定分馏效果，分馏效果越好，馏出物越纯净，产物折光率与标准值越接近。 分馏效果不好，产物纯度低，折射率与标准值差别越大。 20 ℃，1atm,丙酮折射率为： 1. 358 8,乙醇折射率为： 1. 361 4,混合物折射率介于 1. 358 8 ~1. 361 4 之间。

　　实验 1 使用韦氏分馏柱，实验 2 使用优化分馏柱。 实验装置如图2. 在100 mL 圆底烧瓶加入50 mL丙酮-乙醇混合液（ 体积比 1∶ 1） ,加入沸石。 按照图2 - a搭建实验 1 装置，图 2 - b 搭建实验 2 装置。 调节电加至适当功率，控制实验 1 和实验 2 有在近似的时间内发生回流，近似的时间有馏出液。 实验 2 中开启超级恒温循环水浴，调到适宜水温（ 较馏出液沸点低10 ℃） . 控制馏出液体速度为每秒1 滴。 记录蒸馏头温度，收集馏分，体积记录，测定各馏分折光率[8].

　　3 结果与讨论
　　
　　3. 1 优化分馏柱的结构与原理
　　
　　优化分馏柱由直形回流冷凝管改制而成，在冷凝管管壁中增加玻璃填料，增加气液两相平衡表面积，在玻璃夹层中通入循环热水作为恒温、保温热源，循环热水由超级恒温水浴提供，水温根据化合物沸点调节（ 比化合物沸点低 10 ℃ 左右） . 循环热水功效与精密分馏装置中加热保温装置功能一致，旨在减低能耗，保证液体混合物气相部分顺利升至分馏柱顶部，确保分离过程顺利完成。

　　3. 2 分馏曲线绘制及分析
　　
　　实验过程中，记录了加热时间，蒸馏头温度，以温度为纵坐标，加热时间为横坐标，绘制分馏曲线。

　　实验 1 的分馏曲线如图 3,实验 2 的分馏曲线如图4. 收集不同温度下馏出液，测定体积及折光率，记录见表 1.

　　从图 3 及表 1 中可以看出，液体混合物加热至沸腾一段时间后（ 0 ~10 min） ,气相组分到达分馏柱顶部，顶部温度从 22 ℃ 快速升高至 56 ℃ （ 丙酮沸点） ,稍后收集器内有馏分流出（ a 点） ,气相温度稳定在 56 ℃ 至 40 min （ b 点） ,收 集 ab 段 液 体（ 20 mL） ,恒温 20 ℃测折光 1. 3588（ 以下测定条件相同） ,与该温度下丙酮折光率相同，证明馏出物是纯净丙酮。 42 min 后，气相温度下降 50 ℃（ c 点） 仍有馏 分 流 出，收 集 bc 段 液 体 （ 2 mL） ,测 折 光1. 3598,介于纯净丙酮和乙醇之间，证明馏出物是丙酮 - 乙醇混合物，丙酮含量较多。 50 min 气相温度降到最低36 ℃（ d 点） 后开始上升。 55 min 气相温度升至 74 ℃（ e 点） ,有馏分流出，58 min 气相温度升至 78 ℃（ f 点） ,并保持稳定至 90 min（ g 点） . 分别收集 ef 段液体（ 3 mL） 和 fg 段液体（ 19 mL） ,测折光，ηef= 1. 360 5,证明馏出物是丙酮 - 乙醇混合物，ηfg= 1. 361 4,证明馏出物是纯净乙醇。 93 min 气相温度降低至 73 ℃（ f 点） ,仍有馏分流出，收集 gf 段液体（ 2 mL） ,测折光，ηfg= 1. 361 0,证明馏出物是丙酮 - 乙醇混合物，乙醇含量较多。 98 min 后气相温度降低至 30 ℃（ i 点） ,停止实验。

　　从 图 4 及表 1 可以看出，液体混合物加热至沸腾一段时间后（ 0 ~10 min） ,气相组分到达分馏柱顶部，顶部温度从 22 ℃快速升高至 56 ℃（ 丙酮沸点） ,稍后收集器内有馏分流出（ a 点） ,气相温度稳定在56 ℃ 至 40 min（ b 点） ,收集 ab 段液体（ 23 mL） ,折光1. 358 8,与该温度下的丙酮折光率相同，证明馏出物是纯净丙酮。40 min 后，气相温度下降，50 min 降到最低36 ℃（ d 点） ,之后开始升高。60 min 气相温度升至78 ℃ （ f 点） ,并保持稳定至85 min（ g 点） . 收集 fg 段液体（ 22 mL） ,测折光1. 361 4. 95 min 后气相温度将至30 ℃（ i 点） ,停止实验。

　　4 展 望
　　
　　分馏在化学化工中广泛应用，高效简便的分馏柱是保证分馏效果的关键。 本文设计制造的简易高效的分馏柱，集填料、保温装置为一体，可通过调节填料、温度等模块，适合不同沸点，不同性质的液体混合物分离。 安装简便，性能优良，为此类液体混合物的分离提供了一种高效简便的方法。
　　
　　参 考 文 献
　　
　　[1] 刘葵，汪建民。 循环实验模式的构建与教学实践[J]. 实验室研究与探索，2012,31（ 3） : 140 -142.
　　[2] 李东芳，李强。 绿色化教学在分馏实验中的应用[J]. 集宁师范学院学报，2012,34（ 4） : 111 -113.
　　[3] 任玉杰。 绿色有机化学实验[M]. 北京： 化学工业出版社，2008.
　　[4] 曾昭琼。 有机化学实验[M]. 北京： 高等教育出版社，2000: 44.
　　[5] 熊英，王晓玲，侯安新。 利用简单蒸馏和分馏分离两组分液体混合物[M]. 大学化学，2012,27 （ 3） : 48 -52.
　　[6] 武汉大学化学与分子科学学院实验中心。 有机化学实验[M]. 武汉大学出版社，2004.
　　[7] 李明，刘永军，王叔文，等。 有机化学实验[M]. 北京： 科学出版社，2010.
　　[8] 王清廉，李瀛，高坤。 有机化学实验第三版[M]. 北京： 高等教育出版社，1978.