实验一、绝对无水乙醇的制备
一、实验目的：
1 巩固实验室制备绝对无水乙醇的原理
2 掌握制备绝对无水乙醇的方法
3 熟练掌握蒸馏、回流装置的安装和使用方法
二、实验原理：
为了制得乙醇含量为99.5％的无水乙醇，实验室中常用最简便的制备方法是生石灰法，即利用生石灰与工业酒精中的水反应生成不挥发、一般加热不分解的熟石灰（Ca(OH)2），以得到无水乙醇。为了使反应充分进行，除了将反应物混合放置过夜外，还让其加热回流一段时间。制得的无水乙醇（纯度可达99.5％）用直接蒸馏法收集。
若要制得绝对无水乙醇（纯度＞99.95％），则将制得的无水乙醇和金属钠进一步处理，除去残余的微量水分即可。
三、仪器与试剂
试剂：95％乙醇 生石灰 钠 邻苯二甲酸二乙脂
仪器：回流装置一套
四、实验步骤
1. 前期准备
将100ml 95％乙醇、15g生石灰装入100ml圆底烧瓶，摇匀后用橡皮塞塞紧并放置过夜。称取12g镁粉，放入稀盐酸中，反应后过滤，放干燥器中干燥。
2. 钠干
将过夜处置后的乙醇，加入钠片，继续放置直至没有气泡冒出为止。
3. 回流
把处理过的镁粉放入圆底烧瓶中，加入放置过的物料无水乙醇20ml，装上回流装置，加热至微沸，移去热源，加入几粒碘单质引发，引发完毕后，加入沸石、100ml无水乙醇，加热回流2h。
4. 蒸馏
回流结束后，待反应体系稍冷，将其改装成蒸馏装置。用电热套加热蒸馏出绝对无水乙醇。产品储于带有磨口塞或橡皮塞的容器中。
五、注意事项
1. 要过量加入干燥剂，让干燥剂充分吸收多余的水分。
2. 加钠后，不要把瓶塞塞紧，防止产生的氢气压力加大伤到。
3. 加碘单质引发时，要移去热源，防止暴沸；因引发过程中放出大量的热。
4. 蒸馏开始时，应缓慢加热，当温度达到乙醇的沸点时，在收集馏分。
5. 控制好温度，使之不要超过80oC。
6. 所用仪器要干燥或是润洗，防止带入水分。
第二篇：无水乙醇
现代分离工程的研究及其在化工生产中的应用
化工1103班 朱国翔（2011013072）
思考题：简述现代分离过程在化工生产工程中的意义及应用，并举例说明。
分离技术完成多组分体系中物质分离提纯的方法，是化工单元设备中的重要组成部分。广义的分离涉及到食品、农业、医药、环境、化工产品的生产、生物物质的分离等。
传统的分离技术包括蒸馏、精馏，吸附、过滤、离心，透析、沉淀、超滤，溶剂萃取、离子交换，反渗透、吸收、结晶等。现代分离技术包括超分子分离泡沫吸附分离，分子蒸馏，分子印迹，聚合物分离，逆流、激光、现代薄层色谱，液膜、超临界流体萃取，双水相和反胶束等。除此之外，将现有的分离技术高效集成化也属于现代分离技术。如：亲和双水相分配、亲和膜分离技术以及扩张床吸附技术等集成化技术。
现代分离技术在化工生产中占据着极其重要的地位。几乎所有的化工产品的生产都离不开分离过程。一个产品能否工业化，往往并不取决于能否实现其化学合成，而取决于能都对其进行有效的分离纯化。现代工业的发展，对有效成分的提取、有害成分的分离效果以及高的原料利用率以及产品收率提出了更高的要求。生产过程中为反应原料的回收利用、反应副产物的分离利用以及生产中的“三废”处理，降低产品成本，保护环境都依赖于现代分离技术的发展。因此，现代分离技术是生产过程成败和提高经济效益的关键。
现代分离技术的应用广泛。如：反胶束萃取技术应用于小麦胚芽蛋白前萃工艺。生物活性物质进入反胶束溶液，在宏观两相（有机相和水相）界面间的表面活性剂层同临近的蛋白质发生静电作用而变形，在两相界面形成包含生物活性的反胶束，反胶束扩散进入有机相，实现萃取分离，称为前萃。然后用一水相，通过调节PH离子强度等使蛋白质转入水相，实现反萃。反胶束萃取较传统的盐溶液提酸沉法提取小麦胚芽蛋白质，产生的废水大大较少，污染也随之降低。
超临界萃取技术中超临界流体具有气液的双重优点，即对溶质具有很大的溶解度以及高的扩散系数，通过改变压力和温度很容易实现溶质的分离和回收。其中，最常见的是用超临界CO2萃取对生物、食品、医药产物的提取和纯化。如超临界CO2萃取应用于玫瑰油的提取。过去，提取天然香料一直沿用水蒸汽蒸馏法、压榨法和有机溶剂萃取法等。水蒸汽蒸馏法需将原料加热，不适合化学性质不稳定组分的提取；压榨法收率低；有机溶剂萃取法在去除溶剂时会导致产品质量下降或有机溶剂残留。而超临界技术可以在超临界温度以上以高压气体为溶剂，分离、萃取、精致有机物。超临界技术还应用于咖啡豆中咖啡因提取、啤酒酒花中酒花浸膏的提取、烟草中烟碱的脱除等。
液膜分离技术用于分离富集无机物、处理有机物，在发酵液中提取先锋素、盘尼西林、硫普罗宁等。高效逆流色谱（HSCCC）应用于中小分子类的分离纯化，用于抗生素成分的分离鉴定、天然药物的分离制备等。分子印迹技术用于分离富集茶叶提取物茶多酚中的儿茶素活性单体EGCC，环糊精分子印迹聚合物分离纯化葛根素到98%，收率达80%以上。
思考题：如何用95%（体积比）乙醇通过现代化工技术制备无水乙醇？
一、共沸精馏
分离两种相对挥发度非常接近的两组分时，在两组分恒沸液中加入第三组分(称为夹带剂)，该组分能与原料中的一个或两个组分形成新的恒沸物，从而使原料液能用普通精馏方法予以分离，这种精馏操作称为共沸精馏。
1、工作原理
共沸精馏法生产无水乙醇的基本原理就是在乙醇水溶液中加入脱水剂（如苯环己烷、乙二醇、甘油等），乙醇、水与脱水剂混合物会形成一系列的多元共沸物，其中乙醇一水一脱水剂组成的三元共沸物的沸点最低，而且其组成中水的百分含量高于乙醇一水二元共沸物中水的含量。根据这一原理，按其工艺特性进行蒸馏时，水会被三元共沸物带走以达到脱水目的。
2、共沸精馏具体操作
表2-1 乙醇-水-苯三元体系共沸物性质
以乙醇一苯一水体系为例，体系的沸点及共沸点如表2-1所示，从图中可以看出，三相点的温度64.85℃比别的共沸点都低，而其共沸组成中水的含量7.4，比乙醇一水共沸物中水的含量将近高出1倍。因此，用苯作为夹带剂，蒸出三相共沸物，这样就可以把普通乙醇中剩余4.43%的水分出，谭倪利用间歇精馏方法对乙醇一苯一水进行精馏，获得试剂级无水乙醇(含量>99.7%)。
在共沸精馏生产无水乙醇中，选用不同的共沸剂对操作和产品的质量都有很大的影响，选用共沸剂应遵循下列几条原则：
(1)共沸剂用量愈小愈好，汽化潜热愈多愈好，不仅可提高共沸剂的效率，而且降低了蒸发所需的热量和冷凝所需冷剂的量。
(2)共沸剂易回收和分离，这是共沸剂是否有工业实际使用价值的重要方面。
(3)显著影响关键组分的汽液平衡关系。
(4)不与进料中组分起化学反应，热稳定性好。
(5)无毒、无腐蚀性、价格低廉。
对于乙醇一水系统，目前常用的共沸剂主要有苯、环己烷、戊烷、乙二醇、甘油、汽油等。
3、工艺流程
图2-1 共沸精馏生产无水乙醇工艺流程图
一般工业化共沸精馏生产无水乙醇的简易流程如图2-1所示，采用三塔操作，原料液与苯进入恒沸精馏塔1中，由于常压下此三元恒沸液的恒沸点为64.850C，其由塔顶蒸出，塔底产品为无水乙醇。塔顶蒸汽进入冷凝器4中冷凝后，部分液相回流到塔1,其余的进入分层器5，在分相器内分为轻重两层液体。轻相返回塔1作为补充回流，重相送入苯回收塔2的顶部，以回收其中的苯。塔2的蒸汽由塔顶引出也进入冷凝器4中，塔2底部的产品为稀乙醇，被送到乙醇回收塔3中。塔3的塔顶产品为乙醇一水恒沸液，送回塔1作为原料，而塔3底产品几乎为纯水。在操作中苯是循环使用的，但因为损耗，因此隔一段时间后需要补充一定量的苯。覃锐兵通过研究发现夹带剂苯和乙醇之间存在一个的适合配数比，为1:3-1:3.5；适合回流比是15:1。封瑞江等在研究共沸剂配比中结果得出最佳配比为m(苯):m(乙醇)=3:7。
4、共沸精馏生产无水乙醇优缺点
A.优点：
1）经济指标合理。汽化量小，三元恒沸物的冷凝液分为轻重相，夹带剂易于分离，可重复使用；
2）无水乙醇质量进一步提高。杂质大部分在分离器的富水相，无水乙醇带出杂质很少；
3）产量大。对塔径等参数稍作改变就可显著提高无水乙醇的产量；
4）能耗低。乙醇沸点低，可对工厂中的废热废汽加以利用；
B.缺点
1）生产操作弹性小，需要严格稳定生产的工艺参数，才能达到要求的分水能力；
2）分离中夹带剂会增加分离工作，夹带剂本身有毒，微量参与限制了得到的无水乙醇的应用范围；
3）夹带剂苯、环己烷等的带水能力较低，带出单位体积的水需蒸出较多的夹带剂，需要消耗的能耗较大。
二、萃取精馏
1、萃取精馏原理
萃取精馏通过在均相液体混合物中加人某种盐类，由于混合物中分子间的范德华力发生变化，因而将使各组分在汽相中的分压比发生变化。研究表明，在加盐的液体混合物中(如，乙醇一水混合物)，盐易溶解在其中的那个组分(如，水)在汽相中的含量减少，而盐难于溶入的那个组分(如，乙醇)在汽相中的含量增加。其结果是，盐的加入不但使组分的相对挥发度大为提高。而且，一定的盐加人浓度大于某一数值时，可使混合物的恒沸点消失。
用盐作为萃取剂的萃取蒸馏，可用于分离恒沸混合物或组分沸点相近的混合物。优良的盐，同易挥发组分互溶时，应对拉乌尔定律有较大的正偏差，与难挥发组分互溶时，应对拉乌尔定律有较大的负偏差。
2、具体操作
无水乙醇的萃取蒸馏法由1975年清华大学化工系开发。它是以15%-20%醋酸盐乙二醇为溶剂，原料为95%的酒精，溶剂比为1:1至1.2:1，产品含水量<0.2%。通过往酒精水溶液中添加盐类(如醋酸钾、氯化钙、氯化纳、氯化铜、乙二醇的盐溶液等)可以改变平衡曲线，从而可以使难分离物系转化为容易分离的物系，使分离成本降低。
4、萃取精馏工艺流程
图2-2 萃取精馏工艺流程示意图
原料由中部进料口加入，溶剂油上口加入，在萃取精馏塔中完成萃取过程，产品由上口蒸出，塔底产物进入溶剂回收塔。溶剂回收在具有真空度的填料精馏柱中进行的。塔顶蒸出水，塔釜为回收的溶剂。当釜温为1450C时，溶剂的含水量为0.2%左右。用回收的溶剂重新进行萃取精馏实验，效果与所配溶剂相同，甚至更好。
4、萃取精馏优缺点
萃取精馏流程简单，适合大规模生产。加盐萃取精馏法操作费用较低，设备投资小，劳动生产率较高，目前在生产中已得到很好的应用。但是盐的回收成为一个有待解决的问题。但加盐萃取会对设备造成堵塞、腐蚀设备，需要耐腐蚀设备。
三、分子筛脱水
分子筛是一类具有骨架结构的硅铝酸盐晶体。晶体内的阳离子和水分子在骨架中有很大的移动自由度，可进行阳离子交换和可逆地脱水。
1、分子筛脱水原理
分子筛吸附法实现分离的原理主要是位阻效应。因为水分子的分子直径只有28nm，而乙醇的分子直径为44nm，因此水分子可以进入分子筛内部，而乙醇分子则被阻挡在外，从而实现对水、甲醇等小分子与乙醇的选择性吸附分离。
2、分子筛工艺流程
图2-3 分子筛生产无水乙醇工艺流程图
常用的分子筛四塔吸附过程如图2-3所示，生产过程可以安排任意三柱为吸附工作柱，另一柱为脱附工作柱。普通酒精自高位槽①通过流量计②以稳定流速如200L/h，经过脱水柱a, b, c分子筛即开始吸附并放热使柱温上升，控制柱温蕊400C，通过仪器测流出乙醇含水量，稳态时获得乙醇的体积分数为99%-99.9%。当a柱流出乙醇含水量开始回升，停止进料，之后进入再生，b, c柱仍可继续吸附。再生在a, b, c柱吸附的同时，d柱放干乙醇入中间罐③，固定床层直接用热空气吹扫，分子筛被加热开始脱附，产生的蒸汽由全凝器④回收乙醇。床层阻力降约 
分子筛。再生后期热空气温度以280-3000C为宜，一般吹扫4.5h-5.5h完成再生，投入下一循环。有资料报道脱吸可分别用氮气或二氧化碳为脱附剂，操作温度373-573K，操作压力为0.1-0.5Mpa，脱吸时间0.5-5h之间。
3、分子筛脱水优缺
自动化程度高，劳动轻度小，产品质量好。但再生能耗高，再生温度达300oC,操作不当回增加分子筛劣化和损坏；分子筛床单位截面积生产能力和连续性不及共沸法；分子筛价格昂贵，生产成本高。因此，分子筛脱水生产无水乙醇适合在生产灵活的实验室和试剂厂使用，开车比较方便。
四、膜分离法
膜分离技术是利用膜对液体混合物中各组分溶解扩散性能的不同而实现其分离的。膜分离法有许多优点，如无需外加化学添加剂；渗透液直接返回精馏塔，几乎没有乙醇的损失；无废水排放，热能消耗小、设备体积小、操作方便等，在恒沸和近沸物系的分离及脱水等领域显示出极大的优势。
（1）渗透汽化（PV）
渗透汽化，或称渗透蒸发是一种新型膜分离技术。该法是以混合物中组分蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物的分离的过程，该技术比较成熟。渗透汽化典型的工艺流程如图2-4表示：
图2-4 渗透汽化工艺（PV）流程
料液进入渗透汽化膜分离器，膜后侧保持低的组分分压，在膜两侧组分分压差的驱动下，组分通过膜向后侧扩散，并汽化成蒸汽离开膜器。其中扩散快的组分较多的透过膜进入膜的后侧，扩散慢的组分较少的或很少透过膜，因此可以达到分离料液的目的。渗透汽化的主要工艺条件是料液在膜器内的温度、膜后侧的压力和料液流过膜面的流速。
渗透汽化过程根据膜的亲水性与亲醇性可分为两类膜，一类是透水性膜，另一类是透乙醇性膜，前者适用于分离浓度高的乙醇水而得到无水乙醇。后者适用于从稀乙醇水中分离出无水乙醇。
（2）蒸汽渗透（VP）
VP是一种与渗透汽化法(PV)十分相似的膜分离过程，它们的主要区别是VP法料液是以蒸汽的形式与膜接触，实际上是气体的膜分离过程，由于没有相变，所以能量损失少，能耗较低。但由于VP过程操作的温度较高，其进料的温度必须要高于料液的露点温度，这就要消耗较高品位的蒸汽，同时对膜材料的耐高温性，机械性能都有较高的要求。但由于VP过程的分离系数高于PV过程，目前VP生产法在工业生产中仍广泛应用。