分馏柱在环己烯制备实验中的使用及其作用
Application and function of fractionation column in cyclohexene preparation experiment
北京化工大学 材料科学与工程学院 高元
前言
环己烯又名四氢化苯,由环己醇脱水而制得,是一种很重要的有机合成原料,可以用于聚合物合成、催化剂溶剂、合成医药的中间体以及作为反应溶剂[1]。实验室制备环己烯的方法,是在环己醇在催化剂磷酸或硫酸的存在下, 加热分馏,得到粗产品,再用氯化钠饱和溶液洗涤、用5%的碳酸钠溶液中和微量的酸,经过洗涤、分液、干燥、蒸馏而得到精制环己烯[2]。
本文主要探讨分馏柱在环己烯制备实验中的作用,简要介绍采用带分水器回流替代分馏的方法,以此作为对现有教学实验的改进建议。
1 实验原理
主反应为可逆反应,本实验采用的措施是:一边反应,一边蒸出反应生成的环己烯和水形成的二元共沸物(沸点70.8℃,含水10%)。但是,原料环己醇(分析纯)也可以跟水形成二元共沸物(沸点97.8℃,含水80%)。为了使产物以共沸物的形式蒸出反应体系,而又不附带原料环己醇,本实验采用分馏装置,并控制柱顶温度不超过90℃[2]。 实验装置如图1所示。
在该实验中,若使用硫酸作为催化剂,一般产率不高,且硫酸腐蚀性强,容易产生碳渣及SO2 等副产物,后处理麻烦,污染环境[3]。因此,本实验选用了85%的磷酸(分析纯)作为脱水剂。
2.分馏
2.1 分馏柱
图1 环己烯分馏装置[4]
Figure 1. Cyclohexene fractionation unit
本实验使用的是刺形分溜柱,分馏柱的刺形内壁用来填充分馏柱,增大了液相和气相的接触面积,使其充分进行热交换,提高不同沸点的物质的分离效率。
2.2 分馏
[img=,274,63,left]file:///C:\Users\yangcf\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3F10.tmp.png[/img]在沸腾温度下,两种挥发性液体混合物在反应容器中达到气-液平衡状态,得到的蒸气中含有较多易挥发的气体组分,将此部分蒸气体经液化转化为液体;液相中含有较多难挥发的高沸点组分。这样就完成了一次蒸馏。
将上述由蒸气冷凝而成的液体重新蒸馏,再次产生的蒸气中,易挥发物质组分的比例会增大,进而液化得到易挥发物质更多的液体。利用这样一连串的系统的重复蒸馏,最后可以得到接近纯组分的两种液体。
分馏就是将这一连串的重复蒸馏控制在分馏柱中,让上升的蒸汽和下降的冷凝液在分馏柱中进行多次热交换,从而使低沸点的物质不断上升、被蒸出,高沸点的物质不断地被冷凝、下降,流回到加热容器中,最终将沸点不同的物质分离。简单地讲,就是在分馏柱中进行多次蒸馏。
2.3分馏柱的优点
反复多次的简单蒸馏,既浪费时间,在重复多次蒸馏操作中的损失又大,且设备复杂,所以,通常是利用分馏柱进行多次气化和冷凝,得到接近纯组分的两种液体,这就是分馏。工业上的精馏塔就相当于分馏柱。
3. 环己烯制备实验的改进
目前各有机化学实验教材中,环己烯的制备方法都采用分馏的方法,该方法存在分离提纯困难、产物纯度不高和收率较低的缺陷。
在杜钦芝的改进方法中[5],采用了带分水器回流的方法替代分馏的方法,在烧瓶上安装分水器,分水器上接球形冷凝管(见图2)。将烧瓶在石棉网上加热回[img=,85,271,left]file:///C:\Users\yangcf\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3F11.tmp.jpg[/img]流。在分水器中预先加入适量饱和食盐水,以增大分水器中有机层的高度,使其能够及时流回到烧瓶中,并降低环己醇在水中的溶解度。当水面达到分水器支管时,及时放出少量水。
改进后的实验方法,不但实验操作更为简单,而且由于使用了分水器,反应平衡向产物方向移动,反应几乎可以进行完全,避免了因环己醇与环己烯、环己醇与水形成的共沸物馏出,所以分离提纯简单,产物的纯度高,回收率可提高到60%~70%,完全可以替代传统的分馏制备方法运用于实验教学中。
总结与展望
[img=,212,67,left]file:///C:\Users\yangcf\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3F22.tmp.png[/img]本实验涉及多个基础有机化学实验基本操作,是一个能够有效提高学生的综合实验技能的基础有机化学实验。分馏操作在整个实验中的作用十分重要,分馏的效果直接影响到最终产品的回收率和纯度,因此,有必要认识分馏柱的使用方法和作用,探究更加简单高效的分馏制备方法。
参考文献
[1] 李芬芳,安道利,刘秀萍,王艳. 环己烯制备实验的改进[J].山西大同大学学报(自然科学版).2015,31(01):31-32
[2] 张丽丹,李顺来,张春婷.新编大学化学实验[M].北京:化学工业出版社,2020(9):118-124
[3] 张颖,姜文清,卞国庆. 环己烯合成实验的绿色化改进[J].化学教育.2012,33(03):65-68
[4] 李福枝,肖细梅,龚慧芳,傅欣,周晓媛.浅谈环己烯制备实验中的有关注意事项[J].化学工程与装备.2010(08):21-23
[5] 杜钦芝.环己烯制备方法的改进[J].教育教学论坛.2020(31):391-392