分馏柱在环己烯制备实验中的使用及其作用

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

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

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