实验一反应精馏制乙酸乙酯.doc

.实验一 反应精馏法制乙酸乙酯一、实验目的1.了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程。2.掌握反应精馏的操作。3.能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。4.了解反应精馏与常规精馏的区别。5.学会分析塔内物料组成。二、实验原理反应精馏过程不同于一般精馏，它既有精馏的物理相变之传递现象，又有物质变性的化学反应现象。反应精馏对下列两种情况特别适用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维护在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物质存在，则精馏过程可使其连续地从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因它们的沸点接近，靠一般精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。对于本实验来说，适于第一种情况，但但该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏存在也达不到高效分离的目的，这是因为反应速度非常缓慢，故一般都用催化反应方式。酸是有效的催化剂，常用硫酸。反应精馏的催化剂用硫酸，是由于其催化作用不受塔内温度限制，在全塔内都能进行催化反应，而应用固体催化剂则由于存在一个最适宜的温度，精馏塔本身难以达到此条件，故很难实现最佳化操作。本实验是以乙酸和乙醇为原料，在催化剂作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的方程式为： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O实验的进料有两种方式：一是直接从塔釜进料；另一种是在塔的某处进料。前者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。可认为反应精馏的分离塔也是反应器。若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行。由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔体，故塔体内共有3组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。 本实验采用间歇式进料方式，物料衡算式和热量衡算式为：（1） 物料衡算方程对第j块理论板上的i组分进行物料横算如下（2） 气液平衡方程对平衡级上某组分i的有如下平衡关系： 每块板上组成的总和应符合下式：（3） 反应速率方程（4） 热量衡算方程（5） 对平衡级进行热量衡算，最终得到下式： 三、实验装置示意图实验装置如图2所示。 反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装33mm不锈钢填料(316L)。塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜为一玻璃容器，并有电加热器加热。采用XCT-191，ZK-50可控硅电压控制釜温。塔顶冷凝液体的回流采用摆动式回流比控制器操作。此控制系统由塔头上摆锤、电磁铁线圈、回流比计数拨码电子仪表组成。 所用的试剂有乙醇、乙酸、浓硫酸、丙酮和蒸馏水。 四、实验步骤1 称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过1g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中用滴管滴加23滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源0.2A，开启塔顶冷凝水。每10min记录一次塔顶、塔釜温度和各加热元件电流。2 当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作，全回流15min后，开启回流，设定回流比为R=3:1（打开收集旋塞），20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析，取样时尽可能保证同步。（色谱分析时取0.2l样品注入色谱分析仪，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用）3 将加热和保温开关关上，取出产物和塔釜原料，称重，进行色谱分析，分别重复分析两次（当持液全部回流至塔釜后再取塔釜残液）4 关闭回流，关闭冷凝水及塔釜及塔身加热电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。五、实验数据记录5.1原始数据记录：表1 实验仪器原始数据记录表时间塔顶温度釜控温度各加热元件电流mA14：4918.419.40.10.40.114：5918.585.20.10.40.115:0966.084.30.10.40.115:1966.282.80.10.40.115:2966.182.00.10.40.115:3966.281.70.10.40.115:4966.181.70.10.40.115:5966.281.70.10.40.116:0966.081.90.10.40.116:1966.182.30.10.40.1注：15:05开始全回流；15:20开始部分回流；15:41第一次取样；16:11第二次取样 表2 实验过程中取样色谱分析原始数据记录表取样次数取样位置峰号停留时间min面积/面积百分比/%塔身第一次上10.871987616.8375421.4001618627.5963934.3573259155.56607中10.57136975.4055821.0821905127.8553433.9314564466.73908下10.45925475.5650320.9821321628.8738433.9813000765.56113塔身第二次上10.51442616.7667721.0341633725.9418533.9194233767.29138中10.36646206.5902620.8921682524.0023433.7444865469.40741下10.37143756.3777620.8841880027.4082133.7374541866.21402塔顶第一次10.35144166.7436020.8761453422.1940233.7144653771.06238塔顶第二次10.34845577.6879920.8741332222.4734033.7644140069.83862塔釜第一次10.756574615.6673321.2901280734.9232432.900961326.2139344.548850723.19550塔釜第二次10.343964515.7841820.8712075433.9638032.4641668927.3116644.0801401822.94035表3 色谱分析条件表载气柱前压0.05桥电路100汽化室温度100柱箱温度126进样量0.2检测器温度126相对校正因子=0.7628=1.2591=1=1.4052表4 原料原始数据记录表原料原料质量/g分子量质量分数/%乙酸79.6360.0599.5%乙醇79.3046.0799.5%注：乙酸乙酯的分子量为88.11表5 产品原始数据记录表取出位置空瓶质量/g瓶与产品质量/g产品(乙酸乙酯)质量/g塔顶61.92109.9248.00塔釜89.96193.52103.565.2数据处理：5.2.1塔内各物质质量浓度分布的计算表6 精馏过程数据处理表取样次数取样位置物质组分质量百分数/%第一次取样上段水11.633 乙醇24.996 乙酸乙酯63.371 中段水3.554 乙醇24.011 乙酸乙酯72.434 下段水3.670 乙醇24.963 乙酸乙酯71.367 第二次取样上段水4.456 乙醇22.396 乙酸乙酯73.147 中段水4.318 乙醇20.617 乙酸乙酯75.065 下段水4.207 乙醇23.701 乙酸乙酯72.092 塔内各物质质量浓度分布的计算举例（表6计算举例）：根据公式且计算各组分的质量分数以第二次取样的中段醇为例由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔内，故塔体内共有3个组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。由表3知：相对校正因子：f水=0.7628；f乙醇=1.000；f乙酸=1.4052 同理可以计算得出表6。5.2.2塔产品质量浓度分布的计算表7 精馏产品数据处理表位置物质色谱平均百分比%组分质量百分数/%塔顶水7.2157954.722934乙醇22.3337119.16363乙酸乙酯70.450576.11343塔釜水15.7257610.60704乙醇34.4435230.45646乙酸26.7628033.25381乙酸乙酯23.0679325.682705.3塔内浓度分布表（据表6数据得）：图一 水的质量分数分布图 图二 乙醇的质量分数分布图图三 乙酸乙酯的质量分数分布图 5.4乙酸乙酯反应收率和转化率的计算由表4知各物质：化学反应方程式为：CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O本实验中，由于乙醇是过量的，因此用乙酸进行计算。 釜残液乙酸量：乙酸转化率乙酸加料量釜残液乙酸量/乙酸加料量=（79.6334.438）/79.63100%=56.752 %5.5全塔物料衡算5.5.1乙酸的全塔物料衡算：以全塔为研究对象，物料守恒应有：乙酸加料量=釜残液乙酸含量+反应的乙酸量乙酸加料量=79.63g釜残液乙酸含量=103.5633.25381%=34.438g反应掉乙酸量=M乙酸m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=60.0563.131/88.11=43.026g釜残液乙酸含量+反应的乙酸量=34.438+43.026=77.464g乙酸加料量=79.63g 相对误差：(79.63-77.464)/79.63=2.720%由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒5.5.2乙醇的全塔物料衡算：以全塔为研究对象，物料守恒应有：乙醇加料量=反应的乙酸量+乙醇剩余量乙醇加料量=79.30g反应掉乙醇量=M乙醇m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=46.0763.131/88.11=33.009g乙醇剩余量=塔顶蒸发掉乙醇量+釜残液乙醇含量=48.0019.16363%+103.5630.45646%=40.739g所以故反应掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g乙醇加料量=79.30g相对误差：（79.30-73.748）/79.30=7.001%由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒六、实验结果与讨论及改进实验的建议1.由塔浓度分布图，可知随着塔高的增大，全塔内，乙醇的质量浓度随之减小，产物乙酸乙酯的质量浓度随之增大。这是由于水-乙酸乙酯形成的共沸物具有较低的沸点，属于轻组分，通过精馏主要存在于塔的较高处，水-乙醇属于重组分，主要存在于塔较低处。乙酸仅在塔釜液中存在，这是由于乙酸的沸点为118，而塔操作的最高温度为80无法使乙酸蒸发进入塔内。数据图中，第三组数据点不符合变化规律，可能原因是： 色谱分析取样时，3个不同高度不同步。其中一次取样由于取样不慎洒出，导致重新取样，色谱分析仪在第二次分析时突然断电，导致重新取样，并且取样到分析期间等待时间过长、部分样品挥发影响组成。首次进行色谱分析操作，操作不熟悉，不能保证停留时间的一致，应进样和点击开始的时间尽量一致。2、由反应结果知反应转化率较高但收率并不高，也就是生成的乙酸乙酯一部分还留在塔釜中，未精馏至塔顶。通过与其他组进行结果比较得出，这可能是实验过程中精馏时间不够，导致精馏不完全。3、在计算收率和转化率时，反应前后乙酸和乙醇质量相差不大，在误差允许范围内，符合质量守恒定律。实验结果造成误差的原因可能是：在测量质量时，产品有一部分挥发，未考虑物质损耗，造成实验有所误差。精馏塔内存在持液量，无法测量。有可能是色谱分析中出现的误差所致七、符号说明Fj j板进料量hj j板上液体焓值Hj j板上气体焓值Hf,j j板上原料焓值Hr,j j板上反应热焓值Lj j板下降液体量Ki,j i组分的汽液平衡函数Pj j板上液体混合物体积（持液量）Ri,j 单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量Vj j板上升蒸汽量Xi,j j板上组分i的液相摩尔分数Yi,j j板上组分i的气相摩尔分数Zi,j j板上i组分的原料组成i,j 反应混合物组分在j板上的体积Qj j板上冷却或加热的热量八、思考题1、怎样提高酯化收率？答：由实验数据可以看出，乙酸乙酯有很大一部分残存在塔釜废液中，因此，可以通过增加回流比的方法提高收率。同时，从热力学角度来看，可以通过提高乙醇的用量，使反应平衡向右移动，从而提高乙酸乙酯的产量。另外，增加精馏时间，可使易挥发组分在塔顶的含量增加，减少酯的损失等，都可以在不同程度上提高酯化收率。2、不同回流比对产物分布影响如何？答：回流比R=L/D，其中，L表示精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量，D表示塔顶产品流量。操作中精馏塔的分离能力主要取决于回流比的大小，改变回流比，是调节精馏塔操作的方便而有效的手段。增大回流比，可以提高产品纯度，减少分离所需的理论板数，使得产物分布较窄，反之产物分布较宽。但增大回流比，要求塔釜产生的蒸汽量相应增加，增大