9反应精馏法制甲缩醛120分钟.doc

实验十二 催化反应精馏法制甲缩醛一、实验目的 1. 了解反应精馏工艺过程的特点,增强工艺与工程相结合的观念. 2. 掌握反应精馏装置的操作控制方法,学会通过观察反应精馏塔内的温度分布,判断浓度的变化趋势,采取正确调控手段。 3. 学会用正交设计的方法，设计合理的实验方案，进行工艺条件的优选。 4. 获得反应精馏法制甲缩醛的最优工艺条件，明确主要影响因素。二、实验原理反应精馏法是集反应与分离为一体的一种特殊精馏技术，该技术将反应过程的工艺特点与分离设备的工程特性有机结合在一起，既能利用精馏的分离作用提高反应的平衡转化率，抑制串联副反应的发生，又能利用放热反应的热效应降低精馏的能耗，强化传质。因此，在化工生产中得到越来越广泛的应用。反应精馏经常采用的实验为醋酸与乙醇在硫酸催化剂存在下的酯化反应或甲醛与甲醇在硫酸催化剂存在下进行的缩醛合成反应。此外，亦可用固体催化剂进行反应。甲缩醛是C3H8O2。别名：二甲氧基甲烷，甲醛缩二甲醇（二甲醇缩甲醛）（formaldehyde dimethyl acetal;methylal;formal;methylene dimethyl ether;dimethoxymethane）结构式 CH2(OCH3)2 无色澄清的挥发可燃液体，有氯仿气味和刺激味。熔点-104.8，相对密度（d）0.8560,沸点44，折射率（n）1.3513,20水中 溶解度32，能溶解多种溶剂。用途：生产离子交换树脂、溶剂、香料、雷博（合成）反应介质：甲醛（水）36.5-37.4 甲醇 64.7 甲醛 19.5反应条件：控制塔顶温度 41.5-42 馏分即为： 甲缩醛本实验以甲醛与甲醇缩合生产甲缩醛（沸点42.3）的反应为对象进行反应精馏工艺研究。合成甲缩醛的反应为：2CH3OHCHOC3H8O2H2O该反应是在酸催化条件下进行的可逆放热反应，受平衡转化率的限制，若采用传统的先反应后分离的方法，即使以高浓度的甲醛水溶液（3840）为原料，甲醛的转化率也只能达到60左右，大量未反应的稀甲醛不仅给后续的分离造成困难，而且稀甲醛浓缩时产生的甲酸对设备的腐蚀严重。而采用反应精馏的方法则可有效地克服平衡转化率这一热力学障碍，因为该反应物系中各组分相对挥发度的大小次序为：甲缩醛甲醇甲醛水，可见，由于产物甲缩醛具有最大的相对挥发度，利用精馏的作用可将其不断地从系统中分离出去，促使平衡向生成产物的方向移动，大幅度提高甲醛的平衡转化率，若原料配比控制合理，甚至可达到接近平衡转化率。此外，采用反应精馏技术还具有如下优点：1、在合理的工艺及设备条件下，可从塔顶直接获得合格的甲缩醛产品。2、反应和分离在同一设备中进行，可节省设备费用和操作费用。3、反应热直接用于精馏过程，可降低能耗。由于精馏的提浓作用，对原料甲醛的浓度要求降低，质量百分数为7-38的甲醛水溶液均可直接使用。本实验采用连续反应精馏装置，考察原料甲醛的浓度，甲醛与甲醇的配比、催化剂浓度、回流比等因素对塔顶产物的纯度和生成速率的影响，谷优选出最佳的工艺条件。实验中，各因素水平变化的范围是：甲醛溶液浓度（质量百分数）1238，甲醛：甲醇（摩尔比）为1：81：2，催化剂质量百分数13，回流比515。由于实验设计多因子多水平的优选，故采用正交实验设计的方法组织实验，通过数据处理，方差分析，确定主要因素和优化条件。三、实验装置及流程1、实验装置实验装置如下图所示。反应精馏塔有玻璃制成。塔径为25mm，塔高约2400mm，共分为三段，由下至上分别为提馏段、反应段、静馏段，塔内填装不锈钢网丝环填料。塔釜为500ml四口烧瓶，置于1000w电热碗中。塔顶采用电磁摆针式回流比控制装置。在塔釜，塔体和塔顶共设了五个测温点。2、实验流程在塔釜中放入甲醇溶液，调节加热套加热塔釜，并打开塔保温，控制电流，当有回流时稳定回流20分钟后，将甲醛与催化剂混合后，由反应段的顶部加入，甲醇由反应段底部加入，调节回流比，使进样量等于采出量，持续精馏一定时间。用气相色谱法分析塔顶和塔釜产物的组成。1-升降台；2-加热套；3-塔釜；4-夹套；5-保温层；6-塔反应器；7-进料口8-预热器；9-冷凝器；10-回流比控制器；11-进料口；12-进料阀；13-进料罐；14-采集罐；3、装置参数装置参数如表1所示。表1装置名称参数数量塔头402301采集罐401551冷凝器454001加热套1000w1转子流量计0-4/0-6 ml/min2主要试剂如表2所示表2试剂作用名称物料甲醇物料甲醛催化剂硫酸 四、实验步骤1、原料准备在甲醛水溶液中加入1%、2%、3%的浓硫酸作为催化剂。CP级或工业甲醇。2、操作准备 检查精馏塔进出料系统各管线上的阀门开闭状态是否正常。向塔釜加入200ml，约10%的甲醇水溶液。调节进料阀，分别标定原料甲醛和甲醇的进料流量，甲醇的体积流量控制在4ml/min.3、实验操作先开启塔顶冷却水。在开启塔釜加热器，加热量要逐步增加，不宜过猛。当塔头有凝液后，全回流操作约20min。按选定的实验条件，将回流比控制器拨到6:3，开始进料，甲醇4ml/min，甲醛2ml/min。进料后，仔细观察并跟踪记录塔内各点的温度变化，测定并记录塔顶与塔釜的出料速度，调节出料量，使系统物料平衡。待塔顶温度稳定后，每隔15min取一次塔顶、塔釜样品，分析其组成，共取样2-3次。取其平均值作为实验结果。依正交实验计划表，改变实验条件，重复步骤3，可获得不同条件下的实验结果。实验完成后，切断进出料，停止加热，待塔顶不再有凝液回流时，关闭冷却水。五、实验数据处理根据上述实验测得的数据填写到下表：实验日期： 实验人员： 学号： 温度： 序号催化剂浓度回流比甲醇加入量甲醛加入量123六、实验报告1、用气象色谱分析塔顶，塔底产物序号15min产物组成30min产物组成45min产物组成1232、列出实验原始记录表，计算甲缩醛产品的收率。甲缩醛收率计算式：=xd塔顶馏出液中甲缩醛的质量分率；xw塔釜出料中甲缩醛的质量分率；xf进料中甲醛的质量分率，塔顶馏出液的质量流率，进料甲醛水溶液的质量流率，塔釜出料的质量流率，、甲醛，甲缩醛的分子量；甲缩醛的收率。3、绘制全塔温度分布图，绘制甲缩醛产品收率和纯度与回流比的关系图。4、以甲缩醛产品的收率为实验指标，列出正交实验结果表，运用方差分析确定最佳工艺条件。七、思考题1、反应精馏塔内的温度分布有什么特点？随原料甲醛浓度和催化剂浓度的变化，反应