天津大学—反应精馏实验报告

1 目录目录 一 实验目的 1 二 实验原理 1 三 实验仪器和药品 1 四 实验流程图 2 五 实验步骤 3 六 实验数据记录 3 七 实验数据处理 5 7 1 计算塔内浓度分布 5 7 2 全塔物料衡算 6 7 2 1 对乙醇进行物料衡算 7 7 2 2 乙酸进行物料衡算 7 7 2 3 计算反应收率及转化率 7 八 结果分析及讨论 8 九 思考题 8 1 一 一 实验目的实验目的 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 二 实验原理实验原理 反应精馏是精馏技术中的一个特殊领域 在操作过程中 化学反应与分离 同时进行 故能显著提高总体转化率 降低能耗 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 二者同时存在 相互影响 使过程更加复杂 醇酸 酯化反应是可逆平衡反应 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 此时 可使用反应精馏法 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 反应随酸浓度增高而加快 浓度在 0 2 1 0 wt 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 实验的进料采用直接从塔釜进料 为间歇式操作 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 全过程可用物料衡算式描述 对第 j 块理论板上的 i 组分进行物料衡算如 下 如图 1 所示 jijjijjiijjjijjij XLYVRZFYVXL 1 11 1 2 j n i 1 2 3 4 Vj yi j Lj xi j Vj 1 yi j 1 Lj 1 xi j 1 Fj Zi j 图 1 第 j 块理论板上的气液流动示意图 2 三 实验仪器和药品三 实验仪器和药品 反应精馏塔用玻璃制成 直径 20mm 塔高 1500mm 塔内填装 3 3mm 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 四 四 实验流程图实验流程图 1 测温热电阻 2 冷却水 3 摆锤 4 电磁铁 5 塔头 6 馏出液收集瓶 7 回流比控制器 8 取样口 9 塔体 10 数字是温度显示器 11 控温仪 12 加料口 13 塔釜 14 电加热器 15 卸料口 图 2 反应精馏流程及装置 3 五 五 实验步骤实验步骤 1 称取乙醇 80 1g 乙酸 80 6g 用漏斗倒入塔釜内 并向其中滴加 2 3 滴 浓硫酸 开启塔身保温电源 并开启塔顶冷凝水 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 调整回流比为 R 3 1 3 20min 后 用微量注射器在塔顶 塔中 塔釜三处同时取样 将取得的 液体进行色谱分析 注入 0 2 l 样品 记录结果 4 30min 后 再取一次进行色谱分析 5 将水与总电源外其余电源关闭 对馏出液及釜残液进行称重和色谱分析 当持液全部流至塔釜后才取釜残液 关闭总电源 将馏出液和塔釜液倒入回 收瓶回收 六 六 实验数据记录实验数据记录 开启回流比时间为 15 09 开始取样时间为 15 25 上段保温电流 0 2A 下段保温电流 0 2A 釜加热电流 0 44A 表 1 实验条件记录表 序号时间 塔顶温度 釜热温度 114 4028 728 5 214 5028 782 2 315 0066 879 1 415 1066 877 1 515 2066 676 9 615 3066 477 2 715 4066 577 9 815 5066 679 5 916 0066 482 4 表 2 色谱分析条件表 载气柱前压 0 05MPa 桥电流 100mA进样量 0 2 l 检测室温度 125 汽化室温度 100 柱箱温度 125 相对质量校正因子 f水 0 8141f醇 1 000f酸 1 4796f酯 1 2892 4 表 3 取样色谱分析结果 上中下 保留时 间 峰面积保留时 间 峰面积保留时 间 峰面积 水0 31065340 32167110 3704820 乙醇0 821172480 807253310 86622485 乙酸乙 酯 3 554541393 455663173 59954854 第一次 取样分 析 总峰面 积 779219836082159 水0 32244540 32747770 3235881 乙醇0 836135600 830184000 83120914 乙酸乙 酯 3 628460693 561537633 52759280 第二次 取样分 析 总峰面 积 640837694086076 表 4 塔顶流出液和釜残液色谱分析结果 保留时 间 峰面积峰面积平均值 水0 3375658 乙醇0 85115683 1 乙酸乙 酯 3 57454538 75879 水0 2865362 乙醇0 80214528 馏出液 M 91 8 2g 2 乙酸乙 酯 3 55450545 70434 水 5510 乙醇 15105 5 乙酸乙酯 52541 5 水0 33021262 乙醇0 86415605 乙酸2 565116371 乙酸乙 酯 3 99515786 64291 水0 27313295 乙醇0 8119613 乙酸2 5417412 釜残液 M 55 7 5g 2 乙酸乙 酯 4 0299282 39601 水 17278 5 乙醇 12609 乙酸 9524 5 乙酸乙酯 12534 5 七 七 实验数据处理实验数据处理 7 1计算塔内浓度分布计算塔内浓度分布 已知 f水 0 8701 f醇 1 000 f酸 1 425 f酯 1 307 且 故以第 ii ii i fA fA x 一次精馏塔上部液体的含量作为计算举例 已知乙酸的沸点较高 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 X水 6534 0 8141 6534 0 8141 17248 54139 1 2892 5 76 X乙醇 17248 6534 0 8141 17248 54139 1 2892 18 67 X乙酸乙酯 54139 1 2892 6534 0 8141 17248 54139 1 2892 75 57 同理可得 第一次取样精馏塔上部 中部及下部各组分的百分含量 结果 见下图表 表 5 第一次取样各组分含量表 第一次取样 组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部 水含量 5 764 704 04 乙醇含量 18 6721 7823 15 乙酸乙酯含量 75 5773 5274 81 020406080100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 水 乙醇 乙酸乙酯 百分比 图 3 第一次取样各组分含量图 6 同样的 可以得到第二次取样精馏塔上部 中部及下部各组分的百分含量 将结果绘制成如下图表 表 6 第二次取样各组分含量表 第二次取样 组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部 水含量 4 744 254 69 乙醇含量 17 7120 0920 48 乙酸乙酯含量 77 5575 6674 93 020406080100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 水 乙醇 乙酸乙酯 百分比 图 4 第二次取样各组分含量图 如图所示 不同时间段分别在精馏塔的上部 中部和底部取样做色谱分析 可知 原料乙醇在精馏塔底部含量最多 而产物乙酸乙酯在精馏塔上部含量最 多 水在精馏塔上部含量最多 我们知道若采用塔釜进料的间歇式操作 反应 只在塔釜内进行 可能是各个组分的沸点不同所致 7 2全塔物料衡算全塔物料衡算 以塔顶色谱分析作为计算举例 52541 5 1 2892 77 60 5510 0 8141 15105 5 1 2892 52541 5 ii Af x A f 乙酸乙酯乙酸乙酯 乙酸乙酯 15105 5 17 30 5510 0 8141 15105 5 1 2892 52541 5 ii Af x A f 乙醇乙醇 乙醇 7 5510 0 8141 5 14 5510 0 8141 15105 5 1 2892 52541 5 ii A f x A f 水水 水 已知塔顶流出液的质量为 91 82g 故 91 82 77 60 71 25gm 乙酸乙酯 91 82 17 30 15 88gm 乙醇 91 82 71 25 15 88 4 96gm水 对其余各组实验采用相同的处理 可得到以下表格 表 7 精馏塔顶 塔釜及原料中各组分组成表 组分含量水 g 乙醇 g 乙酸 g 乙酸乙酯 g 原料080 1080 600 塔顶4 9615 88071 25 塔釜13 7612 3513 8015 82 7 2 1对乙醇进行物料衡算对乙醇进行物料衡算 乙醇的量 塔顶乙醇质量 塔釜乙醇质量 乙醇反应质量 80 10 15 88 12 35 乙醇反应质量 故 乙醇反应质量 51 87g n乙醇 51 87 46 1 13mol 7 2 2乙酸进行物料衡算乙酸进行物料衡算 乙酸的量 塔顶乙酸质量 塔釜乙酸质量 乙酸反应质量 80 60 0 13 80 乙酸反应质量 故 乙酸反应质量 66 80g n乙酸 66 8 60 1 11 mol 可以知道 理论上乙醇和乙酸的反应量应为 1 1 上述计算基本满足 1 1 7 2 3计算反应收率及转化率计算反应收率及转化率 对于间歇过程 可根据下式计算反应转化率 转化率 乙酸加料量 釜残液乙酸量 乙酸加料量 80 60 13 80 80 6 82 88 8 71 25 15 82 88 80 60 60 收率 生成乙酸乙酯量 乙酸加料量相对应生成的乙酸 乙酯量 100 73 65 选择性 收率 转化率 0 7365 0 8288 88 87 八 八 结果分析及讨论结果分析及讨论 1 该反应先进行 15 分钟的全回流操作 目的是润湿塔内填料 为后面进行 更全面的传质 2 取样时三个取样口一定要同时进行 这样色谱分析的结果才有可比性 3 由数据可以看出 随着塔高度的增加 样品中乙酸乙酯和水的含量是递 增的 乙醇的量递减 因为酯 水和乙醇三元恒沸物的沸点低于乙醇和乙酸的 沸点 4 为保证停留时间的一致 进样和点击开始的时间尽量一致 5 在称取釜残液的质量时 必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液 九 九 思考题思考题 1 怎样提高酯化收率 怎样提高酯化收率 答 对于酯化反应 CH3COOH C2H5OH CH3COOC2H5 H2O 为可逆反应 一般情况下 反应受平衡的影响 转化率受平衡影响至多维持在平衡转化的附 近 但是可以通过减小一种生成物的浓度 使平衡向有利于提高转化率的方向 进行 反应精馏可以使生成物中高沸点或者低沸点物质从系统中连续的排出 使结果超过平衡转化率 大大提高效率 2 不