天津大学反应精馏法制乙酸乙酯

1、化工专业实验报告实验名称：反应精馏组号：11实验人员：同组人：实验地点：天大化工技术实验中心624室实验时间：2014年4月18日指导教师：李老师班级/学号：学号：实验成绩：反应精馏法制乙酸乙酯1、 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。2、 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。此法在酯化、醚化、酯交换、水解等化工生产中得到应用，而且越来越显示其优越性。反应

2、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。因此，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。对醇酸酯化反应来说，适于第一种情况。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

3、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0.21.0%(wt)。此外，还可用离子交换树脂，重金属盐类和丝光沸石分子筛等固体催化剂。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

4、者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。若用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。具体地说，乙酸从上段向下段移动，与向上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应，生成酯和水。塔内此时有4组分。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。水酯，水醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。因此，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

5、酸乙酯。全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述：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.热量衡算方程对平衡级进行热量衡算，最终得到下式： 3、 实验装置及试剂实验装置如图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、

6、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。4、 实验步骤1. 用电子天平称量乙醇、乙酸各80g，加入塔釜内，再在其中加入几滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源至0.2A。开启塔顶冷凝水。并且每10分钟记录一次电流和温度的数据。2. 当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作。15分钟后，设定回流比为3:1（别忘了开小锤下边的塞子），开启回流比控制电源。此时时间为15：30 。之后每隔10分钟记录一次数据。3. 20min后，用微量注射器在上段、中段、下段三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。4.到16：40时

7、，关闭塔釜及塔身加热电源、回流比及冷凝水。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）两次，关闭总电源。五、注意事项1.注意电子天平的量程，称量物品总质量一定不能大于电子天平的量程，否则容易损坏天平。2.塔身保温电源可以没有，但是不能过大，因为它只需起到保温的作用，如果电流过大将使塔身加热。3.在向塔釜中加完浓硫酸之后左手要拖着盖子的铁圈，右手旋转盖子即可盖严，注意用力不要过大，否则盖子容易打不开。4.我们组在实验过程中发现塔釜的气味很大，及时告诉老师，老师经过处理之后问题得以解决，但是物料损失很大。5.关于微型注射器：用微型注射器取液时一定要洗涤数次再将液体取出；抽取

8、液体时一定注意用力不宜过猛，否则会使注射器的细钢丝变弯，导致不能使用；取出的液体大约在10微升左右，不要只用1微升就只取1微升；向气相色谱仪打入液体时速度既不要过快也不要过慢，过快会导致钢丝变弯，过慢会造成多次进样，引起误差。七、实验数据处理1、计算塔内浓度分布已知：f水=0.3929；f醇=1.0000；f酸=0.5389；f酯=1.5264 且故以16：20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=144160.3929（144160.3929+456181+1316341.5264）=2.246%X乙醇=456

9、181（144160.3929+456181+1316341.5264）=18.087%X乙酸乙酯=1316341.5264（144160.3929+456181+1316341.5264）=79.667%对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：取样时间为15：50组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量（%）2.2082.2842.734 乙醇含量（%）18.92519.586 22.992 乙酸乙酯含量（%）78.86778.13074.274表9：取样时间为15：50含量分析结果图3：取样时间为15：50含量在塔内的分布图取样时间为16：20组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量

10、（%）2.246 2.2562.685乙醇含量（%）18.08717.57921.295乙酸乙酯含量（%）79.66780.16576.020表10：取样时间为16：20含量分析结果图4：取样时间为16：20含量在塔内的分布图如图所示，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，水在精馏塔中部含量最多。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。2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔顶（1）色谱分析作为计算举例：X水=124270.3929（124270.3929+2986

11、41+1025211.5264）=2.547%X乙醇=29864（124270.3929+298641+1025211.5264）=15.617%X乙酸乙酯=1025211.5264（124270.3929+298641+1025211.5264）=81.835%组分塔顶（1）塔顶（2）塔釜（1）塔釜（2）水含量（%）2.5472.53110.5889.870乙醇含量（%）15.61715.59338.268 37.928乙酸含量（%）-6.705 9.256乙酸乙酯含量（%）81.83581.87750.38351.195表11：塔顶及塔釜两次色谱分析结果由上表可知塔顶产品含量平均值 水 2

12、.539%， 乙醇 15.605%，乙酸乙酯 81.856%；塔釜产品含量平均值 水 10.229%，乙醇 38.098%， 乙酸 7.981%，乙酸乙酯 50.789%。且已知塔顶流出液的质量为45.86g，故：M水=m总x水=45.862.539%=1.164gM乙醇=m总x乙醇=45.8615.605%=7.156gM乙酸乙酯=m总x乙酸乙酯=45.8681.856%=37.539g对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：组分塔顶塔釜水g1.1649.024乙醇g7.15633.610乙酸g-7.041乙酸乙酯g37.53944.806因此对乙醇进行物料衡算：乙醇的量=塔顶乙醇质量

13、+塔釜乙醇质量+乙醇反应质量80.00=7.156+33.610+乙醇反应质量故：乙醇反应质量=39.234gn乙醇=39.234/46=0.853mol对乙酸进行物料衡算：乙酸的量=塔顶乙酸质量+塔釜乙酸质量+乙酸反应质量80.00=0+7.041+乙酸反应质量故：乙酸反应质量=72.959gn乙酸=72.959/60=1.216mol可以知道，理论上乙醇和乙酸的反应量应为1：1，可能是因为有部分液体残留在精馏塔中，也可能是因为色谱分析存在误差所致，还有就是实验过程中乙酸大量挥发，导致乙酸剩余过少。3、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/

14、乙酸加料量 =（80.00-7.041）/80.00 =91.20 %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% =37.53988/（8060）=31.99% 选择性=收率/转化率=31.99%/91.20%=32.50%八、误差分析误差较大应该主要是由于未知原因，乙酸大量挥发，虽然经过老师处理后及时阻止了其挥发，但经计算说明，导致了选择性很低。还可能是有部分液体残留在精馏塔中和色谱分析中出现的误差所致。九、符号说明Fj j板进料量h j j板上液体焓值H j j板上气体焓值H f j j板上原料焓值H r j j板上反应热焓值L j j板下降液体量K i,j i组分的

15、汽液平衡函数P j j板上液体混合物体积（持液量） R i,j 单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量V j j板上升蒸汽量X i,j j板上组分i的液相摩尔分数Y i,j j板上组分i的气相摩尔分数Z i,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5 Qj j板上冷却或加热的热量十、思考题1. 试查文献找出除乙酸乙酯反应精馏外，还有那些产品能用反应精馏法制的？ 答：甲缩醛、异丙苯、丁酸酐等。2 怎样提高连续酯化反应的收率？ 答：采用连续式操作，即是在塔的某处进料。在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。具体地说，乙酸从上段向下段移动，与向上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应，生成酯和水。塔内此时有4组分。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。水酯，水醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。3. 不同回流比对产物分布影响如何？ 答：当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度比回流比小时要大，但当回流比过大时，传质推动力减小，理论塔板数增大，需要的投资增加。4.采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高