反应精馏制乙酸乙酯

1、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

2、，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。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

3、，反应只在塔釜内进行。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。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组分进行物料衡算如下（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： 三、实验装置及实验流程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，

4、塔内填装3×3mm不锈钢填料(316L)，填料高度1400mm。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、蒸馏水。 四、实验步骤1 称取乙醇、乙酸各75g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中滴加23滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源0.1A，开启塔顶冷凝水。每10min记下温度。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

5、流，调整回流比为R=3:1（别忘了开小锤下边的塞子），30min后，用微量注射器在1，3，5三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。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，关上电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。五、实验原始数据记录表 实验时由于操作失误，误将废液当做乙醇加入反应釜，导致实验彻底失败，数据无法处理。故不得不采用他组数据，所用数据为第四组李远，吴刚等三人数据，所用原始实验数据见李远。本组实验原始数据记录表见最后。六、实验数据处理及举例1、计算塔内浓度分布已知： f水=0.3920；f醇=1.0000 f酸=0.5389

6、f酯=1.5264 且故以11：00精馏塔上段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=A水f水Aifi=6270×0.3926270×0.392+18709×1.0000+61131×1.5264=2.147%x醇=A醇f醇Aifi=18709×1.00006270×0.392+18709×1.0000+61131×1.5264=16.343%x酯=A酯f酯Aifi=61131×1.52646270×0.392+18709&#

7、215;1.0000+61131×1.5264=81.510%对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：表1：侧线采出样品的色谱分析结果组分水乙醇乙酸乙酯10:30上段（1100mm）峰面积百分比A1%5.9866823.6753270.338质量百分比w10.0175940.17749480.804911中段（670mm）峰面积百分比A2%1.3061825.469272.22462质量百分比w20.0037590.18696440.809277下段（230mm）峰面积百分比A3%6.362232.3313261.30649质量百分比w30.0194230.25179460.7

8、2878211:00上段（1100mm）峰面积百分比A1%7.2811721.7269670.99187质量百分比w10.0214690.16343040.8151中段（670mm）峰面积百分比A2%5.4536524.113870.43255质量百分比w20.0159830.18027680.803741下段（230mm）峰面积百分比A3%5.9866823.6753270.338质量百分比w30.0175940.17749480.804911 根据上表分别绘制出10：30和11:00各个组分塔内分布，如下图所示。图2：10:30塔内各组分浓度分布图图3：11:00塔内各组分浓度分布图如图所

9、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，水在全塔含量大致相同。随时间增加，产物含量逐渐增加，反应物含量逐渐减少，反映了反应精馏可以起到分离产物和提高反应程度的作用。2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算塔顶产品的质量：m顶=165.3-126=39.3g塔釜产品质量：m釜=177.53-78.67=98.86g以塔顶产品分析作为计算举例：x水=A水f水Aifi=7.843815×0.3927.843815×0.392+19.68703×1.0000+72.46916×1.

10、5264=2.3053%x醇=A醇f醇Aifi=19.68703×1.00007.843815×0.392+19.68703×1.0000+72.46916×1.5264=14.760%x酯=A酯f酯Aifi=72.46916×1.52647.843815×0.392+19.68703×1.0000+72.46916×1.5264=82.9345%其他数据计算同理，计算结果如下表3：塔顶、塔釜产品色谱分析结果组分水乙醇乙酸乙酯塔顶产品峰面积百分比A41%7.8716619.684472.44395峰面积百分比A42

11、%7.8159719.6896672.49437平均峰面积百分比A4%7.84381519.6870372.46916质量百分比w40.0230530.14760250.829345塔釜产物峰面积百分比A51%16.4859735.744417.5758330.1938峰面积百分比A52%15.4581734.146320.899429.49613平均峰面积百分比A5%15.9720734.9453519.2376229.84497质量百分比w50.0644610.35978320.1067360.469023、物料衡算（1）塔顶产品中：水：m水=m水×x水=39.3×0.

12、023053=0.906g                 乙醇：m醇=m醇×x醇=39.3×0.1476025=5.80g              乙酸乙酯：m酯=m酯×x酯=39.3×0.829345=32.59g  

13、60;（2）塔釜产品中：水：m水=m水×x水=98.86×0.064461=6.37g              乙醇：m醇=m醇×x醇=98.86×0.3597832=35.56g      乙酸：m酸=m酸×x酸=98.86×0.106736=10.55g      

14、0;   乙酸乙酯：m酯=m酯×x酯=98.86×0.46902=46.36g                     反应中产生的乙酸乙酯=32.5946.36=78.95g    消耗的乙醇78.95×46/88=41.27g    消耗的乙酸78.95×

15、60/88=53.83g 理论上剩余乙醇75.4541.2734.18g     实际剩余乙醇5.80+35.5641.36g         理论上剩余乙酸75.6753.8321.84g     实际剩余乙酸10.55g     原料总质量75.4575.67150.12g     产物总质量98.863

16、9.3138.16g    4、转化率及收率的计算乙酸转化率=乙酸加料量-釜残液乙酸量/乙酸加料量×100%=(75.67-98.86×0.106736)/75.67×100%=86.01%；乙醇转化率=乙醇加料量-釜残液乙醇量/乙醇加料量×100%=(75.45-98.86×0.3597832)/75.45×100%=52.86%乙酸乙酯的收率=产品乙酸乙酯的物质的量/原料乙酸的物质的量×100% =(39.3×0.829345+98.86×0.46902)/88

17、/(75.67/60)×100% =71.15%七、实验结果分析与讨论1、实验注意事项使用微量注射器在3个不同高度取样，应尽量保持同步。在使用微量进样器进样时速度尽量要快。因水出峰较早，可以先点击开始后进样。在称取釜残液的质量时，尽量等到持液全部流至塔釜后才取釜残液，实验中等到塔釜温度降至50后取样。2、实验误差分析可能是有部分液体残留在精馏塔中所致。可能是色谱分析中出现的误差所致。3、反应精馏的优点由于该反应是一个放热反应，反应精馏可以利用这部分能量推动精馏的进行，很大程度上的达到节能的效果；将精馏和反应过程耦合起来大大节省了空间和设备；破坏了可逆反应平衡，增加了反应的选择性和转化

18、率，使反应速度提高，从而提高了生产能力。八、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？成醚反应，水解反应，加成反应，醇脱水反应，苯取代反应，聚合物合成反应。2、连续反应精馏应怎样操作？简单叙述流程。连续精馏在塔某处或塔釜进料，在塔某处出料，在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（称为釜残液）；部分液体被汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器被全部冷凝，将部分冷凝液用泵（或借重力作用）送回塔顶作为回流液体，其余部分作为塔顶产品（称为馏出液）采出。3、采用固体催化剂时，实验室和工业塔怎么装填？捆包式包装结构；将催化剂装在规整填料的夹层中；将催化剂装在塔板上的固定容器中；催化剂与填料混装的结构4、怎样提高酯化收率？ 答：对于本实验CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O是可逆反应，为提高酯化反应的收率，可以通过减小一种生成物的浓度，或者用反应精馏的方法，使生成物中高沸点或者低沸点的物质从系统中连续的排出，是平衡向生成产物的方向移动，以提高酯化收率。5、不同回流比对产物分布影响如何？ 答