反应精馏法制乙酸乙酯

1、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

2、，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

3、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：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：反应速率方程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3

4、×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、丙酮和蒸馏水。 四，实验步骤称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，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0.2A，开启塔顶冷凝水。每10min记下温度。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

5、流比为R=3:1（别忘了开小锤下边的塞子），25min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。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、实验数据记录设备编号：3号表1.物料称重总重/g空瓶重量/g物料重/g原料乙酸74.10 原料乙醇74.21 塔顶馏出液160.2126.13 34.07 塔底馏出液176.9878.61 98.37 浓硫酸加入量：3滴表2.实验记录： 时间塔顶温度/塔釜温度9:1519.818.49:252081.79:3066.380.39:356

6、7.579.49:4567.577.59:5567.476.49:57开启回流比采出10:0567.475,810:1567.675.610:2567.475.910:3567.376.4表3.色谱分析条件：气相色谱分析条件质量相对校正因子汽化温度/120乙酸1.52检测温度/120乙醇1柱箱温度/125水0.7柱前压1/Mpa0.02乙酸乙酯1.74柱前压2/Mpa进样量/l0.2桥电流/Ma100衰减5H2流量/ml/min90表4.色谱分析结果分析物料样品号组分保留时间min峰面积峰面积百分含量%第一次取样1（上）水0.339310187.2385乙醇0.74210338624.1080

7、1乙酸乙酯2.95229444268.659152（中）水0.116283736.83967乙醇0.5199965324.02237乙酸乙酯2.74128680769.137953（下）水0.326269486.40653乙醇0.72511427827.1652乙酸乙酯2.96227870066.25757第二次取样1（上）水0.334340526.79176乙醇0.73810903021.74613乙酸乙酯2.88835829471.462112（中）水0.399303218.37935乙醇0.8128303122.94592乙酸乙酯3.0824850468.674733（下）水0.5172

8、93136.69329乙醇0.9211845827.04832乙酸乙酯317769塔顶馏出液1水0.326260417.48321乙醇0.7426832519.60831乙酸乙酯2.99625352672.854692水0.316305137.62305乙醇0.737817319.52978乙酸乙酯2.94729145472.80813塔釜馏出液1水0.4344780218.02997乙醇0.85110061537.94996乙酸1.932173496.54363乙酸乙酯3.3719887537.293492水0.3094832016.14366乙醇0.7310605

9、135.43147乙酸1.7914011313.40164乙酸乙酯3.24210482935.02322六、实验数据处理1、计算塔内浓度分布已知：f水=0.7 ；f醇=1.000；f酸=1.52；f酯=1.74 且以第一次取样塔体中部液体的含量作为计算举例：由于乙酸的沸点较高，加热温度并不能达到其沸点，因此乙酸只存在于塔釜中，塔体中部只有三个组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。x水=A水f水Aifi=28373×0.728373×0.7+99653×1+286807×1.74=0.0321x醇=A醇f醇Aifi=99653×128373×0.

10、7+99653×1+286807×1.74=0.1611x酯=A酯f酯Aifi=286807×1.7428373×0.7+99653×1+286807×1.74=0.8068对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：表5 塔不同位置各组分含量取样次数第一次取样第二次取样取样位置塔上部塔中部塔下部塔上部塔中部塔下部水含量0.0341 0.0321 0.0305 0.0315 0.0396 0.0319 乙醇含量0.1622 0.1611 0.1849 0.1442 0.1547 0.1841 乙酸乙酯含量0.8037 0.8068

11、0.7846 0.8243 0.8057 0.7840 由表中数据作作图：图3 第一次取样塔不同位置各组分含量图4 第二次取样塔不同位置各组分含量2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔顶第一次色谱分析作为计算举例：x水=A水f水Aifi=266041×0.726041×0.7+68325×1+2553526×1.74=0.0345x醇=A醇f醇Aifi=68325×126041×0.7+68325×1+2553526×1.74=0.1295x酯=A酯f酯Aifi=286807×1.7426041×

12、0.7+68325×1+2553526×1.74=0.8360同理可得到其他组色谱分析的数据：表6 塔顶及塔釜两次色谱分析结果由表中数据，可对乙醇和乙酸进行全塔物料衡算：因为塔顶馏出液质量m1=34.07g,塔釜馏出液质量m2=98.37g可由表中数据计算塔顶各组分质量：m水=m1×x水=34.07×0.0349=1.1882gm醇=m1×x醇=34.07×0.1292=4.4008gm酯=m1×x酯=34.07×0.8360=28.4808g同理可得塔釜各组分质量如下表所示： 表7 全塔物料衡算数据取样位置塔顶塔

13、釜水质量/g1.18829.2908乙醇质量/g4.400828.4942乙酸质量/g0.000011.7259乙酸乙酯质量/g28.480848.8591乙醇总量=塔顶乙醇量+塔釜乙醇量+乙醇反应量74.21=4.4008+28.4942+乙醇反应量所以乙醇反应量=41.315gn醇=41.315/46=0.8982mol乙酸总量=塔釜乙酸量+乙酸反应量74.1=11.7259+乙酸反应量所以乙酸反应量为62.3741gn酸=62.3741/60=1.0396mol由方程CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O可知：反应所用乙酸跟乙醇的比为1：1显然计算得到的数值明显大

14、于1：1误差分析：实验中在对塔釜馏出液进行色谱分析时，两次数据偏差较大，但由于馏出液已回收，无法再次进行色谱分析，故处理数据所用的平均值与实际有偏差。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/乙酸加料量 =（74.1-11.7259）/74.1 =84.18 %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% =（28.4808+48.8591）/8874.1/60×100%=71.16%选择性=收率/转化率=71.16%/84.18%=84.53%七、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

15、使用微量进样器进样时速度尽量要快。为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。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。八、思考题1. 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。2. 不同回流比对产物分布影响如何？ 答：当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度会增加。3. 采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？ 答：釜内进料，应保证在釜沸