实验一反应精馏制乙酸乙酯

..试验一反响精馏法制乙酸乙酯一、试验目的了解反响精馏是既听从质量作用定律又听从相平衡规律的简洁过程。把握反响精馏的操作。能进展全塔物料衡算和塔操作的过程分析。了解反响精馏与常规精馏的区分。学会分析塔内物料组成。二、试验原理反响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响现象。〕可逆平衡反响。一般状况下，反响受平衡影响，转化率只能维护在平衡转化的水平；但是，假设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〔2〕异构体混合物分别。通常因它们的沸点接近，靠一般精馏方法不易分别提纯，假设异构体中某组分能发生化学反响并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分别。对于本试验来说，适于第一种状况，但但该反响假设无催化剂存在，单独承受反响精馏存在也达不到高效分别的目的，这是由于反响速度格外缓慢，故一般都用催化反响方式。酸是有效的催化剂，常用硫酸。反响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，在全塔内都能进展催化反响，而应用固体催化剂则由于存在一个最适宜的温度，精馏塔本身难以到达此条件，故很难实现最正确化操作。本试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响。反响的方程式为：CHCOOH+CHOHCH COOCH+HO3 2 5 3 2 5 2试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。可认为反响精馏的分别塔也是反响器。假设承受塔釜进料的间歇式操作，反响只在塔釜内进展。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。本试验承受间歇式进料方式，物料衡算式和热量衡算式为：物料衡算方程ji组分进展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：反响速率方程热量衡算方程对平衡级进展热量衡算，最终得到下式：三、试验装置示意图试验装置如图2所示。反响精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装φ3×3mm不锈钢填料(316L)。塔外壁镀XCT-191，ZK-50可控硅电压把握釜温。塔顶冷凝液体的回流承受摇摆式回流比把握器操作。此把握系统由塔头上摆锤、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、试验步骤称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过1g2~3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记录一次塔顶、塔釜温度和各加热元件电流。〔翻开收集旋塞〕，20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进展色谱分析，30min后，再取一次进展色谱分析，取样时尽可能保证同步。〔色谱分析时取0.2μl样品注入色谱，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用〕将加热和保温开关关上，取出产物和塔釜原料，称重，进展色谱分析，分别重复分析两次〔当持液全部回流至塔釜后再取塔釜残液〕关闭回流，关闭冷凝水及塔釜及塔身加热电源，将废液倒入废液瓶，整理试验台。五、试验数据记录原始数据记录：表1 试验仪器原始数据记录表塔顶温度C釜控温度C14：4918.419.40.10.40.114：5918.585.20.10.40.115:0966.084.30.10.40.115:1966.282.80.10.40.115:2966.182.00.10.40.115:3966.281.70.10.40.115:4966.181.70.10.40.115:5966.281.70.10.40.116:0966.081.90.10.40.116:1966.182.30.10.40.1时间mA注：15:05开头全回流；15:20开头局部回流；15:41第一次取样；16:11时间mA取样次数塔身第一次表2 取样次数塔身第一次取样位置峰号停留时间min面积/面积百分比/%上10.871987616.8375421.4001618627.5963934.3573259155.56607中10.57136975.4055821.0821905127.8553433.9314564466.73908下10.45925475.5650320.9821321628.8738433.9813000765.5611310.51442616.7667721.0341633725.9418533.9194233767.2913810.36646206.5902620.8921682524.0023433.7444865469.4074110.37143756.3777620.8841880027.4082133.7374541866.2140210.35144166.7436020.8761453422.1940233.7144653771.0623810.34845577.6879920.8741332222.4734033.7644140069.8386210.756574615.6673321.2901280734.9232432.900961326.2139344.548850723.1955010.343964515.7841820.8712075433.9638032.4641668927.3116644.0801401822.94035上中塔身其次次下塔顶上中塔身其次次下塔顶第一次塔顶其次次塔釜第一次塔釜其次次载气柱前压载气柱前压0.05Pa桥电路100A汽化室温度100C柱箱温度126C进样量0.2L检测器温度126CF相对校正因子=0.7628水F =1.2591乙酸乙酯F =1乙醇F =1.4052乙酸表4 原料原始数据记录表原料原料乙酸乙醇原料质量/g79.6379.30分子量60.0546.07质量分数/%>99.5%>99.5%注：乙酸乙酯的分子量为88.11表5 产品原始数据记录表取出位置塔顶塔釜

空瓶质量/g61.9289.96

瓶与产品质量/g 产品(乙酸乙酯)质量/g109.92 48.00193.52 103.56数据处理：塔内各物质质量浓度分布的计算表6 精馏过程数据处理表水11.633上段乙醇24.996乙酸乙酯63.371水3.554中段乙醇24.011乙酸乙酯72.434水3.670下段乙醇24.963乙酸乙酯71.367水4.456上段乙醇22.396乙酸乙酯73.147水4.318中段乙醇20.617乙酸乙酯75.065水4.207下段乙醇23.701乙酸乙酯72.092取样次数取样位置物质组分质量百分数/%取样取样次数取样位置物质组分质量百分数/%取样取样依据公式x

fA% ii

且计算各组分的质量分数i fA%ii以其次次取样的中段醇为例由于乙酸的沸点较高，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。3知：相对校正因子：f

=0.7628；f水

=1.000；f乙醇

=1.4052乙酸f A %x 乙醇 乙醇乙醇 fA%ii 124.00234% 0.76286.59026%124.00234%1.259169.40741% 20.617%6。塔产品质量浓度分布的计算位置物质%组分质量百分数/%位置物质%组分质量百分数/%塔顶塔釜水7.2157954.722934乙醇22.3337119.16363乙酸乙酯70.450576.11343水15.7257610.60704乙醇34.4435230.45646乙酸26.7628033.25381乙酸乙酯23.0679325.68270塔内浓度分布表〔据表6数据得：w1w2w1w2w1w21210) 8(w6

24)23(w224 212200 400 600 800 1000

20200 400 600 800 1000 1200H(mm) H(mm)图一水的质量分数分布图 图二乙醇的质量分数分布图w1w1w2747270(w68666462200 400 600 800 1000 1200H(mm)图三乙酸乙酯的质量分数分布图乙酸乙酯反响收率和转化率的计算m4m

79.63gM 79.30gM

60.05g/mol 46.07g/molM乙酸乙酯

88.11g/mol化学反响方程式为：CHCOOH+CHOH CHCOOCH+HO3 2 5 3 2 5 2本试验中，由于乙醇是过量的，因此用乙酸进展计算。理论上乙酸全部反响：m乙酸乙酯理论量m乙酸乙酯实际量

79.6388.11/60.05116.839g 48.0076.11343%103.5625.68270% 36.53426.597 63.131g其中有26597g存留在塔釜中，故反响收率为：m乙酸乙酯实际塔顶量

/m乙酸乙酯理论量

100% 36.534/116.839100% 31.269%m

103.5633.25381% 34.438g剩余乙酸乙酸转化率＝[乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量=〔79.63—34.438〕/79.63×100%=56.752%全塔物料衡算乙酸的全塔物料衡算：以全塔为争论对象，物料守恒应有：乙酸加料量=釜残液乙酸含量+反响的乙酸量乙酸加料量=79.63g釜残液乙酸含量=103.56×33.25381%=34.438g反响掉乙酸量=M ×m /M =60.05×63.131/88.11=43.026g乙酸 乙酸乙酯实际 乙酸乙酯釜残液乙酸含量+反响的乙酸量=34.438+43.026=77.464g≈乙酸加料量=79.63g相对误差：(79.63-77.464)/79.63=2.720%由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒乙醇的全塔物料衡算：以全塔为争论对象，物料守恒应有：乙醇加料量=反响的乙酸量+乙醇剩余量乙醇加料量=79.30g反响掉乙醇量=M ×m /M =46.07×63.131/88.11=33.009g乙醇 乙酸乙酯实际 乙酸乙酯乙醇剩余量=塔顶蒸发掉乙醇量+釜残液乙醇含量=48.00×19.16363%+103.56×30.45646%=40.739g所以故反响掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g≈乙醇加料量=79.30g79.30-73.748〕/79.30=7.001%由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒六、试验结果与争论及改进试验的建议由塔浓度分布图，可知随着塔高的增大，全塔内，乙醇的质量浓度随之减小，产物乙酸乙酯的质量浓度随之增大。这是由于水-乙酸乙酯形成的共沸物具有较低的沸点，属于轻组分，通过精馏主要存在于塔的较高处，水-乙醇属于重组分，主要存在于塔较低处。乙酸11880℃无法使乙酸蒸发进入塔内。数据图中，第三组数据点不符合变化规律，可能缘由是：①色谱分析取样时，3个不同高度不同步。其中一次取样由于取样不慎洒出，导致重取样，色谱在其次次分析时突然断电，导致重取样，并且取样到分析期间等待时间过长、局部样品挥发影响组成。②首次进展色谱分析操作，操作不生疏，不能保证停留时间的全都，应进样和点击开头的时间尽量全都。2、由反响结果知反响转化率较高但收率并不高，也就是生成的乙酸乙酯一局部还留在塔釜中，未精馏至塔顶。通过与其他组进展结果比较得出，这可能是试验过程中精馏时间不够，导致精馏不完全。3、在计算收率和转化率时，反响前后乙酸和乙醇质量相差不大，在误差允许范围内，符合质量守恒定律。试验结果造成误差的缘由可能是：①在测量质量时，产品有一局部挥发，未考虑物质损耗，造成试验有所误差。②精馏塔内存在持液量，无法测量。③有可能是色谱分析中消灭的误差所致七、符号说明Fj—－j板进料量hj――j板上液体焓值Hj—－j板上气体焓值Hf,j —－j板上原料焓值Hr,j—－j板上反响热焓值Lj—－j板下降液体量Ki,j—－i组分的汽液平衡函数Pj—－j板上液体混合物体积〔持液量〕Ri,j—－单位时间ji组分反响量Vj—－j板上升蒸汽量Xi,j—－ji的液相摩尔分数Yi,j—－ji的气相摩尔分数Zi,j—－ji组分的原料组成θi,jj板上的体积Qj—－j板上冷却或加热的热量八、思考题1、怎样提高酯化收率？答：由试验数据可以看出，乙酸乙酯有很大一局部残存在塔釜废液中，因此，可以通过增加回流比的方法提高收率。同时，从热力学角度来看，可以通过提高乙醇的用量，使反响平衡向右移动，从而提高乙酸乙酯的产量。另外，增加精馏时间，可使易挥发组分在塔顶的含量增加，削减酯的损失等，都可以在不同程度上提高酯化收率。2、不同回流比对产物分布影响如何？R=L/D，其中，L表示精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量，D表示塔顶产品流量。操作中精馏塔的分别力气主要取决于回流比的大小，转变回流比，是调整精馏塔操作的便利而有效的手段。增大回流比，可以提高产品纯度，削减分别所需的理论板数，使得产物分布较窄，反之产物分布较宽。但增