反应精馏实验

反应精馏法制醋酸乙酯实验目的1.掌握反应精馏的原理及特点。2.掌握反应精馏的操作。3.学会塔操作过程分析。4.了解反应精馏与常规精馏的区别。5.掌握用气相色谱分析有机混合物料组成。实验原理精馏是化工生产过程中重要的单元操作，是化工生产中不可缺少的手段，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。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。两者同时存在，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）可逆反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物存在，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，大大提了效率。（2）异构体混合物分离。通常它们的沸点接近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体混合中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在反应过程中得以分离。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，单独采用反应精馏操作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。反应随浓度增高而加快，浓度在0.2~1.0%（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、在酸催化剂作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为：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。本实验采取间歇操作方式从塔釜直接进料，塔釜作为反应器，生成酯和水，塔体起到精馏作用。塔内此时有乙醇、乙酸、乙酸乙酯和水4组元。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其他三个组分形成三元或二元共沸物。水-酯，水-醇水-醇-酯共沸物沸点较低（70-79℃），醇和酯能不断的从塔顶排出。若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。三．实验装置实验装置如下图所示。反应精馏塔用玻璃制成，直径20mm,塔高1500mm，塔内填装φ3×3mm不锈钢θ网环型填料（316L）。塔釜为四口烧杯，容积500ml，塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜置于500W电热包中。采用XCT—191，ZK—50可控硅电压控制器控制釜温。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。四．实验步骤1．开塔顶冷却水。2．检查进料和出料系统是否处于正常状况。3．向釜内填加500ml（乙醇与乙酸的摩尔比为1.5）酸醇混合液和0.03摩尔的浓硫酸。4．开始升温。升温时，先开启总电源开关，开启测温开关，温度显示仪表有数值出现，开启釜热控温开关，仪表有显示。调节釜热温度控制仪到270℃。当釜开始沸腾时，打开上、中、下段保温电源，当各段的温度达到稳定值时，设定保温温控仪器的温度与之相同。升温后观察塔釜和塔顶温度变化，直至塔顶有蒸汽并有回流液体出现。5．稳定全回流20分钟后，启动部分回流操作（有回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例，即通电时间与停电时间的比值，通常使以秒计，此比例即采出量与回流量之比），按回流比3：1~7：1的速度出料。出料后观察塔釜和塔顶的温度与压力，测量塔顶的出料速度。并分析塔顶和塔釜的组成。6．改变回流比，重复（5）的操作7．在完成回流比变化实验后停止加热，分析塔顶和塔釜（温度降下来后）的成分并称量。关掉电源的总开关，并使各按钮归位。关掉冷却水。用水冲洗塔设备，以除去残余的物料。根据所记录的数据，计算醋酸的转化率和乙酸乙酯收率。五．注意事项1．必须先通冷却水，以防止塔头炸裂2．不要随意动操作面板上的按扭。六．数据处理乙醇：500ml，乙酸：350ml，浓硫酸2ml表1、塔顶取样质量回流比R3:14:15:16:17:1塔顶液体质量m2/g25.367.7101.171.3145实验原始数据记录：乙醇：500ml，乙酸：350ml，浓硫酸2ml回流比R3:14:15:16:17:1空瓶质量m1/g239210.5147.7149.9146塔顶+空瓶质量m2/g433.1293224.1241.5198塔顶液体质量m2/g194.182.576.491.652回流比为3:1的塔顶气相产品分析图------------------------------------------------------------------------------------------序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型------------------------------------------------------------------------------------------10.25975041959020.93%0.742BV20.94843161141218.10%0.742VB34.07283944671960.96%2.097BB峰数量：3总峰面积：465764000E-3总含量=100%回流比为4:1的塔顶气相产品分析图------------------------------------------------------------------------------------------序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型------------------------------------------------------------------------------------------10.2571682137408.70%0.738BV20.842906723487735.28%1.543VB33.72461630997856.02%2.513BB峰数量：3总峰面积：823984000E-3总含量=100%回流比为5:1的塔顶气相产品分析图------------------------------------------------------------------------------------------序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型------------------------------------------------------------------------------------------10.1751656250.89%0.154BV20.27764131095013.16%0.663VV30.911321211701522.75%0.85VB43.88367113829063.21%2.428BB峰数量：4总峰面积：580812000E-3总含量=100% 回流比为6:1的塔顶气相产品分析图------------------------------------------------------------------------------------------序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型------------------------------------------------------------------------------------------10.254140275898.74%0.648BV20.901101621540023.26%0.763VB33.96321981742467.99%2.216BB峰数量：3总峰面积：473545000E-3总含量=100% 回流比为7:1的塔顶气相产品分析图-----------------------------------------------------------------------------------------序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型------------------------------------------------------------------------------------------10.273242955767.57%0.65BV20.921306211785230.48%0.821VB34.12265508632161.95%2.187BB峰数量：3总峰面积：428558000E-3总含量=100%由以上附图可知，当回流比是5:1时效果最好七．思考题1.不同回流比对产物有何影响？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。如何将本实验得到的粗乙酸乙酯提纯得到无水乙酸乙酯？请查阅有关文献，提出工业上可行的方法，并设计实验方案。答：将温度为75℃～78℃，含有水、乙酸、乙醇的粗乙酸乙酯从精馏塔中部进入塔内，形成乙醇、水和乙酯三元共沸物；三元共沸物精馏后在塔顶得到含有乙醇、水和少量乙酸乙酯的头油，塔底得到含有乙酸的残留液，