反应精馏法制乙酸乙酯

1、一、实验目的1 .理解反应精馏是遵循质量作用规律和平衡规律的复杂过程。2 .掌握反应精馏的操作。3 .能进行全塔物料平衡计算和塔操作的流程分析。4 .了解反应精馏和普通精馏的不同。5 .学习分析塔内的材料组成。二、实验原理反应精馏过程与一般精馏不同，有精馏物理相变的传递现象和物质改性的化学反应现象。 反应精馏特别适用于(1)可逆平衡反应。 一般来说，反应受到平衡的影响，转化率只能维持在平衡转变的水平，但是产物中存在低沸点或高沸点物质时，精馏过程会连续地从系统中排出，结果超过了平衡转化率，效率大幅提高。 (2)异构体混合物被分离。 通常，由于沸点接近，一般的精馏法难以分离纯化，如果异构体中的某些

2、成分发生化学反应，能生成沸点不同的物质，就可以在此过程中分离出来。在本实验中，虽然适合于第一种情况，但该反应如果不存在催化剂，仅通过反应精馏无法进行有效分离，这是因为反应速度非常慢，所以一般使用催化反应方式。 酸是有效的催化剂，经常使用硫酸。 反应精馏的催化剂之所以使用硫酸，是因为催化作用不限于塔内温度，可以在全塔内进行催化反应，而使用固体催化剂的话，存在最佳的温度，精馏塔本身很难实现该条件，所以很难实现最佳操作。 本实验以乙酸和乙醇为原料，在催化作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。 反应方程式如下：CH3COOH C2H5OH CH3COOC2H5 H2O实验的供给有两种方式。 一种是从塔釜直接供

3、给，另一种是向塔的某个地方供给。 前者有间歇和连续的操作，后者只有连续式。 反应精馏的分离塔也被认为是反应器。 如果采用塔釜供给的间歇操作，反应只能在塔釜内进行。 因为醋酸的沸点高，不能进入塔体，所以塔体内有水、乙醇、醋酸乙酯三种成分。本实验采用分批式进给方式，材料平衡式和热平衡式如下项目平衡公式对第j区块理论板上的I成分进行材料横向计算，结果如下气液平衡方程式对于具有平衡水平的成分I的平衡关系如下每个板的组成部分的总和必须满足以下公式：反应速度方程式热平衡计算式对平衡水平进行热平衡计算，最终得到下式三、实验装置的示意图实验装置如图2所示。反应精馏塔是玻璃制的。 在直径20mm、塔高1500m

4、m、塔内填充了33mm的不锈钢填料(316L )。 塔外壁镀有金属膜，通过电流对塔体进行加热保温。 塔釜是玻璃容器，用电加热器加热。 用XCT-191，ZK-50晶闸管电压控制釜温度。 塔顶冷凝液的回流通过摆动式回流比控制器进行操作。 该控制系统在塔上由钟摆、电磁铁线圈和回流比计数刻度盘电子仪表组成。使用的试剂是乙醇、醋酸、浓硫酸、丙酮、蒸馏水。4、实验程序称量乙醇、乙酸各80g，用漏斗注入罐内，使相对误差不超过0.5g，向其中滴加23滴浓硫酸，使罐加热系统为0.4A，罐保温电源为0.2A，加入塔顶冷凝水。 每隔10分钟记录一次温度。塔顶的钟摆上出现液体时，进行全回流操作，全回流15min后，

5、打开回流，调整回流比R=3:1 (不要忘记小槌下的塞子)，25min后，用微注射器在1、3、5处同时采样，对得到的液体进行色谱关闭加热和保温开关，取出生成物和塔釜原料，称量后进行色谱分析，关闭电源，把废液放入废液瓶中，整理实验台。五、实验数据记录设备编号： 3号表1 .项目重量总重量/g空瓶重量/g项目重量/g原料乙酸74.10原料乙醇74.21塔顶馏出液160.2126.1334.07塔底馏出液176.9878.6198.37浓硫酸添加量： 3滴表2 .实验记录：时间塔顶温度/塔釜温度9:1519.818.49:252081.79:3066.380.39:3567.579.49:4567.5

6、77.59:5567.476.49:57打开回流比采集10:0567.4七十五，八10:1567.675.610:2567.475.910:3567.376.4表3 .色谱分析条件：气相色谱分析条件质量相对校正系数气化温度/120乙酸1.52检测温度/120乙醇1柱温度/125水0.7柱前压1/Mpa0.02乙酸乙酯1.74柱前压2/Mpa样品量/l0.2桥接电流/Ma100衰减5H2流量/ml/min90表4 .色谱分析结果项目分析样品编号成分保持时间min峰值面积峰值面积含有率%第一次采样1 (上)水0.339310187.2385乙醇0.74210338624.10801乙酸乙酯2.95

7、229444268.6599152 (中)水0.116283736.838367乙醇0.5199965324.02237乙酸乙酯2.74128680769.13795三(下)水0.326269486.405353乙醇0.72511427827.1652乙酸乙酯2.96227870066.25757第二次采样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3.0824850468.67473三(下)水0.5172931

8、36.69329乙醇0.9211845827.04832乙酸乙酯317769塔顶馏出液1水0.326260417.485321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0.85110061537.949696乙酸1.932173496.545363乙酸乙酯3.3719887537.2936492水0.3094832016.14366乙醇0.731060

9、5135.43147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酒精=1.000； f酸=1.52； f酯=1.74且以第一次采样塔体中央部的液体含量为计算例，如下所示.由于乙酸的沸点高，加热温度达不到沸点，乙酸只存在于塔槽中，塔体的中央部分只存在水、乙醇、乙酸乙酯三种成分。x水=A水f水aifi=283730.72838330.799653128658071.74=0.0321x酒精=A酒精f酒精aifi=99653128373.7996528658071.74=0.1611x酯=A酯f

10、酯aifi=288071.74283730.799653128288071.74=0.8068对剩下的各组实验采用相同的处理，可得到下表表5塔不同位置各成分的含量采样次数。第一次采样第二次采样采样位置。塔的上部塔的正中间塔的下部塔的上部塔的正中间塔的下部含水率0.03410.03210.03050.03150.03960.0319乙醇含量0.16220.16110.18490.14420.15470.1841乙酸乙酯含量0.80370.80680.78460.82430.80570.7840从表格数据绘图：图3第一次采样塔不同位置的各成分的含量图4第二次取样塔的不同位置各成分的含量2 .进行醋

11、酸和乙醇的全塔材料平衡计算塔顶的第一个色谱分析作为计算的例子x水=A水f水aifi=266440.726040.768325125535261.74=0.0345x酒精=A酒精f酒精aifi=68325126040.768325125535261.74=0.1295x酯=A酯f酯aifi=288071.74260410.768325125535261.74=0.8360同样，你可以得到其他组的色谱数据。表6塔顶和塔釜两次色谱分析结果从表的数据可以计算乙醇和醋酸全塔的材料平衡塔顶馏出液质量m1=34.07g，塔釜馏出液质量m2=98.37g从表的数据可以计算塔顶各组的质量m水=m1x水=34.0

12、70.0349=1.1882gm酒精=m1x酒精=34.070.1292=4.4008g克m酯=m1x酯=34.070.8360=28.4808g同样，塔釜各成分的质量如下表所示表7全塔物料平衡计算数据采样位置。塔顶塔釜水质/g1.18829.2908乙醇质量/g4.400828.4942醋酸质量/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乙醇反应量乙醇反应量=41.315g酒精=41.315/46=0.8982摩尔乙酸总量=塔釜乙酸量乙酸反应量74.1=11.7259乙酸反应量乙酸反

13、应量为62.3741gn酸=62.3741/60=1.0396摩尔从方程式CH3COOH C2H5OH CH3COOC2H5 H2O可以看出反应中使用的乙酸与乙醇之比为11明显计算出的数值明显大于1:1误差分析：实验中，对塔釜馏出液进行色谱分析时，2次的数据偏差很大，但馏出液被回收，不能再次进行色谱分析，因此，用于处理数据的平均值与实际不同。3 .计算反应收率和转化率在分批过程中，反应转化率可以根据下式计算转化率=醋酸加入量-釜残液醋酸量/醋酸加入量=(74.1-11.7259)/74.1=84.18 %收率=乙酸乙酯生成量/对应于乙酸供给量的乙酸乙酯生成量*100%=(28.480848.8

14、591 )/8874.1/60100 %=71.16 %选择性=收率/转化率=71.16%/84.18%=84.53%七、实验注意事项请使用微型注射器在3个不同的高度进行采样，尽量使之同步。使用微取样器对样品进行采样时，请尽量加快速度。为了保证停留时间一致，样品和点击开始时间尽可能一致。提到釜残液的质量时，保持液必须全部流入塔釜后再取釜残液。八、思考问题1 .如何提高酯化收率？a :本实验的ch3coohc2h5ohch2c5h2o是可逆反应，为了提高酯化反应的收率，通过降低生成物的浓度，或通过反应精馏将生成物中的高沸点或低沸点的物质从系统中连续排出，平衡向生成生成物的方向移动，从而提高酯化收率2 .不同回流比对产物分布的影响如何？a :回流比变大时，乙酸乙酯的浓度增加。3 .采用釜内进料，操作条件如何变化？ 酯化率会提高吗？a :釜内供给是在釜沸腾条件下供给的，塔内的