实验一反应精馏制乙酸乙酯.docx
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实验一反应精馏制乙酸乙酯
..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，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。
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：
（1）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
（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
（5）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φ3×3mm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
1．称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过1g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中用滴管滴加2~3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。
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，开启回流，设定回流比为R=3:
1（打开收集旋塞），20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析，取样时尽可能保证同步。
（色谱分析时取0.2μl样品注入色谱分析仪，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用）
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，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）
4．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，收拾实验台。
五、实验数据记录
5.1原始数据记录：
表1实验仪器原始数据记录表
时间
塔顶温度
釜控温度
各加热元件电流mA
14：
49
18.4
19.4
0.1
0.4
0.1
14：
59
18.5
85.2
0.1
0.4
0.1
15:
09
66.0
84.3
0.1
0.4
0.1
15:
19
66.2
82.8
0.1
0.4
0.1
15:
29
66.1
82.0
0.1
0.4
0.1
15:
39
66.2
81.7
0.1
0.4
0.1
15:
49
66.1
81.7
0.1
0.4
0.1
15:
59
66.2
81.7
0.1
0.4
0.1
16:
09
66.0
81.9
0.1
0.4
0.1
16:
19
66.1
82.3
0.1
0.4
0.1
注：
15:
05开始全回流；15:
20开始部分回流；15:
41第一次取样；16:
11第二次取样
表2实验过程中取样色谱分析原始数据记录表
取样次数
取样位置
峰号
停留时间min
面积
/
面积百分比/%
塔身第一次
上
1
0.871
9876
16.83754
2
1.400
16186
27.59639
3
4.357
32591
55.56607
中
1
0.571
3697
5.40558
2
1.082
19051
27.85534
3
3.931
45644
66.73908
下
1
0.459
2547
5.56503
2
0.982
13216
28.87384
3
3.981
30007
65.56113
塔身第二次
上
1
0.514
4261
6.76677
2
1.034
16337
25.94185
3
3.919
42337
67.29138
中
1
0.366
4620
6.59026
2
0.892
16825
24.00234
3
3.744
48654
69.40741
下
1
0.371
4375
6.37776
2
0.884
18800
27.40821
3
3.737
45418
66.21402
塔顶
第一次
1
0.351
4416
6.74360
2
0.876
14534
22.19402
3
3.714
46537
71.06238
塔顶
第二次
1
0.348
4557
7.68799
2
0.874
13322
22.47340
3
3.764
41400
69.83862
塔釜
第一次
1
0.756
5746
15.66733
2
1.290
12807
34.92324
3
2.900
9613
26.21393
4
4.548
8507
23.19550
塔釜
第二次
1
0.343
9645
15.78418
2
0.871
20754
33.96380
3
2.464
16689
27.31166
4
4.080
14018
22.94035
表3色谱分析条件表
载气柱前压
0.05
桥电路
100
汽化室温度
100
柱箱温度
126
进样量
0.2
检测器温度
126
相对校正因子
=0.7628
=1.2591
=1
=1.4052
表4原料原始数据记录表
原料
原料质量/g
分子量
质量分数/%
乙酸
79.63
60.05
>99.5%
乙醇
79.30
46.07
>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
空瓶质量/g
瓶与产品质量/g
产品（乙酸乙酯）质量/g
塔顶
61.92
109.92
48.00
塔釜
89.96
193.52
103.56
5.2数据处理：
5.2.1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
取样次数
取样位置
物质
组分
质量百分数/%
第一次
取样
上段
水
11.633
乙醇
24.996
乙酸乙酯
63.371
中段
水
3.554
乙醇
24.011
乙酸乙酯
72.434
下段
水
3.670
乙醇
24.963
乙酸乙酯
71.367
第二次
取样
上段
水
4.456
乙醇
22.396
乙酸乙酯
73.147
中段
水
4.318
乙醇
20.617
乙酸乙酯
75.065
下段
水
4.207
乙醇
23.701
乙酸乙酯
72.092
塔内各物质质量浓度分布的计算举例（表6计算举例）：
根据公式
且计算各组分的质量分数
以第二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。
由表3知：
相对校正因子：
f水=0.7628；f乙醇=1.000；f乙酸=1.4052
同理可以计算得出表6。
5.2.2塔产品质量浓度分布的计算
表7精馏产品数据处理表
位置
物质
色谱平均百分比%
组分质量百分数/%
塔顶
水
7.215795
4.722934
乙醇
22.33371
19.16363
乙酸乙酯
70.4505
76.11343
塔釜
水
15.72576
10.60704
乙醇
34.44352
30.45646
乙酸
26.76280
33.25381
乙酸乙酯
23.06793
25.68270
5.3塔内浓度分布表（据表6数据得）：
图一水的质量分数分布图图二乙醇的质量分数分布图
图三乙酸乙酯的质量分数分布图
5.4乙酸乙酯反应收率和转化率的计算
由表4知各物质：
化学反应方程式为：
CH3COOH+C2H5OH
CH3COOC2H5+H2O
本实验中，由于乙醇是过量的，因此用乙酸进行计算。
釜残液乙酸量：
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%
5.5全塔物料衡算
5.5.1乙酸的全塔物料衡算：
以全塔为研究对象，物料守恒应有：
乙酸加料量=釜残液乙酸含量+反应的乙酸量
乙酸加料量=79.63g
釜残液乙酸含量=103.56×33.25381%=34.438g
反应掉乙酸量=M乙酸×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=60.05×63.131/88.11=43.026g
釜残液乙酸含量+反应的乙酸量=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
5.5.2乙醇的全塔物料衡算：
以全塔为研究对象，物料守恒应有：
乙醇加料量=反应的乙酸量+乙醇剩余量
乙醇加料量=79.30g
反应掉乙醇量=M乙醇×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=46.07×63.131/88.11=33.009g
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
所以故反应掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g≈乙醇加料量=79.30g
相对误差：
（79.30-73.748）/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、实验结果与讨论及改进实验的建议
1.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。
乙酸仅在塔釜液中存在，这是由于乙酸的沸点为118℃，而塔操作的最高温度为80℃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，可能原因是：
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，导致重新取样，色谱分析仪在第二次分析时突然断电，导致重新取样，并且取样到分析期间等待时间过长、部分样品挥发影响组成。
②首次进行色谱分析操作，操作不熟悉，不能保证停留时间的一致，应进样和点击开始的
时间尽量一致。
2、由反应结果知反应转化率较高但收率并不高，也就是生成的乙酸乙酯一部分还留在塔釜中，未精馏至塔顶。
通过与其他组进行结果比较得出，这可能是实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，反应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。
实验结果造成误差的原因可能是：
①在测量质量时，产品有一部分挥发，未考虑物质损耗，造成实验有所误差。
②精馏塔内存在持液量，无法测量。
③有可能是色谱分析中出现的误差所致
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板上反应热焓值
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j板上单位液体体积内i组分反应量
Vj—－j板上升蒸汽量
Xi,j—－j板上组分i的液相摩尔分数
Yi,j—－j板上组分i的气相摩尔分数
Zi,j—－j板上i组分的原料组成
θi,j—－反应混合物组分在j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：
由实验数据可以看出，乙酸乙酯有很大一部分残存在塔釜废液中，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，使反应平衡向右移动，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，减少酯的损失等，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？
答：
回流比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。
操作中精馏塔的分离能力主要取决于回流比的大小，改变回流比，是调节精馏塔操作的方便而有效的手段。
增大回流比，可以提高产品纯度，减少分离所需的理论板数，使得产物分布较窄，反之产物分布较宽。
但增大回流比，要求塔釜产生的蒸汽量相应增加，增大了能耗。
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：
采用侧线进料，并且为连续操作，即持续通入原料。
这样可使反应原料乙酸在全塔范围内分布更广，酯化率会相应提高。
4、加料摩尔比应保持多少为最佳？
答：
反应中乙醇的用量是过量的，使反应平衡右移，以提高乙酸的转化率，但由于乙醇具有挥发性，摩尔比不宜过大，否则乙醇在产物中的量过大，不易于产品的分离，故摩尔比选在3：
2左右最佳。
5、用实验数据能否进行模拟计算？
如果数据不充分，还要测定哪些数据？
答：
用实验数据能进行模拟计算。
还须测定塔的操作压力，塔压降，塔的冷凝器再沸器的操作条件等数据。
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