天津大学反应精馏法制乙酸乙酯.docx

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天津大学反应精馏法制乙酸乙酯

化工专业实验报告

实验名称：

反应精馏组号：

11

实验人员：

同组人：

实验地点：

天大化工技术实验中心624室

实验时间：

2014年4月18日指导教师：

李老师

班级/学号：

学号：

实验成绩：

反应精馏法制乙酸乙酯

1、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。

2、实验原理

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，降低能耗。

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。

二者同时存在，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。

反应随酸浓度增高而加快，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。

若用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。

釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。

具体地说，乙酸从上段向下段移动，与向上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应，生成酯和水。

塔内此时有4组分。

由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。

水－酯，水－醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。

若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。

因此，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。

全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述：

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

对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：

3、实验装置及试剂

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。

4、实验步骤

1.用电子天平称量乙醇、乙酸各80g，加入塔釜内，再在其中加入几滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源至0.2A。

开启塔顶冷凝水。

并且每10分钟记录一次电流和温度的数据。

2.当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作。

15分钟后，设定回流比为3:

1（别忘了开小锤下边的塞子），开启回流比控制电源。

此时时间为15：

30。

之后每隔10分钟记录一次数据。

3.20min后，用微量注射器在上段、中段、下段三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。

4.到16：

40时，关闭塔釜及塔身加热电源、回流比及冷凝水。

对馏出液及釜残液进行称重和色谱分析（当持液全部流至塔釜后才取釜残液）两次，关闭总电源。

五、注意事项

1.注意电子天平的量程，称量物品总质量一定不能大于电子天平的量程，否则容易损坏天平。

2.塔身保温电源可以没有，但是不能过大，因为它只需起到保温的作用，如果电流过大将使塔身加热。

3.在向塔釜中加完浓硫酸之后左手要拖着盖子的铁圈，右手旋转盖子即可盖严，注意用力不要过大，否则盖子容易打不开。

4.我们组在实验过程中发现塔釜的气味很大，及时告诉老师，老师经过处理之后问题得以解决，但是物料损失很大。

5.关于微型注射器：

用微型注射器取液时一定要洗涤数次再将液体取出；抽取液体时一定注意用力不宜过猛，否则会使注射器的细钢丝变弯，导致不能使用；取出的液体大约在10微升左右，不要只用1微升就只取1微升；向气相色谱仪打入液体时速度既不要过快也不要过慢，过快会导致钢丝变弯，过慢会造成多次进样，引起误差。

七、实验数据处理

1、计算塔内浓度分布

已知：

f水=0.3929；f醇=1.0000；f酸=0.5389；f酯=1.5264且

故以16：

20精馏塔上部液体的含量作为计算举例：

已知乙酸的沸点较高，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。

X水=14416×0.3929÷（14416×0.3929+45618×1+131634×1.5264）=2.246%

X乙醇=45618×1÷（14416×0.3929+45618×1+131634×1.5264）=18.087%

X乙酸乙酯=131634×1.5264÷（14416×0.3929+45618×1+131634×1.5264）=79.667%

对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：

取样时间为15：

50

组分

精馏塔上部

精馏塔中部

精馏塔底部

水含量（%）

2.208

2.284

2.734

乙醇含量（%）

18.925

19.586

22.992

乙酸乙酯含量（%）

78.867

78.130

74.274

表9：

取样时间为15：

50含量分析结果

图3：

取样时间为15：

50含量在塔内的分布图

取样时间为16：

20

组分

精馏塔上部

精馏塔中部

精馏塔底部

水含量（%）

2.246

2.256

2.685

乙醇含量（%）

18.087

17.579

21.295

乙酸乙酯含量（%）

79.667

80.165

76.020

表10：

取样时间为16：

20含量分析结果

图4：

取样时间为16：

20含量在塔内的分布图

如图所示，不同时间段分别在精馏塔的上部、中部和底部取样做色谱分析可知，原料乙醇在精馏塔底部含量最多；而产物乙酸乙酯在精馏塔上部含量最多，水在精馏塔中部含量最多。

我们知道若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行，可能是各个组分的沸点不同所致。

2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算

以塔顶

（1）色谱分析作为计算举例：

X水=12427×0.3929÷（12427×0.3929+29864×1+102521×1.5264）=2.547%

X乙醇=29864÷（12427×0.3929+29864×1+102521×1.5264）=15.617%

X乙酸乙酯=102521×1.5264÷（12427×0.3929+29864×1+102521×1.5264）=81.835%

组分

塔顶

（1）

塔顶

（2）

塔釜

（1）

塔釜

（2）

水含量（%）

2.547

2.531

10.588

9.870

乙醇含量（%）

15.617

15.593

38.268

37.928

乙酸含量（%）

--

--

6.705

9.256

乙酸乙酯含量（%）

81.835

81.877

50.383

51.195

表11：

塔顶及塔釜两次色谱分析结果

由上表可知塔顶产品含量平均值水2.539%，乙醇15.605%，乙酸乙酯81.856%；

塔釜产品含量平均值水10.229%，乙醇38.098%，乙酸7.981%，

乙酸乙酯50.789%。

且已知塔顶流出液的质量为45.86g，故：

M水=m总×x水=45.86×2.539%=1.164g

M乙醇=m总×x乙醇=45.86×15.605%=7.156g

M乙酸乙酯=m总×x乙酸乙酯=45.86×81.856%=37.539g

对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：

组分

塔顶

塔釜

水g

1.164

9.024

乙醇g

7.156

33.610

乙酸g

--

7.041

乙酸乙酯g

37.539

44.806

因此对乙醇进行物料衡算：

乙醇的量=塔顶乙醇质量+塔釜乙醇质量+乙醇反应质量

80.00=7.156+33.610+乙醇反应质量

故：

乙醇反应质量=39.234g

n乙醇=39.234/46=0.853mol

对乙酸进行物料衡算：

乙酸的量=塔顶乙酸质量+塔釜乙酸质量+乙酸反应质量

80.00=0+7.041+乙酸反应质量

故：

乙酸反应质量=72.959g

n乙酸=72.959/60=1.216mol

可以知道，理论上乙醇和乙酸的反应量应为1：

1，可能是因为有部分液体残留在精馏塔中，也可能是因为色谱分析存在误差所致，还有就是实验过程中乙酸大量挥发，导致乙酸剩余过少。

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

=（80.00-7.041）/80.00

=91.20%

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%

=37.539÷88/（80÷60）

=31.99%

选择性=收率/转化率=31.99%/91.20%=32.50%

八、误差分析

误差较大应该主要是由于未知原因，乙酸大量挥发，虽然经过老师处理后及时阻止了其挥发，但经计算说明，导致了选择性很低。

还可能是有部分液体残留在精馏塔中和色谱分析中出现的误差所致。

九、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

Hfj—－j板上原料焓值

Hrj—－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5

Qj—－j板上冷却或加热的热量

十、思考题

1.试查文献找出除乙酸乙酯反应精馏外，还有那些产品能用反应精馏法制的？

答：

甲缩醛、异丙苯、丁酸酐等。

2怎样提高连续酯化反应的收率？

答：

采用连续式操作，即是在塔的某处进料。

在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。

釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。

具体地说，乙酸从上段向下段移动，与向上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应，生成酯和水。

塔内此时有4组分。

由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。

水－酯，水－醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。

若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。

3.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。

4.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，应保证在釜沸腾条件下进料，塔内轻组分上移，重组分下移，在不同的填料高度上均发生反应，生成酯和水，转化率会有所提高。

5.加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：

此反应的原料反应摩尔比为1:

1，为提高反应的转化率，应使某组分过量，因乙醇的沸点较低，易被蒸出，因此应把乙醇多加，比例约为2:

1即可。

6.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：

能进行模拟计算。

还要测定的数据还有塔顶温度，塔釜温度，塔板下降液体量，塔板上液体混合物体积，塔板下降液体量，上升蒸汽量。