反应精馏法制乙酸乙酯.docx
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反应精馏法制乙酸乙酯
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0.5g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中滴加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记下温度。
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，调整回流比为R=3:
1（别忘了开小锤下边的塞子），25min后，用微量注射器在1，3，5三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。
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，关上电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。
五，实验数据记录
摆锤出现液滴时间为14：
45开启回流比时间为15：
01开始取样时间为15：
31
序号
时间
上段加热
电流（A）
釜加热
电流（A）
下段加热
电流（A）
塔顶温度
（℃）
釜热温度
（℃）
1
14:
37
0.17
0.42
0.14
22.0
21.0
2
14:
47
0.2
0.4
0.2
35.6
84.5
3
14:
57
0.2
0.4
0.2
67.3
83.4
4
15:
07
0.2
0.4
0.2
67.3
81.5
5
15:
17
0.2
0.4
0.2
67.3
81.5
6
15:
27
0.2
0.4
0.2
67.2
82.2
7
15:
37
0.2
0.4
0.2
67.1
83.1
8
15:
47
0.2
0.4
0.2
67.0
84.7
9
15:
52
0.2
0.4
0.2
67.0
86.8
10
16:
07
0.2
0.4
0.2
67.2
90.6
表1：
实验条件记录表
载气柱前压：
0.05MPa
桥电流：
100mA
进样量：
0.2μl
检测室温度：
135℃
汽化室温度：
125℃
柱箱温度：
125℃
相对质量校正因子
f水=0.8701
f醇=1.000
f酸=1.425
f酯=1.307
表2：
色谱分析条件表
取样时间为15：
31
序号
保留时间
面积
面积百分比（%）
精馏塔上部分析结果
1
0.198
3001
5.59058
2
0.559
15818
29.46376
3
2.601
34866
64.94565
精馏塔中部分析结果
1
0.189
7394
13.58334
2
0.560
14369
26.39823
3
2.621
32669
60.01842
精馏塔底部分析结果
1
0.189
4332
7.81579
2
0.544
22762
41.06612
3
2.642
28333
51.11809
表3：
取样时间为15：
31时色谱分析结果
取样时间为16：
01
序号
保留时间
面积
面积百分比（%）
精馏塔上部分析结果
1
0.188
4531
5.75918
2
0.541
22993
29.22635
3
2.481
51149
65.01446
精馏塔中部分析结果
1
0.192
3006
5.64682
2
0.550
18139
34.07523
3
2.605
32088
60.27795
精馏塔底部分析结果
1
0.187
5602
9.22003
2
0.536
29947
49.28726
3
2.666
25211
41.49271
表4：
取样时间为16：
01时色谱分析结果
塔顶流出液质量103.06g
序号
保留时间
面积
面积百分比（%）
1
0.191
2937
6.03402
2
0.555
12808
26.31773
3
2.601
32922
67.64825
表5：
塔顶流出液色谱分析结果
塔釜流出液质量42.84g
序号
保留时间
面积
面积百分比（%）
1
0.181
19700
35.41425
2
0.567
9432
16.95637
3
1.643
21630
38.88305
4
2.863
4865
8.74633
表6：
塔釜流出液色谱分析结果
六，实验数据处理
1、计算塔内浓度分布
已知：
f水=0.8701；f醇=1.000；f酸=1.425；f酯=1.307且
故以15：
31精馏塔中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。
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：
31
组分
精馏塔上部
精馏塔中部
精馏塔底部
水含量（%）
4.08
10.13
5.93
乙醇含量（%）
24.72
22.63
35.81
乙酸乙酯含量（%）
71.20
67.24
58.26
表7：
取样时间为15：
31含量分析结果
图1：
取样时间为15：
31含量在塔内的分布图
取样时间为16：
01
组分
精馏塔上部
精馏塔中部
精馏塔底部
水含量（%）
4.20
4.17
7.19
乙醇含量（%）
24.52
28.93
44.19
乙酸乙酯含量（%）
71.28
66.90
48.62
表8：
取样时间为16：
01含量分析结果
图2：
取样时间为16：
01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中间含量最多，水在精馏塔底部含量最多。
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
以塔顶色谱分析作为计算举例：
且已知塔顶流出液的质量为103.06g，故：
对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：
组分含量
水（g）
乙醇（g）
乙酸（g）
乙酸乙酯（g）
原料
0
80.00
80.00
0
塔顶
4.51
22.60
0
75.94
塔釜
11.52
6.34
20.71
4.27
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=22.60+6.34+乙醇反应质量
故：
乙醇反应质量=51.06g
n乙醇=51.06/46=1.11mol
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+20.71+乙酸反应质量
故：
乙酸反应质量=59.29g
n乙酸=59.29/60=0.99mol
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。
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
=（80.00-20.71）/80.00
=74.11%
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%
选择性=收率/转化率=68.36%/74.11%=92.24%
七，结果分析及讨论
1、实验注意事项
①使用微量注射器在3个不同高度取样，应尽量保持同步。
②在色谱分析时，样品容易挥发可能导致后面两个量进样不够，故一开始取样应取足够多。
③在使用微量进样器进样时速度尽量要快。
④为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。
⑤在称取釜残液的质量时，必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。
2、实验误差分析
①可能是有部分液体残留在精馏塔中所致。
②可能是色谱分析中出现的误差所致。
八，思考题
1.怎样提高酯化收率？
答：
对于本实验CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O是可逆反应，为提高酯化反应的收率，可以通过减小一种生成物的浓度，或者用反应精馏的方法，是生成物中高沸点或者低沸点的物质从系统中连续的排出，是平衡向生成产物的方向移动，以提高酯化收率。
2.不同回流比对产物分布影响如何？
答：
当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度会增加。
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：
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。
4.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。
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：
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。
化工专业实验报告
实验名称：
实验人员：
同组人：
实验地点：
天大化工技术实验中心室
实验时间：
班级/学号：
级班组号
指导教师：
实验成绩：
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