反应精馏乙酸乙酯实验.docx
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反应精馏乙酸乙酯实验
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+C2H5OHCH3COOC2H5+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组分进行物料衡算如下（如图1所示:
jijjijjii
jjjijjijXLYVRZ
FYVXL,,,,1,11,1+=+++++--（1
2≤j≤n,i=1,2,3,4（2气液平衡方程
对平衡级上某组分i的有如下平衡关系:
0,,,=-⋅jijijiYXK（2
每块板上组成的总和应符合下式:
11
=∑=n
ij
iY
;
11
=∑=n
ij
iX
（3
（3反应速率方程
52
,,,10⨯⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⋅⋅=∑j
ijij
ijjj
iXQXPKR（4式（4指原料中各组分的浓度相等条件下才能成立,否则应予修正。
（4热量衡算方程
对平衡级上进行热量衡算,最终得到下式:
01
111=+-++--++--rjjjrjjjjjjj
jjjHRQHFH
VhLH
VhL（5
三、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。
四、实验步骤
间歇操作
①将乙醇、乙酸各80g（正负1g,浓硫酸2~3滴倒入塔釜内（用滴管取用浓硫酸要用烧杯在下方承接,注意安全,开启釜加热系统。
开启塔身保温电源。
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。
15分钟后,设定回流比为3:
1,开启回流比控制电源。
③20分钟后,用微量注射器在塔身三个不同高度取样,应尽量保证同步。
④分别将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。
⑤重复3,4步操作。
⑥关闭塔釜及塔身加热电源及冷凝水。
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,分别分析两次,关闭总电源。
五、实验数据处理
原始数据记录:
表一实验仪器原始数据记录表
表二实验过程中取样色谱分析原始数据记录表
表三色谱分析条件表
表四原料原始数据记录表
表五产品原始数据记录表
数据处理结果
表六各组分质量分数处理结果表
一、塔内各物质质量分数分布计算:
计算举例:
以第一次取样上段乙醇为例:
i
i
FA%
%=100%
FA
%
127.59639
=
100%
=24.996%
W⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯∑乙醇乙醇乙醇
对上述处理结果作图得:
w1（%
H（mm
图一水的质量分数分布图
w1（%
H（mm
图二乙醇的质量分数分布图
w1（%
H（mm
图三乙酸乙酯的质量分数分布图
二、乙酸乙酯收率和转化率计算:
=====乙酸乙酸乙醇乙醇乙酸乙酯
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。
理论上乙酸全部反应生成乙酸乙酯质量为:
⨯⨯=乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酸/
而反应实际生成乙酸乙酯质量为:
其中,从塔顶收集的乙酸乙酯质量为:
m⨯收
所以,反应收率为:
/100%=36.53/116.84100%31.26%mm⨯⨯=收乙酸乙酯
剩余乙酸质量为:
所以,乙酸的转化率为:
=（/100%=⨯⨯转化率乙酸加料量-釜液残余乙酸量乙酸加料量（79.63-34.44/79.63100%=56.75%
三、全塔物料衡算:
以全塔为系统,对乙酸做物料衡算:
乙酸加料量=79.63g
所以,反应掉乙酸量+乙酸剩余量=43.03+34.44=77.47g以全塔为系统,对乙醇做物料衡算:
乙醇加料量=79.3g反应掉乙醇量
⨯=⨯=乙醇乙酸乙酯乙酸乙酯实际
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。
数据图中,第三组数据点不符合变化规律,可能原因是:
①、首次进行色谱分析操作,操作不是很熟悉;②、实验过程中,其中一次取样由于取样不慎洒出,导致重新取样;③、色谱分析仪在第二次分析时突然断电,导致重新取样。
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。
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、精馏塔内存在持液量，无法测量；②、在测量质量时，产品有一部分挥发，造成实验有所误差。
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2:
1左右为佳。
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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