反应精馏法制醋酸乙酯

反应精馏法制醋酸乙酯

摘自张树水，贝逸翎，王洪鉴主编. 综合化学实验[M]. 北京:化学工业出版社,2006,112-115

第七部分化工相关过程

实验三十三反应精馏法制醋酸乙酯

实验说明：

反应精馏是精馏技术中的一个特殊领域。通过读实验学生可以了解反应精馏的基本原理和操作，对在反应精馏中化学反应与分离同时进行，可以显著提高总体转化率，降低能耗有系统的认识，并可以了解反应精馏与常规精馏的区别。

[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，是反应和分离过程的复合，通过实验数据和结果，了解反应精馏技术比常规反应或精馏技术在成本和操作上的优越性；

2. 掌握反应精馏的操作；

3. 学会分析塔内物料组成、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。

[实验原理]

反应精馏是化学反应与分离同时进行的精馏，是精馏技术中的一个特殊领域。此法在酯化、醚化、酯交换、水解等化工生产中得到应用，它克服了可逆平衡反应传统工艺转化率低、反应与精馏两步进行的缺点。

反应精馏既有精馏的物理相变的传递现象，又有物质转化的化学反应现象。两者同时存在，互相影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下列情况特别

适用：①可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化的水平。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，促使平衡右移，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。

对酯化反应来说，适用于第一种情况。但该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏操作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。催化反应所用的催化剂有酸、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，在全塔内都可进行催化反应，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。反应速度随硫酸在溶液中的浓度增高而加快，但浓度在0.2%～1.0%(质量分数)为宜。本实验以醋酸和乙醇为原料，在硫酸催化剂作用下生成醋酸乙酯，该反应可逆，反应的化学方程式为：

CH3COOH + C2H5OH = CH3COOC2H5 + H2O 实验的进料有两种方式：一种是直接从塔釜进料；另一种是在塔身的某处进料。前者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。本实验用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的醋酸，塔下部某处加乙醇。釜液沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动，即醋酸从上段向下段移动，与向塔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种组分。由于醋酸在气相中有缔合作用，除醋酸外，其他三个组分形成三元或二元共沸物，水-酯、水-醇共沸物的沸点较低，所以，醇和酯不断地从塔

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。全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述。

1.物料平衡方程

全塔物料总平衡如图33.1所示，反应精馏装置如图33.2所示。

图33.1 全塔物料平衡图图33.2 反应精馏装置示意图

F j-j板进料流量；h j-j板上液体焓值；H j-j板上气体焓值；1-冷却水；2-塔头；3-温度计；4-摆锤；5-电磁铁；

H fj-j板上原料焓值；H rj-j板上反应热焓值；L j-j板下降液体量；6-收集管；7-醋酸及催化剂计量管；8-醋酸

K i,j-j组分的汽液平衡常数；P j-j板上液体混合物体积（持液量）；及催化剂加料泵；9-反应精馏塔；10-乙醇计量管；

R i,j-单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量；11-

乙醇加料泵；12-压差计13-出料管；

V j-j板上升蒸汽量；X i,j-j板上组分i的液相摩尔分数；14-反应精馏釜；15-电热包

Y i,j-j板上组分i的气相摩尔分数；Z i,j-j板上i组分的原料组成；

Q i,j-反应混合物i组分在j板上的体积；Q j-j板上冷却或加热的热量

对第j块理论板上的i组分进行物料衡算如下：

L i-1X i,j-1+ V j+1Y i,j+1 + F j Z j,i + R i,j = V j Y i,j + L j X i,j2≤j≤n，i＝1，2，3，4

(33.1)

2. 汽液平衡方程

对平衡级上某组分i有如下平衡关系：

K i,j X i,j- X i,j.=0 (33.2)

每块板上组成的总和应符合下式：

∑Y i,j = l，∑X i,j＝l (33.3)

3. 反应速率方程

R i,j = K i P j (X i,j/∑Q i,j X i,j)2×105(33.4) 式(33.4)在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：

L i-1h j-1-V j H j-L j h j + V j+1H j+1 + F j H rj-Q j + R j H rj ＝0 (33.5) [主要仪器和试剂]

1. 仪器：反应精馏釜(可用500mL四口烧瓶)，反应精馏塔(玻璃制成，直径20mm，塔高1500mm，塔内装Φ3mm×3mm的不锈钢6型网环型填料316L，外

有保温设施)，乙醇计量管，乙酸及催化剂计量管，乙醇加料泵，乙酸及催化剂加料泵，压差计，出料管，电热包，温度计，收集量管。

2. 试剂：醋酸，乙醇，硫酸，冷却水。

[实验步骤及要求]

1. 实验步骤

(1) 操作前在釜内加入200g接近稳定操作组成的釜液，并分析其组成。检查进料系统各管线是否连接正常。

(2) 检查无误后将醋酸、乙醇注入计量管内(醋酸内含0.3%硫酸)，开动泵，微微调节泵的流量，让液料充满管路各处后停泵。

(3) 开启加热釜系统，开始时不要使电流过大，以免设备突然受热而损坏。待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流(注意：不能过大)，开塔顶冷却水。当塔顶有液体出现时计时，待全回流10~15min后开始进料，回流比定在3:1，酸醇分子比定在1:1.3，进料速度为0.5mol(乙醇)·h-1。

(4) 进料后仔细观察塔底和塔顶的温度与压力，测量塔顶与塔釜的出料速度，记录所有数据，及时调节进、出料量，使之处于平衡状态，稳定操作2h，其中每隔30min用小样品瓶从塔顶与塔釜流出液取样、称量、分析组成。在稳定操作下用微量注射器在塔身不同高度的取样口内取样液，待分析。实验完成后关闭加料泵，停止加热，待残液全部流至塔釜后，取出釜液称量，分析组成，停止通冷凝水。

(5) 第二次实验时，可改变回流比或改变加料分子比，重复上述操作，取样待分析。

(6) 将上述两次的样品用色谱仪进行分析，得到塔内组分浓度分布曲线，并对两次的实验结果进行比较。