反应精馏实验报告
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实验四 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，化学反应与分离过程同时进行， 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传递过程，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。
3.06025 39.70546 57.23429 12.24065 50.53511 24.80195 12.42229 3.66494 45.22820 33.02522 12.08164
六、实验数据处理
1、乙酸和乙醇的全塔物料衡算：以塔釜色谱分析作为例：
������水
1
=
������水 1������水 ∑������i������i
对两次的质量分数求取算术平均数得：
������水 = 0.0461344；������醇 = 0.4148539；������酸 = 0.3458021；������酯 = 0.1932095 塔釜馏出液的质量为 109.31 g，所以有：
������水 = ������ × ������水 = 109.31 × 0.0461344 = 5.04 g
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。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。
������醇 = ������ × ������醇 = 109.31 × 0.4148539 = 45.35 g
������酸 = ������ × ������酸 = 109.31 × 0.3458021 = 37.80 g
������酯 = ������ × ������酯 = 109.31 × 0.1932095 = 21.12 g
由此可得乙醇的反应量������乙醇 1
������乙醇 1 = 22.38 ÷ 46 = 0.4864217 mol 由反应得到的乙酸乙酯质量衡算得乙醇的反应量������乙醇 2 ������乙醇 2 = (19.89 + 21.12) ÷ 88 = 0.4660227 mol
(2)对乙酸进行物料衡算：
其他数据计算见下表格
组分种类
水/g
原料
0
塔顶
0.42
塔釜
5.04
表 6 全塔物料衡算表 乙醇/g 75.4 7.67 45.35
乙酸/g 75.5 0 37.80
乙酸乙酯/g 0
19.89 21.12
(1)对乙醇进行物料衡算： 由塔顶、塔釜乙醇的质量衡算得 ������反应 = ������原料 − ������塔顶 − ������塔釜 = 75.4 − 7.67 − 45.35 = 22.38 g
0.1224065 × 0.67 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.0709624
������醇
1
=
������醇 1������醇 ∑������i������i
0.5053511 × 1.0 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
水
0.378
13873
乙醇
0.768
251499
乙酸乙酯 3.383
147665
水
0.319
14933
乙醇
0.720
187733
乙酸乙酯 3.340
128795
水
0.354
23753
乙醇
0.746
276159
乙酸乙酯 3.541
66031
水
0.377
12022
乙醇
0.769
204625
乙酸乙酯 3.403
0.452282 × 1.0 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.3924455
������酸
2
=
������酸 2������酸 ∑������i������i
0.3302522 × 1.38 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
实验装置如图 1 所示。 反应精馏塔用玻璃制成。直径 20mm，塔高 1500mm，填料装填高度 1200mm，塔内填 装 φ3×3mm 不锈钢 θ 环填料(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。控制系统由塔头上摆锤/电、铁线圈、回流比计数拨码电子仪表组成。 实验试剂：乙醇、乙酸、磷钨酸、蒸馏水。
图1
四、实验步骤
间歇操作
① 将乙醇、乙酸各 75g，催化剂磷钨酸倒入塔釜内，开启釜加热系统。开启塔身保温 电源。开启塔顶冷凝水。
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。
③ 20 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。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清洗，以备后用。
81.1
63.4
50.8
46.9
取出塔釜物料，关闭总电源，关闭冷凝水
表 4 色谱分析条件记录表
气相色谱分析条件
质量相对校正因子
气化温度/℃
120
乙酸
1.38
检测温度/℃
120
乙醇
1.0
柱箱温度/℃
125
水
0.67
柱前压 1/MPa
0.024
乙酸乙酯
1.82
柱前压 2/MPa
0.025
进样量/μl
0.2
由塔顶、塔釜乙酸的质量衡算得 ������反应 = ������原料 − ������塔顶 − ������塔釜 = 75.5 − 37.80 = 37.70 g 由此可得乙酸的反应量������乙酸 1 ������乙酸 1 = 37.70 ÷ 60 = 0.6283333 mol 由反应得到的乙酸乙酯质量衡算得乙酸的反应量������乙酸 2 ������乙酸 2 = (19.89 + 21.12) ÷ 88 = 0.4660227 mol
物料重/g 75.5 75.4 27.98 109.31
时间 8:55 9:05 9:15 9:25 9:35 9:45 9:55 10:05 10:15 10:18 10:25 10:35 10:45 10:48
塔顶温度/℃ 18.1 18.5 20.2 67.6 67.3 67.3 67.3 67.3 67.2 67.2 35.2 22.3 20.1 19.5
������酯
1
=
������酯 1������酯 ∑������i������i
0.1242229 × 1.82 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.1956239
������水
125160
水
0.342
10402
乙醇
0.744
164991
乙酸乙酯 3.316
141043
水
0.336
9554
乙醇
0.755
111525
乙酸乙酯 3.293
156991
峰面积百分含 量%
5.11340 77.28382 17.60278 3.35878 60.89022 35.75101 4.50515 56.63814 38.85670 6.49088 75.46496 18.04416 3.51712 59.86571 36.61718 3.28713 52.14042 44.57246 3.43591 40.10680 56.45728
桥电流/mA
100
衰减
6
分析物料
样品号/塔 高
1/230mm
第一次取样 2/670mm
3/1100mm
1/230mm 第二次取样 2/670mm
3/1100mm
塔顶馏出液
1
表 5 色谱分析结果记录表
组分
保留时间 /min
峰面积
水
0.362
14940
乙醇
0.756
225804
乙酸乙酯 3.569
51431
表 1 反应系统组分共沸物温度及组成(1atm)
共沸物 乙醇/乙酸乙酯
乙醇/水 乙酸乙酯/水 乙醇/乙酸乙酯/水
摩尔组成 0.462/0.538 0.904/0.096 0.688/0.312 0.112/0.579/0.309
共沸温度/℃ 71.81 78.17 70.38 70.23
三、实验装置及试剂
对醇酸酯化反应来说，适用于第一种情况。但由于该反应为典型的可逆反应，且反应速 度非常缓慢，该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏也达不到高效分离的目的，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 0.21.0(wt)。催化剂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。
= 0.3954529
������酯
2
=
������酯 2������酯 ∑������i������i
0.1208164 × 1.82 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.1907951
2
=
������水 2������水 ∑������i������i
0.0366494 × 0.67 = 0.0366494 × 0.67 + 来自百度文库.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.0213065
������醇
2
=
������醇 2������醇 ∑������i������i
2
1 塔釜馏出液
2
水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸 乙酸乙酯
0.344 0.761 3.315 0.344 0.776 2.017 3.621 0.334 0.765 2.032 3.615
7904 102551 147824 24849 102586 50348 25217 24579 115021 83988 30725
= 0.4372623
������酸
1
=
������酸 1������酸 ∑������i������i
0.2480195 × 1.38 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.2961514
表 3 实验记录表
塔釜温度/℃
备注
18.2
开启总电源及加热保温电源
76.3
86.7
9:21 开始出现回流现象，全回流开始
87.2
温度基本保持稳定
86.9
9:36 开启回流比控制器，设定 3:1
87.0
87.1
9:56 开始第一次取样
87.6
87.9
10:16 开始第二次取样
88.0
调节所有电流为 0，关闭加热回流电源
④ 重复 3 步操作。 ⑤ 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，塔釜降温至 50 ℃ 才取釜残液），关闭总电源。
五、实验数据记录
原料乙酸 原料乙醇 塔顶馏出液 塔釜馏出液
表 2 物料称重数据表 锥形瓶重/g 88.16 97.39 61.92 89.96
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，化学反应与分离过程同时进行， 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传递过程，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。
3.06025 39.70546 57.23429 12.24065 50.53511 24.80195 12.42229 3.66494 45.22820 33.02522 12.08164
六、实验数据处理
1、乙酸和乙醇的全塔物料衡算：以塔釜色谱分析作为例：
������水
1
=
������水 1������水 ∑������i������i
对两次的质量分数求取算术平均数得：
������水 = 0.0461344；������醇 = 0.4148539；������酸 = 0.3458021；������酯 = 0.1932095 塔釜馏出液的质量为 109.31 g，所以有：
������水 = ������ × ������水 = 109.31 × 0.0461344 = 5.04 g
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。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。
������醇 = ������ × ������醇 = 109.31 × 0.4148539 = 45.35 g
������酸 = ������ × ������酸 = 109.31 × 0.3458021 = 37.80 g
������酯 = ������ × ������酯 = 109.31 × 0.1932095 = 21.12 g
由此可得乙醇的反应量������乙醇 1
������乙醇 1 = 22.38 ÷ 46 = 0.4864217 mol 由反应得到的乙酸乙酯质量衡算得乙醇的反应量������乙醇 2 ������乙醇 2 = (19.89 + 21.12) ÷ 88 = 0.4660227 mol
(2)对乙酸进行物料衡算：
其他数据计算见下表格
组分种类
水/g
原料
0
塔顶
0.42
塔釜
5.04
表 6 全塔物料衡算表 乙醇/g 75.4 7.67 45.35
乙酸/g 75.5 0 37.80
乙酸乙酯/g 0
19.89 21.12
(1)对乙醇进行物料衡算： 由塔顶、塔釜乙醇的质量衡算得 ������反应 = ������原料 − ������塔顶 − ������塔釜 = 75.4 − 7.67 − 45.35 = 22.38 g
0.1224065 × 0.67 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.0709624
������醇
1
=
������醇 1������醇 ∑������i������i
0.5053511 × 1.0 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
水
0.378
13873
乙醇
0.768
251499
乙酸乙酯 3.383
147665
水
0.319
14933
乙醇
0.720
187733
乙酸乙酯 3.340
128795
水
0.354
23753
乙醇
0.746
276159
乙酸乙酯 3.541
66031
水
0.377
12022
乙醇
0.769
204625
乙酸乙酯 3.403
0.452282 × 1.0 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.3924455
������酸
2
=
������酸 2������酸 ∑������i������i
0.3302522 × 1.38 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
实验装置如图 1 所示。 反应精馏塔用玻璃制成。直径 20mm，塔高 1500mm，填料装填高度 1200mm，塔内填 装 φ3×3mm 不锈钢 θ 环填料(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。控制系统由塔头上摆锤/电、铁线圈、回流比计数拨码电子仪表组成。 实验试剂：乙醇、乙酸、磷钨酸、蒸馏水。
图1
四、实验步骤
间歇操作
① 将乙醇、乙酸各 75g，催化剂磷钨酸倒入塔釜内，开启釜加热系统。开启塔身保温 电源。开启塔顶冷凝水。
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。
③ 20 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。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清洗，以备后用。
81.1
63.4
50.8
46.9
取出塔釜物料，关闭总电源，关闭冷凝水
表 4 色谱分析条件记录表
气相色谱分析条件
质量相对校正因子
气化温度/℃
120
乙酸
1.38
检测温度/℃
120
乙醇
1.0
柱箱温度/℃
125
水
0.67
柱前压 1/MPa
0.024
乙酸乙酯
1.82
柱前压 2/MPa
0.025
进样量/μl
0.2
由塔顶、塔釜乙酸的质量衡算得 ������反应 = ������原料 − ������塔顶 − ������塔釜 = 75.5 − 37.80 = 37.70 g 由此可得乙酸的反应量������乙酸 1 ������乙酸 1 = 37.70 ÷ 60 = 0.6283333 mol 由反应得到的乙酸乙酯质量衡算得乙酸的反应量������乙酸 2 ������乙酸 2 = (19.89 + 21.12) ÷ 88 = 0.4660227 mol
物料重/g 75.5 75.4 27.98 109.31
时间 8:55 9:05 9:15 9:25 9:35 9:45 9:55 10:05 10:15 10:18 10:25 10:35 10:45 10:48
塔顶温度/℃ 18.1 18.5 20.2 67.6 67.3 67.3 67.3 67.3 67.2 67.2 35.2 22.3 20.1 19.5
������酯
1
=
������酯 1������酯 ∑������i������i
0.1242229 × 1.82 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.1956239
������水
125160
水
0.342
10402
乙醇
0.744
164991
乙酸乙酯 3.316
141043
水
0.336
9554
乙醇
0.755
111525
乙酸乙酯 3.293
156991
峰面积百分含 量%
5.11340 77.28382 17.60278 3.35878 60.89022 35.75101 4.50515 56.63814 38.85670 6.49088 75.46496 18.04416 3.51712 59.86571 36.61718 3.28713 52.14042 44.57246 3.43591 40.10680 56.45728
桥电流/mA
100
衰减
6
分析物料
样品号/塔 高
1/230mm
第一次取样 2/670mm
3/1100mm
1/230mm 第二次取样 2/670mm
3/1100mm
塔顶馏出液
1
表 5 色谱分析结果记录表
组分
保留时间 /min
峰面积
水
0.362
14940
乙醇
0.756
225804
乙酸乙酯 3.569
51431
表 1 反应系统组分共沸物温度及组成(1atm)
共沸物 乙醇/乙酸乙酯
乙醇/水 乙酸乙酯/水 乙醇/乙酸乙酯/水
摩尔组成 0.462/0.538 0.904/0.096 0.688/0.312 0.112/0.579/0.309
共沸温度/℃ 71.81 78.17 70.38 70.23
三、实验装置及试剂
对醇酸酯化反应来说，适用于第一种情况。但由于该反应为典型的可逆反应，且反应速 度非常缓慢，该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏也达不到高效分离的目的，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 0.21.0(wt)。催化剂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。
= 0.3954529
������酯
2
=
������酯 2������酯 ∑������i������i
0.1208164 × 1.82 = 0.0366494 × 0.67 + 0.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.1907951
2
=
������水 2������水 ∑������i������i
0.0366494 × 0.67 = 0.0366494 × 0.67 + 来自百度文库.452282 × 1.0 + 0.3302522 × 1.38 + 0.1208164 × 1.82
= 0.0213065
������醇
2
=
������醇 2������醇 ∑������i������i
2
1 塔釜馏出液
2
水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸 乙酸乙酯
0.344 0.761 3.315 0.344 0.776 2.017 3.621 0.334 0.765 2.032 3.615
7904 102551 147824 24849 102586 50348 25217 24579 115021 83988 30725
= 0.4372623
������酸
1
=
������酸 1������酸 ∑������i������i
0.2480195 × 1.38 = 0.1224065 × 0.67 + 0.5053511 × 1.0 + 0.2480195 × 1.38 + 0.1242229 × 1.82
= 0.2961514
表 3 实验记录表
塔釜温度/℃
备注
18.2
开启总电源及加热保温电源
76.3
86.7
9:21 开始出现回流现象，全回流开始
87.2
温度基本保持稳定
86.9
9:36 开启回流比控制器，设定 3:1
87.0
87.1
9:56 开始第一次取样
87.6
87.9
10:16 开始第二次取样
88.0
调节所有电流为 0，关闭加热回流电源
④ 重复 3 步操作。 ⑤ 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，塔釜降温至 50 ℃ 才取釜残液），关闭总电源。
五、实验数据记录
原料乙酸 原料乙醇 塔顶馏出液 塔釜馏出液
表 2 物料称重数据表 锥形瓶重/g 88.16 97.39 61.92 89.96