反应精馏制备乙酸乙酯实验

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。

一、实验目的与内容

1. 掌握反应精馏的操作。

2. 能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。

3. 了解反应精馏与常规精馏的区别。

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。两者同时存在，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，转化率只难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，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。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。本实验是以醋酸和乙醇为原料、在酸催化剂作用下生成醋酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为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。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，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组元。由于醋酸在气相中有缔合作用，除醋酸外，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。反应过程进行情况，由反应的转化率和醋酸乙酯的收率来衡量，其计算式为：

转化率＝

原釜内醋酸量

醋酸加料量釜残醋酸量

馏出醋酸量

原釜内醋酸量

醋酸加料量

+-

-+

三、实验装置与流程

⒈实验装置

反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装φ3×3mm锈钢θ网环型填料（316L）。塔釜为内热自循环玻璃釜，容积500ml，塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。

⒉实验流程

实验装置如下图所示。

反应精馏实验流程图

1-冷却水；2-塔头；3-温度计；4-摆锤；5-电磁铁；6-收集量管；

7-醋酸及催化剂计量管；8-醋酸及催化剂加料泵；9-反应精馏塔体；10-乙醇计量管；

11-乙醇加料泵；12-压差计；13-出料管；14-塔釜；15-电加热包

四、实验方法

1、操作前在釜内加入约200克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。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给定转柄，让液料充满管路各处后停泵。

2、开启加热釜系统，注意不要使电流过大，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），开塔头冷却水。加热电压控制在160V左右，保温电压控制在70V左右。塔釜温度稳定在80℃。

3、当塔头有液体出现，待全回流10～15分钟后开始进料，乙醇进料速度为0.5mol/h(蠕动泵转速为2.8转/分)，乙酸进料速度为0.38mol/h(蠕动泵转速为2.1转/分)。一般可把回流比给定在3：1，酸醇分子比定在1：1.3，进料速度为0.5mol （乙醇）/h。

4、进料后仔细观察塔底和塔顶温度与压力，测量塔顶与塔釜出料速度。记录所有数据，及时调节进出料，使处于平衡状态。

5、稳定操作2小时，其中每隔30分种用小样品瓶取塔顶与塔釜流出液，称重并分析组成。在稳定操作下用微量注射器在塔身不同高度取样口内取液样，直接注入色谱仪内，取得塔内组分浓度分布曲线。

6、如果时间允许，可改变回流比或改变进料摩尔比，重复操作，取样分析，并进行对比。

7、实验完成后并闭加料泵，停止加热，让持液全部流至塔釜，取出釜液称重，分析组成，停止通冷却水。

五、实验数据记录及处理

六、思考与讨论

1、怎样提高酯化收率？

答：对于酯化反应CH3COOH+C2H5OH CH3COOC2H5＋H2O，为可逆平衡反应，一般情况下，反应受平衡的影响，转化率受平衡影响只能维持在平衡转化的附近；但是可以通过减小一种反应生成物的浓度，使平衡向有利于提高转化率的方向进行。反应精馏可以使生成物中高沸点或者低沸点物质从系统中连续的排出，使结果超过平衡转化率，大大提高效率。

2、不同回流比对产物分布有何影响？

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。

3、加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：此反应原料反应摩尔比为1:1，为加大反应的转化率通常使某种组分过量，因此在此反应中使乙醇过量，而且乙醇的沸点较低，容易随产物被蒸出，所以加入乙醇的摩尔数应该大于乙酸的摩尔数，比例约为2:1。