反应精馏制乙酸乙酯

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。

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：
CH 3COOH + C 2H5OH ? CH 3COOC 2H5+H 2O 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。

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 组分进行物料衡算如下
SG+ss+巧乙+號厂叽+g
2弓Wm J=1?23.4
（2）气液平衡方程
对平衡级上某组分i的有如下平衡关系：
心•心-兀=0
每块板上组成的总和应符合下式：
n I T
工G=1; 4=1
r=l r«l
（3）反应速率方程
’x Y
" xl°5
II。

」兀J丿
（4）热量衡算方程
对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：
S —啊—L.h.+ Z冋+i + FjH厂0 + R尹H= 0
国1 411巴_ 上的气液流恥］滤图
三、实验装置及实验流程示意图
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$ 3X 3m不锈钢填料（316L），填料高度1400mm。

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、蒸馏水。

1側温热电阻2冷却水3摆置4心段4 5帘头6備出液收集瓶 7回流比控制器8 lit#口 g 塔休10数字式温度显术器11控温仪
12加料门13塔羞14电加热器15卸料口
图2反应梢慵流穆及装世
四、 实验步骤
1. 称取乙醇、乙酸各75g,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0.1A ，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），
30min 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。

4
6
8
9
□
12
13
□
15
五、实验原始数据记录表
实验时由于操作失误，误将废液当做乙醇加入反应釜，导致实验彻底失败，数据无法处理。

故不得不采用他组数据，所用数据为第四组李远，吴刚等三人数据，所用原始实验数据见李
远。

本组实验原始数据记录表见最后。

六、实验数据处理及举例
1、计算塔内浓度分布
已知.；；打：「.：曲；「二：：・.；:•肿「一, ..V：且X _ Af i
' i TA i f i
故以11：00精馏塔上段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。

6270 x 0.392
=--------------------------------------------- —2 147%
6270 X 0. 392 + 18709 X 1.0000 + 61131 x L 5264 「
4材醇18709 x 1. 0000
"6270 X 0 392 + 18709 x LOOOO + 61131 X 1. 5264 - °
■V ,
—
2/莎
61131 X] 5264
= =81, 510% 6270 x 0”392 + 18709 X 1.0000 +61131 x 1 5264
对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格:
根据上表分别绘制出: 和各个组分塔内分布，如下图所示。

10:30塔内各组分浓度分布图
11:00塔内各组分浓度分布图
图3：11:00塔内各组分浓度分布图
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上部含量最多，水在全塔含量大致相同。

随时间增加，产物含量逐渐增加，反应物含量逐渐减少，反映了反应精馏可以起到分离产物和提高反应程度的作用。

2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算
塔顶产品的质量： m 顶=165.3-126=39.3g 塔釜产品质量： m 釜=177.53-78.67=98.86g
以塔顶产品分析作为计算举例:
7.843815 x 0. 392
7,843(315 X 止 3醴+刁9石8?03匚 1.0000^7246916 xT. 5264 = 2j 3C)j3%
斗=血= ___________________________________ = 14
760%
醉 孑 王肌X 0. 392 + 19.60703 X LOOOO + 7246916 X 1. 5264
72.46916 X 1” 5264
------------------------------------------------------------------- =82 9345% 7.843815 X 0. 392 + 19.68703 X 1.0000 + 72.46916 X 1.5264
其他数据计算同理，计算结果如下 表
果
组分 水 乙醇 乙酸乙酯 塔顶产品
峰面积百分比A 41% 7.87166 19.6844 72.44395 峰面积百分比A 42%
7.81597 19.68966 72.49437 平均峰面积百分比 A 4%
7.843815 19.68703 72.46916 质量百分比W 4
0.023053
0.1476025
0.829345
塔釜产物
峰面积百分比A 51% 16.48597 35.7444 17.57583 30.1938 峰面积百分比A 52%
15.45817 34.1463
20.8994
29.49613 平均峰面积百分比 A 5%
15.97207 34.94535 19.23762 29.84497 质量百分比W 5
0.064461
0.3597832 0.106736
0.46902
3、物料衡算
(1)塔顶产品中:
. m.L = m.L .XJCK =
水： 39.3 X 0.023053=0.906g
卄亠
= m. x =
乙醇：
39.3X 0.1476025=5.80g
, ,
m-p 二m 曲x 龙曲=
乙酸乙酯：
39.3 X 0.829345=32.59g
(2)塔釜产品中:
水：'
98.86X 0.064461=6.37g
19.60703 X 1.0000
5
乙醇：' ' '' 98.86 X 0.3597832=35.56g
乙酸：" ' < '' 98.86 X 0.106736=10.55g
乙酸乙酯：：7 一J「『98.86 X 0.46902=46.36g
反应中产生的乙酸乙酯=32.59 + 46.36=78.95g
消耗的乙醇=78.95 X 46/88=41.27g
消耗的乙酸=78.95 X 60/88=53.83g
理论上剩余乙醇=75.45 - 41.27 = 34.18g
实际剩余乙醇=5.80+35.56 = 41.36g
理论上剩余乙酸=75.67 —53.83 = 21.84g
实际剩余乙酸=10.55g
原料总质量=75.45+ 75.67= 150.12g
产物总质量=98.86 + 39.3= 138.16g
4、转化率及收率的计算
乙酸转化率=［乙酸加料量-釜残液乙酸量］/乙酸加料量X 100%
=(75.67-98.86 X 0.106736)/75.67 X 100%=86.01% ;
乙醇转化率=［乙醇加料量-釜残液乙醇量］/乙醇加料量X 100%
=(75.45-98.86 X 0.3597832)/75.45 X 100%=52.86%
乙酸乙酯的收率=产品乙酸乙酯的物质的量/原料乙酸的物质的量X 100%
={［(39.3 X 0.829345+98.86 X 0.46902)/88］/(75.67/60)} X 100%
=71.15%
七、实验结果分析与讨论
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在使用微量进样器进样时速度尽量要快。

③因水出峰较早，可以先点击开始后进样。

④在称取釜残液的质量时，尽量等到持液全部流至塔釜后才取釜残液，实验中等到塔釜温度降至后取样。

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。

3、反应精馏的优点由于该反应是一个放热反应，反应精馏可以利用这部分能量推动精馏的进行，很大程度上的达到节能的效果；将精馏和反应过程耦合起来大大节省了空间和设备；破坏了可逆反应平衡，增加了反应的选择性和转化率，使反应速度提高，从而提高了生产能力。

八、思考题
1、试查文献找出除乙酸乙酯反应精馏外，还有那些产品能用反应精馏法制的？成醚反应，水解反应，加成反应，醇脱水反应，苯取代反应，聚合物合成反应。

2、连续反应精馏应怎样操作？简单叙述流程。

连续精馏在塔某处或塔釜进料，在塔某处出料，在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。

连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（称为釜残液）；部分液体被汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器被全部冷凝，将部分冷凝液用泵（或借重力作用）送回塔顶作为回流液体，其余部分作为塔顶产品（称为馏出液）采出。

3、采用固体催化剂时，实验室和工业塔怎么装填？捆包式包装结构；将催化剂装在规整填料的夹层中；将催化剂装在塔板上的固定容器中；催化剂与填料混装的结构
4、怎样提高酯化收率？
答：对于本实验CH3COOH + C2H5OH ? CH 3COOC2H5+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，使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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

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