反应精馏法制乙酸乙酯

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。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 + 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。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。

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组分进行物料横算如下

（2）气液平衡方程

对平衡级上某组分i的有如下平衡关系：

每块板上组成的总和应符合下式：

（3）反应速率方程

（4）热量衡算方程

（5）对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：

三，实验装置示意图

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

1．称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，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0.2A，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），25min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。

五，实验数据记录

摆锤出现液滴时间为14：45 开启回流比时间为15：01 开始取样时间为15：31

表3：取样时间为15：31时色谱分析结果

六，实验数据处理

1、计算塔内浓度分布

已知：f 水=0.8701；f 醇=1.000；f 酸=1.425；f 酯=1.307且i

i i

i i f A f A x ∑= 故以15：31精馏塔中部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。

%

13.10307.132669000.1143698701.073948701

.07394=⨯+⨯+⨯⨯=

∑=

i

i f A f A x 水水水

%

63.22307

.132669000.1143698701.07394000

.114369=⨯+⨯+⨯⨯=

∑=

i

i f A f A x 乙醇乙醇乙醇

%

24.67307.132669000.1143698701.07394307

.132669=⨯+⨯+⨯⨯=

∑=

i

i f A f A x 乙酸乙酯

乙酸乙酯乙酸乙酯

对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：

取样时间为15：31

组分 精馏塔上部

精馏塔中部 精馏塔底部

水含量（%） 4.08 10.13 5.93 乙醇含量（%） 24.72 22.63 35.81 乙酸乙酯含量（%）

71.20

67.24

58.26

图1：取样时间为15：31含量在塔内的分布图

取样时间为16：01

组分 精馏塔上部

精馏塔中部

精馏塔底部

水含量（%） 4.20 4.17 7.19 乙醇含量（%） 24.52 28.93 44.19 乙酸乙酯含量（%）

71.28

66.90

48.62

表8：取样时间为16：01含量分析结果

图2：取样时间为16：01含量在塔内的分布图

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中间含量最多，水在精馏塔底部含量最多。我们知道若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行，可能是各个组分的沸点不同所致。

2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算 以塔顶色谱分析作为计算举例：

%38.4307

.132922000.1128088701.029378701

.02937=⨯+⨯+⨯⨯=∑=

i i f A f A x 水水水

%

93.21307.132922000.1128088701.02937000

.112808=⨯+⨯+⨯⨯=

∑=

i

i f A f A x 乙醇乙醇乙醇%

69.73307.132922000.1128088701.02937307

.132922=⨯+⨯+⨯⨯=

∑=

i

i f A f A x 乙酸乙酯

乙酸乙酯乙酸乙酯

且已知塔顶流出液的质量为103.06g ，故：

g

x m m 51.4%38.4103.06=⨯=⨯=水总水

g

x m m 60.22%93.21103.06=⨯=⨯=乙醇总乙醇

g

x m m 94.75%69.73103.06=⨯=⨯=乙酸乙酯总乙酸乙酯