反应精馏实验报告

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。

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。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。

对醇酸酯化反应来说，适于第一种情况。乙醇沸点78.3℃，与水形成恒沸物，恒沸点78.15 ℃，乙醇含量89.43%（分子）；乙酸沸点118.0℃，醋酸乙酯沸点77.1℃，与水形成非均相恒沸物，恒沸点70.40℃，酯含量76%；乙醇与醋酸乙酯形成恒沸物，恒沸点71.8℃，酯含量54%；水、乙醇、和醋酸乙酯形成三元恒沸物，恒沸点70.3℃，乙醇含量12.4%，酯含量60.1%。水-酯、水-醇恒沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。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：

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。若用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，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，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。

全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述：

(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

(如图1所示)：

n

i n j x L y V R z F y V x L j i j j i j j i j i j j i j j i j ,,3,2,12,,,,1,11,1 =≤≤+=+++++--，

(2) 气液平衡方程

对平衡组上某组分i 有如下平衡关系： 0,,,=-j i j i j i y x K （2）

每块板上组成的总和应符合下式：

11,=∑=n i j i y

11,=∑=n i j i x （3）

(3) 反应速率方程

52

,,,,10⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑j i j i j i j j j i x x P k R θ （4） 式（4）指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：

0,,1111=∆+-++--++--j r i j j f j j j j j j j j j H R Q H F H V h L H V h L （5）

符号说明 j F ——j 板进料流量，h mol ；

j h ——j 板上液体焓值，mol kJ ；

j H ——j 板上气体焓值，mol kJ ；

j f H ,——j 板上原料焓值，mol kJ ；

j r H ,∆——j 板上组分i 的反应热，mol kJ ；

j L ——j 板下降液体量，h mol ；

j i K ,——组分的汽液平衡常数；

j k ——j 板上的反应速率常数；

j P ——j 板上液体混合物体积（持液量）；

j Q ——j 板上冷却或加热的热量，h kJ ；

j i R ,——单位时间j 板上单位液体体积内i 组分反应量，h mol ；

j V ——j 板上升蒸汽量，h mol ；

j i x ,——j 板上组分i 的液相摩尔分数；

j i y ,——j 板上组分i 的气相摩尔分数；

j i z ,——j 板上i 组分的摩尔分数；

j i ,θ——反应混合物i 组分在j 板上的体积；

三、实验装置及试剂

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。