反应精馏实验

实验二反应精馏
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：
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溜，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，转化率只能维持在
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馒，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0.2一1.0％(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。

本实验是以醋酸和乙醇为原料，在酸催化剂作用下生成醋敢乙酯的可逆反应。

反应的化学方程式为：
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。

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。

全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述。

1．物料平衡方程
全塔物料总平衡如图1所示。

图
反应精馏过程的气液流动示意
对第j 块理论板上的i 组进行物料衡算如下：
i j j i j j i i j j j i j j i j X L Y V R Z F Y V X L +=+++++--,,,,,1111 （1）
n j ≤≤2， 4,3,2,1=i
2．气液平衡方程
对平衡级上某组分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：
1,
1
=∑=n
i j
i Y ；
1,
1
=∑=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 Q X P K R （4） 式（4）指原料中各组分的浓度相等条件下才成立，否则予以修正。

4．热量衡算方程
对平衡级上进行热量衡算，最终得到下式：
01111=+-++--++--rj j j rj j j j j j j j j j H R Q H F H V h L H V h L
三、实验装置：
实验装置如图2所示。

图2 反应精馏实验装置流程图
反应精馏塔用玻璃制成。

直径29mm，塔高1400 mm，塔内填装φ3x 3 mm不锈钢θ环型填料；塔釜玻璃双循环自动出料塔釜，容积500m1，塔外壁镀有金属保温膜，通电使塔身加热保温。

塔釜用500W电加热棒进行加热，采用电压控制器控制釜温。

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、回流比计数器等仪表组成。

进料采用高位槽经转子流量计进入塔内，可选择不同的进料口。

四、实验步骤：
操作前在釜内加入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、乙醇注入原料量管内(醋酸内含0.3%硫酸)，打开进料流量计阀门，向釜内加料。

打开加热开关，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，开启塔身保温电路，调节保温电流(注意：不能过大)，开塔头冷却水。

当塔头有液体出现，待全回流10—15分钟后开始进料，实验按规定条件进行。

一般可把回流比给定在3：1。

酸醇分子比定在1：1.3，进料科速度为0.5mo1(乙醇)/h。

进料后仔细观察塔底和塔顶温度。

调节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。

稳定操作2小时，其中每隔30分钟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，取得塔内组分浓变分布曲线。

如果时间允许，可改变回流比或改变加料分子比，重复操作，取样分析，并进行对比。

实验完成旨关闭加料，停止加热，让持液全部流至塔釜，取出釜液称重，停止通冷却水。

五、实验数据处理：
自行设计实验数据记录表格。

根据实验测得数据，按下列要求写出实验报告：
1、实验目的与实验流程步骤；
2、实验数据与数据处理；
3、实验结果与讨论及改进实验的建议。

可根据下式计算反应转化率和收率。

转化率＝[(醋酸加料量+原釜内醋酸量)—(馏出物醋酸量+釜残液醋酸量)]
／(醋酸加料量+原釜内醋酸量)
进行醋酸和乙醇的全塔物料衡，计算塔内浓度分布、反应收率、转化率等。

实验数据记录及处理
组分质量校正因子f
水0.549
乙醇 1
乙酸乙酯 1.109
乙酸 1.225
进样量：0.5μl
W i％＝f i A i％/∑f i A i％
数据处理举例：
1、各组分质量分数
水：0476.053.865
1.109+38.213+8.9220.5498.922
0.549%%%=⨯⨯⨯==
∑i i i i i A f A f W
乙醇：3716.053.8651.109+38.213+8.9220.549213
.38%%%222=⨯⨯==
∑i
i A f A f W
乙酸乙酯：5808.053.865
1.109+38.213+8.9220.54953.865
1.109%%%333=⨯⨯⨯==∑i i A f A f W
2、 转化率 X A ＝
04
.801971
.076.7304.80⨯-＝0.8184
3、 收率
Y ＝60
04.80853036
.076.737078.076.81⨯+⨯＝334.19443.0＝0.708
4、 物料衡算
塔顶产品中，水：81.76×0.0396＝3.24g 乙醇：81.76×0.2526＝20.65g 乙酸乙酯：81.76×0.7078＝57.87g 塔釜残液中，水：73.76×0.2308＝17.02g 乙醇：73.76×0.2686＝19.81g 乙酸乙酯：73.76×0.3036＝22.39g
乙酸：73.76×0.1971＝19.54g
反应共生成乙酸乙酯57.87＋22.39＝80.26g ，反应消耗乙酸：
6088
26
.80⨯＝54.72g ， 由物料衡算反应消耗乙酸为：80.04-19.54＝60.5g ，两者基本相等，符合物料衡算。

六、思考与讨论
1、 怎样提高酯化收率？
答：对于酯化反应CH 3COOH+C 2H 5OH CH 3COOC 2H 5＋H 2O ，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。

七、符号说明：
F j ---- j板进料流量
h j ---- j板上液体焓值
H j ---- j板上气体焓值
H f,j ----- j板上原料焓值
H r,j ----- j板上反应热焓值
L j ----- j板下降液体量
K i,j ----- i组分的汽液平衡常数
P j ----- j板上液体混合物体积（持液量）
R i,j ----- 单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量V j ----- j板上升蒸汽量
X i,,j---- j板上组分i的液乡摩尔分数
Y i,,j ---- j板上组分i的气相摩尔分数
Z i,j ----- j板上i组分的原料组成
θi,j ----- 反应混合物i组分在j板上的体积
Q j ----- j板上冷却或加热的热量。