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