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温度限制，在全塔都能进行催化反应，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，反应只在塔釜进行。

由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔体，故塔体共有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：
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
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：
反应速率方程
热量衡算方程
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
称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，用漏斗倒入塔釜，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。

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。

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
设备编号：3号
表1.物料称重
浓硫酸加入量：3滴
表2.实验记录：
表3.色谱分析条件：
表4.色谱分析结果
塔顶馏出液 1 水 0.326 26041 7.48321 乙醇
0.742
68325
19.60831
乙酸乙酯 2.996
253526 72.85469 2
水 0.316 30513 7.62305 乙醇
0.73
78173
19.52978
乙酸乙酯 2.947
291454 72.80813 塔釜馏出液 1
水 0.434 47802
18.02997
乙醇 0.851 100615 37.94996 乙酸
1.932
17349 6.54363 乙酸乙酯 3.371
98875 37.29349 2
水 0.309 48320
16.14366
乙醇 0.73 106051 35.43147 乙酸
1.791
40113
13.40164
乙酸乙酯 3.242
104829 35.02322
六、实验数据处理 1、计算塔浓度分布
已知：f 水=0.7；f 醇=1.000；f 酸=1.52；f 酯=1.74且i
i i i i f A f A x ∑=
以第一次取样塔体中部液体的含量作为计算举例：
由于乙酸的沸点较高，加热温度并不能达到其沸点，因此乙酸只存在于塔釜中，塔体中部只有三个组分，即水、乙醇、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：
表5塔不同位置各组分含量
取样次数 第一次取样 第二次取样 取样位置 塔上部
塔中部
塔下部
塔上部
塔中部
塔下部
水含量 0.0341 0.0321 0.0305 0.0315 0.0396 0.0319 乙醇含量 0.1622 0.1611 0.1849 0.1442 0.1547 0.1841 乙酸乙酯含量 0.8037 0.8068 0.7846 0.8243 0.8057 0.7840
由表中数据作作图：
图3第一次取样塔不同位置各组分含量
0.0000
0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000
0.8000 0.9000 塔上部
塔中部
塔下部
水
乙醇乙酸乙酯
0.1000
0.2000
0.3000 0.4000 0.5000
0.6000 0.7000
0.8000 0.9000 1.0000
水
乙醇乙酸乙酯
图4第二次取样塔不同位置各组分含量2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算
以塔顶第一次色谱分析作为计算举例：
同理可得到其他组色谱分析的数据：
表6
塔顶及塔釜两次色谱分析结果由表中数据，可对乙醇和乙酸进行全塔物料衡算：
因为塔顶馏出液质量m1=34.07g,塔釜馏出液质量m2=98.37g
可由表中数据计算塔顶各组分质量：
同理可得塔釜各组分质量如下表所示：
表7全塔物料衡算数据
取样位置塔顶塔釜
水质量/g 1.1882 9.2908
乙醇质量/g 4.4008 28.4942
乙酸质量/g 0.0000 11.7259
乙酸乙酯质量/g 28.4808 48.8591
取样位置
色谱分析次数12平均12平均水含量0.03450.03520.03490.10060.08830.0944
乙醇含量0.12950.12890.12920.30260.27670.2897
乙酸含量0.07930.15910.1192
乙酸乙酯含量0.83600.83590.83600.51740.47590.4967
塔顶塔釜
乙醇总量=塔顶乙醇量+塔釜乙醇量+乙醇反应量
74.21=4.4008+28.4942+乙醇反应量
所以乙醇反应量=41.315g
n醇=41.315/46=0.8982mol
乙酸总量=塔釜乙酸量+乙酸反应量
74.1=11.7259+乙酸反应量
所以乙酸反应量为62.3741g
n酸=62.3741/60=1.0396mol
由方程CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+H2O可知：
反应所用乙酸跟乙醇的比为1：1
显然计算得到的数值明显大于1：1
误差分析：实验中在对塔釜馏出液进行色谱分析时，两次数据偏差较大，但由于馏出液已回收，无法再次进行色谱分析，故处理数据所用的平均值与实际有偏差。

3、计算反应收率及转化率
对于间歇过程，可根据下式计算反应转化率：
转化率＝[乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量
=（74.1-11.7259）/74.1
=84.18 %
收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相对应生成的乙酸乙酯量*100%
=
选择性=收率/转化率=71.16%/84.18%=84.53%
七、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为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。

④在称取釜残液的质量时，必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。

八、思考题
1. 怎样提高酯化收率？
答：对于本实验CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+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。

2. 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。

3. 采用釜进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？
答：釜进料，应保证在釜沸腾条件下进料，塔轻组分上移，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。

4. 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。

5. 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。