反应精馏制醋酸乙酯实验讲义

反应精馏法制醋酸乙酯

一． 实验目的

1. 掌握反应精馏的原理及特点。

2. 掌握反应精馏的操作。

3. 学会塔操作过程分析。

4. 了解反应精馏与常规精馏的区别。

5. 掌握用气相色谱分析有机混合物料组成。

二． 实验原理

精馏是化工生产过程中重要的单元操作，是化工生产中不可缺少的手段，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。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。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，大大提了效率。（2）异构体混合物分离。通常它们的沸点接近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体混合中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在反应过程中得以分离。

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、在酸催化剂作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为：

O H H COOC CH OH H C COOH CH 2523SO

H 5234

2+−−

→←+ 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。本实验采取间歇操作方式从塔釜直接进料，塔釜作为反应器，生成酯和水，塔体起到精馏作用。塔内此时有乙醇、乙酸、乙酸乙酯和水4组元。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其他三个组分形成三元或二元共沸物。水-酯，水-醇水-醇-酯共沸物沸点较低（70-79℃），醇和酯能不断的从塔顶排出。若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。

三．实验装置

实验装置如下图所示。

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θ网环型填料（316L）。塔釜为四口烧杯，容积500ml，塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜置于500W电热包中。采用XCT—191，ZK—50可控硅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、回流比计数拨码电子仪表组成。

四．实验步骤

1．开塔顶冷却水。

2．检查进料和出料系统是否处于正常状况。

3．向釜内填加500ml（乙醇与乙酸的摩尔比为1.5）酸醇混合液和0.03摩尔的浓硫酸。

4．开始升温。升温时，先开启总电源开关，开启测温开关，温度显示仪表有数值出现，开启釜热控温开关，仪表有显示。调节釜热温度控制仪到270℃。当釜开始沸腾时，打开上、中、下段保温电源，当各段的温度达到稳定值时，设定保温温控仪器的温度与之相同。升温后观察塔釜和塔顶温度变化，直至塔顶有蒸汽并有回流液体出现。

5．稳定全回流20分钟后，启动部分回流操作（有回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例，即通电时间与停电时间的比值，通常使以秒计，此比例即采出量与回流量之比），按回流比3：1~7：1的速度出料。出料后观察塔釜和塔顶的温度与压力，测量塔顶的出料速度。并分析塔顶和塔釜的组成。

6．改变回流比，重复（5）的操作

7．在完成回流比变化实验后停止加热，分析塔顶和塔釜（温度降下来后）的成分并称量。关掉电源的总开关，并使各按钮归位。关掉冷却水。用水冲洗塔设备，以除去残余的物料。

根据所记录的数据，计算醋酸的转化率和乙酸乙酯收率。

五．实验数据处理

实验原始数据记录：

回流比为4:1的塔顶气相产品

------------------------------------------------------------------------------------------

序号保留时间峰面积峰高面积百分比峰宽峰类型

------------------------------------------------------------------------------------------

1 0.28 137319 25483 16.51% 0.713 BV

2 1.01 111654 14877 13.42% 0.807 VB

3 3.97 582993 11312 70.07% 2.853 BB

峰数量：3 总峰面积：831966000E-3 总含量= 100%

回流比为5:1的塔顶气相产品

------------------------------------------------------------------------------------------

序号 保留时间 峰面积 峰高 面积百分比 峰宽 峰类型 ------------------------------------------------------------------------------------------

1 0.28 75351 14895 10.80% 0.711 BV

2 0.99 12949

3 17116 18.56% 0.852 VB 3 4.07 492798 9912 70.64% 2.558 BB 峰数量：3 总峰面积：697642000E-3 总含量 = 100%

回流比为6:1的塔顶气相产品

------------------------------------------------------------------------------------------

序号 保留时间 峰面积 峰高 面积百分比 峰宽 峰类型 ------------------------------------------------------------------------------------------

1 0.29 44971 7544 9.29% 0.745 BV

2 1.00 115634 15319 23.88% 0.72 VB

3 4.30 323599 7080 66.83% 2.398 BB 峰数量：3 总峰面积：484204000E-3 总含量 = 100%

回流比为7:1的塔顶气相产品

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序号 保留时间 峰面积 峰高 面积百分比 峰宽 峰类型 ------------------------------------------------------------------------------------------

1 0.27 30763 5009 6.85% 0.71

2 BV 2 0.95 128997 1737

3 28.72% 0.692 VB 3 4.27 289443 6527 64.43% 2.279 BB 峰数量：3 总峰面积：449203000E-3 总含量 = 100%

1、计算塔顶液体浓度分布

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 ∑= 故以回流比为5:1的塔顶产品为计算举例：

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。

753510.8701

7.81%

753510.8701129493 1.000492798 1.307

i i

A f x A f ⨯=

=

=∑⨯+⨯+⨯水水水

129493 1.000

15.43%

753510.8701129493 1.000492798 1.307i i

A f x A f ⨯=

=

=∑⨯+⨯+⨯乙醇乙醇乙醇