实验一反应精馏制乙酸乙酯

■■实验一反应精馏法制乙酸乙酯

、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：

CH3C00H + C 2H5OH ? CH 3COOC2H5+H 20

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。

本实验采用间歇式进料方式，物料衡算式和热量衡算式为：

（1）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

SG + 讯+ Fj Z 打+ 乓"几+ g

2 弓S j=L23.4

(2) 气液平衡方程

对平衡级上某组分i的有如下平衡关系：

心-"兀J = 0

每块板上组成的总和应符合下式：

工心=1; 工几=1

|"1 |«1

（3）反应速率方程

2

厂弓伶民］X”

（4）热量衡算方程

（5）对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：

SS - 啊一站 +SS + F乩-Q + R贰=0

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，塔内填装$ 3X 3m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。

1测温热电阻2冷却水3摆檯4 |：：/?.■＜； 5培头6閤出液收集瓶 7回流比控制器8取样口 g 塔体io 数字式sa 度显术器 U 控温仪

12加料门13塔羞14电加热器1S 卸料口

图2反应精ta 流程及装世

四、实验步骤

1. 称取乙醇、乙酸各80g ，相对误差不超过1g ,用漏斗倒入塔釜内，并向其中用滴管滴加

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 记录一次塔顶、塔釜 温度和各加热元件电流。

2. 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，

14

2~3滴浓

2

目

3

4 6

8 3

9 12 13 15

设定回流比为R=3:1

（打开收集旋塞），20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进行色谱分

析，30min后，再取一次进行色谱分析，取样时尽可能保证同步。（色谱分析时取0.2卩I样品注入色谱分析仪，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用）

3.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，分别重复分析两次（当持液全部回流至塔釜后再取塔釜残液）

4.关闭回流，关闭冷凝水及塔釜及塔身加热电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。

五、实验数据记录

5.1原始数据记录：

表1实验仪器原始数据记录表

注：15:05开始全回流；15:20开始部分回流；15:41第一次取样；16:11第二次取样

表2实验过程中取样色谱分析原始数据记录表

表3色谱分析条件表

表4原料原始数据记录表

注：乙酸乙酯的分子量为88.11

表5产品原始数据记录表

5.2数据处理：

5.2.1塔内各物质质量浓度分布的计算

表6精馏过程数据处理表

塔内各物质质量浓度分布的计算举例（表 计算举例）

:

=0.7902且计算各组

0.67 6953+1 32971+1.82 77896

分的质量分数

以第二次取样的中段醇为例

x 乙酸乙酯

f

乙酸乙酯

A 乙酸乙酯

f 水A 水+&醇A 乙醇+f 乙酸乙酯A 乙酸乙酯

由表 3 知：相对校正因子：f 水=0.7628; f 乙醇=1.000 ； f 乙酸 =1.4052

: 1 X 24. 00234% 1 =如.7628 x 6. 59026%+ 1 x 24. 00234%+ 1. 2591 x 69. 40741%一

二 20. 617%

同理可以计算得出表 6。

5.2.2塔产品质量浓度分布的计算

表7精馏产品数据处理表 位置

物质 色谱平均百分比% 组分质量百分数/%

塔顶

水

7.215795 4.722934 乙醇 22.33371 19.16363 乙酸乙酯 70.4505 76.11343 塔釜

水

15.72576 10.60704 乙醇 34.44352 30.45646 乙酸 26.76280 33.25381 乙酸乙酯

23.06793

25.68270

5.3塔内浓度分布表（据表6数据得）：

酯。

由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔内，故塔体内共有

3个组分，即水、乙醇、乙酸乙

图一 水的质量分数分布图 w1 打 w2

图二 乙醇的质量分数分布图

x 乙醇

f

乙醇

A 乙醇%