反应精馏法制乙酸乙酯

反应精馏法制乙酸乙酯1/10实验一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：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（2）气液平衡方程反应精馏法制乙酸乙酯2/10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：（3）反应速率方程（4）热量衡算方程（5）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，塔内填装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。反应精馏法制乙酸乙酯3/10四，实验步骤1．称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，用漏斗倒入塔釜内，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。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，调整回流比为R=3:1反应精馏法制乙酸乙酯4/10（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。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，关上电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。五，实验数据记录摆锤出现液滴时间为14：45开启回流比时间为15：01开始取样时间为15：31序号时间上段加热电流（A）釜加热电流（A）下段加热电流（A）塔顶温度（℃）釜热温度（℃）114:370.170.420.1422.021.0214:470.20.40.235.684.5314:570.20.40.267.383.4415:070.20.40.267.381.5515:170.20.40.267.381.5615:270.20.40.267.282.2715:370.20.40.267.183.1815:470.20.40.267.084.7915:520.20.40.267.086.81016:070.20.40.267.290.6表1：实验条件记录表载气柱前压：0.05MPa桥电流：100mA进样量：0.2μl检测室温度：135℃汽化室温度：125℃柱箱温度：125℃相对质量校正因子f水=0.8701f醇=1.000f酸=1.425f酯=1.307表2：色谱分析条件表取样时间为15：31序号保留时间面积面积百分比（%）精馏塔上部分析结果10.19830015.5905820.5591581829.4637632.6013486664.94565精馏塔中部分析结果10.189739413.5833420.5601436926.3982332.6213266960.01842精馏塔底部分析结果10.18943327.8157920.5442276241.0661232.6422833351.11809反应精馏法制乙酸乙酯5/10表3：取样时间为15：31时色谱分析结果取样时间为16：01序号保留时间面积面积百分比（%）精馏塔上部分析结果10.18845315.7591820.5412299329.2263532.4815114965.01446精馏塔中部分析结果10.19230065.6468220.5501813934.0752332.6053208860.27795精馏塔底部分析结果10.18756029.2200320.5362994749.2872632.6662521141.49271表4：取样时间为16：01时色谱分析结果塔顶流出液质量103.06g序号保留时间面积面积百分比（%）10.19129376.0340220.5551280826.3177332.6013292267.64825表5：塔顶流出液色谱分析结果塔釜流出液质量42.84g序号保留时间面积面积百分比（%）10.1811970035.4142520.567943216.9563731.6432163038.8830542.86348658.74633表6：塔釜流出液色谱分析结果六，实验数据处理1、计算塔内浓度分布已知：f水=0.8701；f醇=1.000；f酸=1.425；f酯=1.307且iiiiifAfAx故以15：31精馏塔中部液体的含量作为计算举例：反应精馏法制乙酸乙酯6/10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。%13.10307.132669000.1143698701.073948701.07394iifAfAx水水水%63.22307.132669000.1143698701.07394000.114369iifAfAx乙醇乙醇乙醇%24.67307.132669000.1143698701.07394307.132669iifAfAx乙酸乙酯乙酸乙酯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：取样时间为15：31组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量（%）4.0810.135.93乙醇含量（%）24.7222.6335.81乙酸乙酯含量（%）71.2067.2458.26表7：取样时间为15：31含量分析结果图1：取样时间为15：31含量在塔内的分布图取样时间为16：01组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量（%）4.204.177.19乙醇含量（%）24.5228.9344.19乙酸乙酯含量（%）71.2866.9048.62表8：取样时间为16：01含量分析结果反应精馏法制乙酸乙酯7/10图2：取样时间为16：01含量在塔内的分布图如图所示，不同时间段分别在精馏塔的上部、中部和底部取样做色谱分析可知，原料乙醇在精馏塔底部含量最多；而产物乙酸乙酯在精馏塔中间含量最多，水在精馏塔底部含量最多。我们知道若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行，可能是各个组分的沸点不同所致。2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔顶色谱分析作为计算举例：%38.4307.132922000.1128088701.029378701.02937iifAfAx水水水%93.21307.132922000.1128088701.02937000.112808iifAfAx乙醇乙醇乙醇%69.73307.132922000.1128088701.02937307.132922iifAfAx乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯且已知塔顶流出液的质量为103.06g，故：gxmm51.4%38.4103.06水总水gxmm60.22%93.21103.06乙醇总乙醇gxmm94.75%69.73103.06乙酸乙酯总乙酸乙酯反应精馏法制乙酸乙酯8/10对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：组分含量水（g）乙醇（g）乙酸（g）乙酸乙酯（g）原料080.0080.000塔顶4.5122.60075.94塔釜11.526.3420.714.27因此对乙醇进行物料衡算：乙醇的量=塔顶乙醇质量+塔釜乙醇质量+乙醇反应质量80.00=22.60+6.34+乙醇反应质量故：乙醇反应质量=51.06gn乙醇=51.06/46=1.11mol对乙酸进行物料衡算：乙酸的量=塔顶乙酸质量+塔釜乙酸质量+乙酸反应质量80.00=0+20.71+乙酸反应质量故：乙酸反应质量=59.29gn乙酸=59.29/60=0.99mol可以知道，理论上乙醇和乙酸的反应量应为1：1，可能是因为有部分液体残留在精馏塔中，也可能是因为色谱分析存在误差所致。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=（80.00-20.71）/80.00=74.11%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%%36.6860/8088)27.494.75(选择性=收率/转化率=68.36%/74.11%=92.24%七，结果分析及讨论1、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在色谱分析时，样品容易挥发可能导致后面两个量进样不够，故一开始取样应取足够多。③在使用微量进样器进样时速度尽量要快。④为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。⑤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。2、实验误差分析①可能是有部分液体残留在精馏塔中所致。②可能是色谱分析中出现的误差所致。反应精馏法制乙酸乙酯9/10八，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，是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.采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？答：釜内进料，应保证在釜沸腾条件下进料，塔内轻组分上移，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。反应精馏法制乙酸乙酯10/10化工专业实验报告实验名称：实验人员：同组人：实验地点：天大化工技术实验中心室实验时间：班级/学号：级班组号指导教师：实验成绩：