反应精馏技术制备乙酸乙酯

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.学会分析全塔物料衡算的方法。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现象，又有反应的化学变化现象。两者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对以下两种情况特别适用：（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。醇酸酯化反应属于第一种情况。但该反应在无催化剂存在时反应速度非常缓慢，反应精馏操作达不到高效分离的目的，故一般需要添加催化剂。酸是有效的催化剂，反应随酸浓度增高而加快，浓度在0.2～1.0%（wt.）。本实验是以醋酸和乙醇为原料、在硫酸催化剂作用下生成醋酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为：实验的进料方式有两种：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。本实验采用塔釜间歇式进料。反应精馏过程中，塔内有四组元。由于醋酸在气象中有缔合作用，除醋酸外，其他三个组分形成三元或者二元共沸物。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，可使某组份全部转化。因此，可认为反应精馏的分离塔同时也是反应器。全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述。三、装置流程与面板布置图OHCHCOOCHCHCOOHCHOHCHCH23233231.装置流程示意图塔釜塔头符号说明BV二通球阀RV调节阀HV热阀F转子流量计V储罐EW电子称HE换热器MV电磁阀MC电磁线圈L液面计P泵W预热器TE温度传感器TIC控温TY加热原件PI测压TI测温PITE02TIC0202TYTE01TIC0101TYTE08TI02TE07TI01MCTE06TIC0606TYW-2L-3V-3L-5V-4BVP-1TE05TIC0505TYW-1TE03TIC0303TYTE04TIC0404TYBVL-1L-2V-1V-2BVBVBVBVBVBVBVBVBVBVBV取样口取样口取样口RVFRVFRVBVBVBVBVMVTE09TIC0707TY2.面板布置图四、实验装置与试剂反应精馏塔用不锈钢制成，直径20mm，塔内填料高度1400mm，塔内装填Φ2.5×2.5mm不锈钢θ网环型填料（316L）。塔釜为不锈钢制，容积1000ml，塔外壁缠有炉丝，通过控温仪表使塔身加热保温。塔釜外壁有加热套，底部有加热炉盘，功率3000W。采用人工智能型仪表控制釜温。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可摆动的料斗、电磁铁线圈、回流比计时器组成。五、实验步骤1.将270ml乙醇和210ml乙酸混合，滴入8滴浓H2SO4，搅拌后注入塔釜。开启循环冷却水。2.开启加热面板电源，按下塔釜控温按钮，等待塔釜控温升温至设定值（240°C）。3.待塔釜测温稳定在80°C左右时，釜液开始沸腾，按下下段保温（设定值70°C）、上段保温（设定值60°C）和回流保温（设定值50°C）按钮对塔身进行保温。4.当从视镜观察有回流液出现时，保持全回流状态稳定10min后，分别在塔釜和塔顶取样进行色谱分析，并记录数据。5.设置回流比为3:1，稳定10min后，分别在塔釜和塔顶取样分析，并记录数据。6.关闭加热、等待10分钟塔身冷却后，将全部塔顶采出液和全部塔釜采出液取出称重，并用色谱分析组成，记录数据。7.停止通冷却水，整理清理实验仪器，结束实验。六、实验数据记录与处理1、数据记录①物料加入与产出原料加入量产品产出量乙醇乙酸浓硫酸塔顶塔釜270ml210ml8滴101.4g300.46g②全回流状态塔顶物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.115767060.017620.273292391950.228630.4155973130035747.546840.88210466092757323.059551.91520616820.041862.78264489277979769.1057塔底物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.2911833156.6671.060620.49174224311.3858.168330.9981718495369.84432.043141.94117615543.6035.222653.857808815924853.5054③回流比3:1塔顶物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.08238.288169.70.007620.29779.2882044.5320.09130.41563969.727289520.62512.882840.91571656.891519221.523.100751.948108.332994.6240.044363.09839579.0121435656.7363.8737塔底物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.3071306.4333548.6551.729220.515905.16215460.8117.533730.9910634.46368726.63333.48941.94941.81126666.171953.9575748.333104819.20351.0762④最终产品塔顶物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.09817.143146.60.007620.298653.9551578.7210.081430.4426000.969136080.9387.015840.93264717.268462305.03123.834651.96560.571476.60.024663.14837345.3131339053.7569.0361塔底物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%10.12333.524300.070.015920.29646.6381743.0920.092430.41556488.473266641.59414.133240.89885867.5695600.68836.8751.99843023.255456854.43824.215363.57317376.541465491.93824.67322、数据处理①成分分析色谱条件：GDX-102色谱柱、D3*2m；载气为氢气；载气流量40ml/min(柱头压0.04MPa)；进样量1μL；柱温150°C；检测器（使用检测器III）温度110°C桥流120mA；气化室（使用气化室I）温度140°C色谱出峰顺序及停留时间：水（0.46min），乙醇（0.82min），乙酸（2.5min），乙酸乙酯（4.9min）。色谱质量相对校正因子fi：水（1.000），乙醇（1.525），乙酸（2.035），乙酸乙酯（1.650）。那么，组分i的质量浓度wi=Ai*fi/∑(Ai*fi)，其中Ai为组分i的色谱峰面积，fi为组分i的色谱质量相对校正因子。在3.148min处的峰是乙酸乙酯的峰，1.965min为乙酸，0.932min为乙醇，0.44min处为水，以最终产品的塔顶产物中的乙酸乙酯为例计算质量浓度%405.72650.1*1339053035.2*6.476525.1*4623051*136080650.1*1339053**iifAfAw乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯同理得到其他成分的质量浓度w,列于表中塔顶物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%质量浓度w%物质10.09817.143146.60.0076-杂峰20.298653.9551578.7210.0814-杂峰30.4426000.969136080.9387.01584.459471067水40.93264717.268462305.03123.834623.1038587乙醇51.96560.571476.60.02460.031783704乙酸63.14837345.3131339053.7569.036172.40490878乙酸乙酯塔底物料色谱分析峰号停留时间峰高峰面积含量%重量浓度w物质10.12333.524300.070.0159-杂峰20.29646.6381743.0920.0924-杂峰30.41556488.473266641.59414.13328.814035443水40.89885867.5695600.68836.8735.06523548乙醇51.99843023.255456854.43824.215330.73188327乙酸63.57317376.541465491.93824.673225.38884949乙酸乙酯②乙醇物料衡算加入乙醇摩尔量=产物乙醇摩尔量+乙酸乙酯摩尔量已知加入270ml乙醇，乙醇密度为0.789g/ml，相对分子质量46g/mol则加入乙醇摩尔量molMVn631.446270*789.0加入塔顶产物质量为101.4g，则乙醇摩尔量molwmn524.04623103.0*4.10146*塔顶乙醇同理，塔底产物质量300.46g,乙醇摩尔量molwmn29.2463506.0*46.30046*塔釜乙醇塔顶产物乙酸乙酯摩尔量molwmn859.08872404.0*4.10188*塔顶乙酸乙酯塔顶产物乙酸乙酯摩尔量molwmn867.0882538.0*46.30088*塔顶乙酸乙酯mol54.4867.0859.029.2524.0产品乙酸乙酯摩尔量产品乙醇摩尔量考虑物料损失和计算误差可以看出乙醇满足物料守恒，因此判断和计算正确。③乙酸全塔物料衡算加入乙酸摩尔量=产物酸摩尔量+乙酸乙酯摩尔量已知加入210ml乙醇，乙醇密度为0.1.048g/ml，相对分子质量60g/mol则加入乙酸摩尔量molMVn668.360210*048.1加入塔顶产物质量为101.4g，则乙酸摩尔量molwmn00054.0600003178.0*4.10160*塔顶乙酸同理，塔底产物质量300.46g,乙酸摩尔量molwmn539.1603073.0*46.30060*塔釜乙酸塔顶产物乙酸乙酯摩尔量molwmn859.08872404.0*4.10188*塔顶乙酸乙酯塔顶产物乙酸乙酯摩尔量molwmn867.0882538.0*46.30088*塔顶乙酸乙酯mol266.3867.0859.0538.100054.0产品乙酸乙酯摩尔量产品乙酸摩尔量考虑物料损失和计算误差可以看出乙酸满足物料守恒。④转化率根据以上计算可以得到转化率%03.58%100*668.3539.1-00054.0-668.3-醋酸加料量产物中醋酸含量醋酸加料量转化率七、思考题1.怎样提高酯化收率？答：可以增加反应物的浓度，即增加乙醇的进料质量，塔顶冷凝分离产物要及时，防止可逆反应逆向移动，还可以增加回流比，提高转化率。2.如何采用连续进料操作方式，操作条件需要做哪些调整？答：采用连续进料的方式，一般在塔侧进行加料，原料不断的加入，同时塔顶和塔釜不断采出产物，塔内维持稳定状态，塔内物料的组成至于几何位置有关，而不随时间变化发生改变。3.采用连续进料操作方式能否进行醋酸和乙醇的全塔物料衡算？如果可以的话，如何衡算？答：采用连续进料的操作方式可以进行物料衡算，在进行衡算时，使用的不是物料的加入量和产量，而是物料的加入速率以及产品的采出速率，同时要保持塔内的操作位连续稳定状态，并进行组成分析。4.不同回流比对产物有何影响？答：不同的回流比会影响产物的组成，回流比增大时，乙酸乙酯的浓度会增加，但当回流比过大时，传质推动力减小，理论塔板数增大，需要的投资增加。