1、1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
2、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。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 CH 3COOC2H5+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
3、式操作，反应只在塔釜内进行。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。水酯，水醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。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 组分进行物料衡算如下2（2）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：（3）反应速率方程（4）热量衡算方程对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：三、实验装置及实验流程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1
4、500mm，塔内填装33mm不锈钢填料(316L) ，填料高度1400mm。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。 3所用的试剂有乙醇、乙酸、浓硫酸、蒸馏水。 四、实验步骤1 称取乙醇、乙酸各75g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中滴加23滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源0.1A ，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
5、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），30min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、实验原始数据记录表实验时由于操作失误，误将废液当做乙醇加入反应釜，导致实验彻底失败，数据无法处理。故不得不采用他组数据，所用数据为第四组李远，吴刚等三人数据，所用原始实验数4据见李远。本组实验原始数据记录表见最后。六、实验数据处理及举例1、计算塔内浓度分布已知： ； 且水 =0.3920醇 =1.0000酸 =0
6、.5389酯 =1.5264 iifAx故以 11：00 精馏塔上段液体的含量作为计算举例：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。水 =水 水= 62700.39262700.392+187091.0000+611311.5264=2.147%醇 =醇 醇= 187091.000062700.392+187091.0000+611311.5264=16.343%酯 =酯 酯= 611311.526462700.392+187091.0000+611311.5264=81.510%对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：表 1：侧线采出样品的色
7、谱分析结果组分 水 乙醇 乙酸乙酯峰面积百分比 A1% 5.98668 23.67532 70.338上段（1100mm） 质量百分比 w1 0.017594 0.1774948 0.804911峰面积百分比 A2% 1.30618 25.4692 72.22462中段（670mm） 质量百分比 w2 0.003759 0.1869644 0.809277峰面积百分比 A3% 6.3622 32.33132 61.3064910:30下段（230mm） 质量百分比 w3 0.019423 0.2517946 0.728782峰面积百分比 A1% 7.28117 21.72696 70.9918
8、7上段（1100mm） 质量百分比 w1 0.021469 0.1634304 0.8151峰面积百分比 A2% 5.45365 24.1138 70.43255中段（670mm） 质量百分比 w2 0.015983 0.1802768 0.80374111:00下段 峰面积百分比 A3% 5.98668 23.67532 70.3385（230mm） 质量百分比 w3 0.017594 0.1774948 0.804911根据上表分别绘制出 10：30 和 11:00 各个组分塔内分布，如下图所示。0 200 400 600 800 1000 120000.20.40.60.81乙 醇 在
9、塔 内 的 浓 度 分 布水 在 塔 内 的 浓 度 分 布乙 酸 乙 酯 在 塔 内 的 浓 度 分布10:30塔 内 各 组 分 浓 度 分 布 图图 2：10:30 塔内各组分浓度分布图0 200 400 600 800 1000 120000.20.40.60.81水 在 塔 内 的 浓 度 分 布乙 醇 在 塔 内 的 浓 度 分 布乙 酸 乙 酯 在 塔 内 的 浓 度 分布11:00塔 内 各 组 分 浓 度 分 布 图图 3：11:00 塔内各组分浓度分布图如图所示，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
10、上部含量最多，水在全塔含量大致相同。随时间增加，产物含量逐渐增加，反应物含量逐渐减少，反映了反应精馏可以起到分离产物和提高反应程度的作用。2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算6塔顶产品的质量：m 顶 =165.3-126=39.3g塔釜产品质量：m 釜 =177.53-78.67=98.86g以塔顶产品分析作为计算举例：水 =水 水= 7.8438150.3927.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=2.3053%醇 =醇 醇= 19.687031.00007.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=14.
11、760%酯 =酯 酯= 72.469161.52647.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=82.9345%其他数据计算同理，计算结果如下表 3：塔顶、塔釜产品色谱分析结果组分 水 乙醇 乙酸乙酯峰面积百分比 A41% 7.87166 19.6844 72.44395峰面积百分比 A42% 7.81597 19.68966 72.49437平均峰面积百分比A4%7.843815 19.68703 72.46916塔顶产品质量百分比 w4 0.023053 0.1476025 0.829345峰面积百分比 A51% 16.48597 35.7444
12、 17.57583 30.1938峰面积百分比 A52% 15.45817 34.1463 20.8994 29.49613平均峰面积百分比A5%15.97207 34.94535 19.23762 29.84497塔釜产物质量百分比 w5 0.064461 0.3597832 0.106736 0.469023、物料衡算（1）塔顶产品中：水： 39.30.023053=0.906g 水 =水 水 =乙醇： 39.30.1476025=5.80g 醇 =醇 醇 =乙酸乙酯： 39.30.829345=32.59g 酯 =酯 酯 =7（2）塔釜产品中：水： 98.860.064461=6.37g
13、 水 =水 水 =乙醇： 98.860.3597832=35.56g 醇 =醇 醇 =乙酸： 98.860.106736=10.55g 酸 =酸 酸 =乙酸乙酯： 98.860.46902=46.36g 酯 =酯 酯 =反应中产生的乙酸乙酯=32.5946.36=78.95g 消耗的乙醇78.9546/88=41.27g 消耗的乙酸78.9560/88=53.83g 理论上剩余乙醇75.4541.2734.18g 实际剩余乙醇5.80+35.5641.36g 理论上剩余乙酸75.6753.8321.84g 实际剩余乙酸10.55g 原料总质量75.4575.67150.12g 产物总质量98.
14、8639.3138.16g 4、转化率及收率的计算乙酸转化率=乙酸加料量-釜残液乙酸量 /乙酸加料量100%=(75.67-98.860.106736)/75.67100%=86.01%；乙醇转化率=乙醇加料量-釜残液乙醇量 /乙醇加料量100%=(75.45-98.860.3597832)/75.45100%=52.86%乙酸乙酯的收率=产品乙酸乙酯的物质的量/原料乙酸的物质的量100%=(39.30.829345+98.860.46902)/88/(75.67/60)100%=71.15%七、实验结果分析与讨论1、实验注意事项使用微量注射器在 3 个不同高度取样，应尽量保持同步。在使用微量
15、进样器进样时速度尽量要快。因水出峰较早，可以先点击开始后进样。在称取釜残液的质量时，尽量等到持液全部流至塔釜后才取釜残液，实验中等到塔釜温度降至850后取样。2、实验误差分析可能是有部分液体残留在精馏塔中所致。可能是色谱分析中出现的误差所致。3、反应精馏的优点由于该反应是一个放热反应，反应精馏可以利用这部分能量推动精馏的进行，很大程度上的达到节能的效果；将精馏和反应过程耦合起来大大节省了空间和设备；破坏了可逆反应平衡，增加了反应的选择性和转化率，使反应速度提高，从而提高了生产能力。八、思考题1、试查文献找出除乙酸乙酯反应精馏外，还有那些产品能用反应精馏法制的？成醚反应，水解反应，加成反应，醇脱
16、水反应，苯取代反应，聚合物合成反应。2、连续反应精馏应怎样操作？简单叙述流程。连续精馏在塔某处或塔釜进料，在塔某处出料，在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（称为釜残液） ；部分液体被汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器被全部冷凝，将部分冷凝液用泵（或借重力作用）送回塔顶作为回流液体，其余部分作为塔顶产品（称为馏出液）采出。3、采用固体催化剂时，实验室和工业塔怎么装填？捆包式包装结构；将催化剂装在规整填料的夹层中；将催化剂装在塔板上的固定容器中；催化剂与填料混装的结构4、怎样提高酯化收率？ 答：对于本实验CH 3COOH
17、 + C2H5OH CH 3COOC2H5+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。5、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。6、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。97、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。 8、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。
