反应精馏制乙酸乙酯

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、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。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： CH 3COOH + C 2H5OH ? CH 3COOC 2H5+H 2O 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

3、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 SG+ss+巧乙+號厂叽+g 2弓Wm j=1?23.4 （2）气液平衡方程 对平衡级上某组分i的有如下平衡关系： 心心-兀=0 每块板上组成的总和应符合下式：

4、nIt 工G=1;4=1 r=lrl （3）反应速率方程 x Y xl5 II。兀j丿 （4）热量衡算方程 对平衡级进行热量衡算，最终得到下式： S 啊L.h. + Z冋+i + FjH厂 0 + R尹H = 0 国1 411巴_ 上的气液流恥滤图 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1500mm，塔内填装$ 3X 3m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

5、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、蒸馏水。 4 6 8 9 12 13 15 1側温热电阻2冷却水3摆置4心段4 5帘头6備出液收集瓶 7回流比控制器8 lit#口 g塔休10数字式温度显术器11控温仪 12加料门13塔羞14电加热器15卸料口 图2反应梢慵流穆及装世 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后，开启回

6、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.；打：.：曲；二：.；:肿一, .

7、V：且 X _ Afi iTAi fi 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。 6270 x 0.392 =2 147% 6270 X 0. 392 + 18709 X 1.0000 + 61131 x L 5264 4材醇 18709 x 1. 0000 6270 X 0 392 + 18709 x LOOOO + 61131 X 1. 5264 - V, 2/莎 61131 X 5264 =81, 510% 6270 x 0” 392 + 18709 X 1.0000 +61131 x 1 526

8、4 对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格: 表1:侧线采出样品的色谱分析结果 组分 水 乙醇 乙酸乙酯 上段 峰面积百分比 A1% 5.98668 23.67532 70.338 (1100mm) 质量百分比 W1 0.017594 0.1774948 0.804911 10:30 中段(670mm) 峰面积百分比 A 2% 1.30618 25.4692 72.22462 质量百分比 W2 0.003759 0.1869644 0.809277 下段(230mm) 峰面积百分比 A3% 6.3622 32.33132 61.30649 质量百分比 W3 0.019423 0.2517

9、946 0.728782 上段 峰面积百分比 A 7.28117 21.72696 70.99187 (1100mm) 质量百分比 W1 0.021469 0.1634304 0.8151 11:00 中段(670mm) 峰面积百分比 A2% 5.45365 24.1138 70.43255 质量百分比 W2 0.015983 0.1802768 0.803741 下段(230mm) 峰面积百分比 A3% 5.98668 23.67532 70.338 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

10、。 10:30塔内各组分浓度分布图 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 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 5 以塔顶产品分析作为计算举例: 7.843815 x 0. 392 7,8

11、43(315 X 止 3醴+刁9石8?03匚 1.00007246916 xT. 5264 = 2j 3C)j3% 19.60703 X 1.0000 斗=血= 14 760% 醉孑 王肌X 0. 392 + 19.60703 X LOOOO + 7246916 X 1. 5264 72.46916 X 1” 5264 =82 9345% 7.843815 X 0. 392 + 19.68703 X 1.0000 + 72.46916 X 1.5264 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 塔顶产品 峰面积百分比A41% 7.87166

12、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 质量百分比W4 0.023053 0.1476025 0.829345 塔釜产物 峰面积百分比A51% 16.48597 35.7444 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 质量百分比W5 0.064461 0.3597832

13、 0.106736 0.46902 3、物料衡算 (1)塔顶产品中: . m.L = m.L.XJCK = 水：39.3 X 0.023053=0.906g 卄亠= m. x = 乙醇：39.3X 0.1476025=5.80g ,m-p二m曲x龙曲= 乙酸乙酯：39.3 X 0.829345=32.59g (2)塔釜产品中: 水：98.86X 0.064461=6.37g 乙醇：98.86 X 0.3597832=35.56g 乙酸： 98.86 X 0.106736=10.55g 乙酸乙酯：7 一J98.86 X 0.46902=46.36g 反应中产生的乙酸乙酯 =32.59 + 46.

14、36=78.95g 消耗的乙醇=78.95 X 46/88=41.27g 消耗的乙酸=78.95 X 60/88=53.83g 理论上剩余乙醇=75.45 - 41.27 = 34.18g 实际剩余乙醇=5.80+35.56 = 41.36g 理论上剩余乙酸=75.67 53.83 = 21.84g 实际剩余乙酸=10.55g 原料总质量=75.45+ 75.67= 150.12g 产物总质量=98.86 + 39.3= 138.16g 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X 100% =(75.67-98.86 X 0.106736)/75.67 X 10

15、0%=86.01% ; 乙醇转化率=乙醇加料量-釜残液乙醇量/乙醇加料量X 100% =(75.45-98.86 X 0.3597832)/75.45 X 100%=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X100% =(39.3 X 0.829345+98.86 X 0.46902)/88/(75.67/60) X 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

16、取釜残液，实验中等到塔釜温度降至 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

17、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CH3COOH + 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