E03-固体酸催化酯化合成乙酸丁酯

M广/卡实验报告课程名称：化工专业实验实验名称：固体酸催化酯化合成醋酸丁酯指导老师：实验类型：有机工艺实验专业：姓名：学号：日期：地点：成绩：同组学生姓名：一、实验目的和要求三、主要仪器设备五、实验数据记录和处理七、讨论、心得二、实验内容和原理四、操作方法和实验步骤六、实验结果与分析一、实验目的.了解与掌握固体酸催化酯化工艺特点;.掌握毛细管色谱仪的使用方法；二、实验原理有机酸与醇进行酯化反应，是一个典型的酸催化的可逆反应，如本实验中采用乙酸和正丁醇反应，其反应方程式如下：CH3COOHC4H90HMCH3COOC4H9H2O并具有下列关系式：MC水k!E二二KC酸C醇k逆式中：C—物质浓度，k—反应速度常数，K—平衡常数。为使反应加速常加入少量催化剂，工业上是加浓硫酸或通干燥氯化氢为催化剂，本实验中采用固体酸催化剂。固体酸催化酯化合成乙酸丁酯的工艺，采用阳离子交换树脂或分子筛固体酸催化剂代替硫酸液体催化剂合成乙酸丁酯，不仅可以克服因硫酸存在下的容器腐蚀和发生副反应的严重缺点，同时固体酸催化剂还具有来源容易、用量少、能反复使用，催化剂与产品分离容易，便于连续生产，而且产物乙酸丁酯纯度高的特点。酯化与水解是可逆的化学平衡。从工业生产角度来看，采用一些简单的措施就可使转化率接近100%,主要的方法是蒸出水或酯。在乙酸丁酯的合成中，利用精微的方法由水和醇、酯能形成共沸的特点将所生成的水蒸出，蒸出的酯及醇冷凝后在分水器中分层形成油层和水层，油层返回反应釜，直至反应完全。酯则留在反应釜中。选用合适的酯化催化剂及其用量在保证酯化反应顺利进行方面有决定性作用。本实验用强酸性阳离子交换树脂，这类离子交换树脂均含有可被阳离子交换的氢质子，属强酸性，有很好的催化活性，即在此酸中心上可进行酸催化酯化反应。本实验用阳离子交换树脂作为催化剂，以乙酸和正丁醇为原料进行反应，利用精微的方法蒸出水，酯则留在反应釜中。然后对釜液进行气相色谱分析。产品（釜液）的分析方法：（本次实验不用内标法，直接用峰面积代替百分数）产品分析用毛细管气相色谱法，其色谱条件：柱温90C,进样器温度150C,检测器温度160C。产品中各组分的含量采用内标工作曲线法。内标工作曲线法是各种浓度的标准溶液中加入相同量的内

标物，分别测量i组分与内标物s的峰面积A,以峰面积比A/As与G绘制工作曲线，求出回归方程:G=ab—As将与标准溶液中的相同量的内标物加至样品溶液中，分别测量样品中i组分与内标物s的峰面积A,以峰面积a/As代入回归方程计算出样品中i组分的含量。本实验用异丙醇作为内标物，取各种浓度的标准溶液2ml,和异丙醇0.5ml于10ml容量瓶中混合均匀，进样量0.2uL测定并求出其内标工作曲线方程。取产品2ml和异丙醇0.5ml与10ml容量瓶中混合均匀，进样量0.2ul。测量产品中组分i与内标物的分买年纪a,以峰面积a/As代入回归方程计算出样品中i组分的重量百分数g%。三、实验材料和装置.试剂乙酸（CH3COOH）沸点118C,分子量60.05,比重约1.05正丁醇（C4H9OH）沸点117.8C,分子量74.12,比重0.81催化剂阳离子交换树脂A-15型异丙醇.主要仪器设备磁力搅拌加热器，三口瓶，精微柱，冷凝管，温度计，气相色谱仪。.实验装置口分享器电加热卷固体酸催化酯化合成乙酸丁酯的实验装置图分享器电加热卷固体酸催化酯化合成乙酸丁酯的实验装置图四、实验步骤.称出空三口瓶（包括搅拌子）的质量。.在量筒中量取约20ml的乙酸，并在天平上称量盛有乙酸的量筒的总质量并记录。.将量筒中的乙酸倒入三口瓶中，称量并记录剩下的乙酸与量筒的总质量。两次称量的质量差即为倒入三口瓶中的乙酸的质量。记录并计算出乙酸的摩尔数。

.按照正丁醇：乙酸=1:1（摩尔比），算出正丁醇的体积（ml）,量取正丁醇，倒入三口瓶中，称量并记录正丁醇的质量。（同样采用量筒与正丁醇总质量的差量法称重）.催化剂质量按乙酸质量的5%计算，称量并记录催化剂质量，倒入三口瓶中。注意不要让催化剂粘附在三口瓶的瓶口壁上，以免漏气造成损失。最好用漏斗加入催化剂。.开冷却水，打开磁力搅拌加热器，升温和搅拌。.加热回流，釜液沸腾，经精储柱将水和醇、酯形成的共沸物蒸出。.此时蒸出由乙酸丁酯、水和正丁醇组成的共沸混合物，经过精微柱，收集于分水器中。上层油层中含81%乙酸丁酯，13%正丁醇，6%水，下层水层中含有1%乙酸丁酯，3%正丁醇，96%水。油层返回反应釜中。若水层过高，应及时放出，防止溢出回反应釜中。同时要记录倒出水的质量。.待分水器中的水量不再增加时，釜液温度约124~125C,精储柱温度约117~120C,则可以认为酯化过程已终止，记录釜液温度和精微柱温度。.关电源和冷却水，待反应釜内温度降至80C以下时，卸下反应釜称重并记录釜液质量。然后用水冷却至室温，取釜液进行气相色谱分析，记录产品（反应产物）组成。.从分水器中放出全部水，称重并记录水量。五、实验数据记录和处理1.实验数据记录五、实验数据记录和处理1.实验数据记录（1）乙酸质量：19.4961g出水量：5.4736g釜底最后温度：128c正丁醇质量：23.8965g产品质量：36.4502g精微柱最后温度:120c催化剂质量：0.9749g（2）色谱分析的各组分重量百分含量Ci%毛细管气相色谱法所得色谱图如下：报告结果如下表:信号保留时间[min]类型峰宽[min]面枳[pA*s]面枳%1L825BB0.01512,934110.5083512.278PB0.020144.307165.6717613.189PB0.0212381,3791793.596311&840BB0.0255.688300.22357根据气相色谱的基本原理，对于非极性色谱柱，溶质分子的沸点越高，或摩尔蒸发崎越大，则越难从柱子上析出来，出峰时间越长。产品中主要有乙酸、正丁醇、乙酸正丁酯、水，各组分的沸点为：水100C,乙酸117.9C,正丁醇117.7C,乙酸正丁酯126.5C。由于水含量极少可以忽略，且忽略最后一个小峰，最慢出峰且峰面积最大的应该是乙酸正丁酯。由于乙酸和正丁醇的沸点几乎一样，无法用上述方法粗略分析，实际实验时最好应用标准的乙酸溶液和正丁醇溶液分别做气相色谱测定其保留时间，以与本实验对比，由于实验条件有限，我在网上查阅了相关文献，见陈培丰，郑瑛.固体催化剂催化乙酸与正丁醇酯化反应产物的气相色谱分析，可知第一个峰是乙酸，第二个峰是正丁醇。根据各峰面积占总面积的比例，可得产品中各组分的比例如下表：乙酸止」醇乙酸」酯产品0.5084%5.6718%93.5963%2.实验结果与分析(1)进行物料衡算，求损失产品中各组分重量：乙酸m〔=36.45020.5084%=0.1853g正丁醇m2=36.45025.6718%=2.0674g乙酸丁酯m3=36.450293.5963%=34.1160g损失乙酸质量加=19.4961-0.1853-34.116060.05=1.6757g116.17损失正丁醇质量：m2=23.8965-2.0674-34.116074.12=0.0621g2116.17(2)转化率：已转化的量可根据产物中乙酸丁酯的量来计算，而原料的总量可以采用加料量计算，或者用已转化的量加上剩余的量来计算。工业生产中理应采用前者；本实验中考虑到原料的挥发等损失，采用了后者的计算方式，因为损失掉的原料并未参与反应，这样计算更能反应其化学平衡特性。结果如下：60.0534.1160—乙酸转化率a正丁醇转化率0([J6”7100%=98.96%60.0534.1160-0.1853116.1774.1234.1160=丁.17——100%=91.33%34.1160—.-2.0674116.17若用前者来计算，则60.0534.1160乙酸转化率a正丁醇转化率：116.17乙酸转化率a正丁醇转化率：19.4961741234.1160116.17100%=91.09%23.8965可见，计上损失的部分，两者的转化率都会降低，其中乙酸转化率降低得更为明显，应是实验中操作不当造成其物料损失。六、思考题(1)对该工艺进行评价。本工艺采用间歇式反应，反应设备简单、灵活，在工业上适合小批量的生产。在工艺参数中，本反应对温度控制较为容易，只要溶液沸腾即可，升高加热套的温度即可使反应速度加快。在反应时通过采用蒸储的方法，利用水、醇、酯能形成共沸物的特点将所生产的水蒸出并排走，能很好地分离产物和水，在提高转化率的同时，又得到了较为纯净的产品。在合成时选用合适的催化剂和用量，对于保证酯化反应的顺利进行有决定性作用。本工艺采用强酸性阳离子交换树脂，这类树脂含有可被阳离子交换的氢离子，有很好的催化活性；同时，采用固体酸催化剂能克服因硫酸存在下的容器腐蚀和发生副反应的严重缺点，而且催化剂来源容易，用量少，能反复利用，易于产品分离，便于连续生产，产物纯度高，因此固体酸催化剂有很大的优势。不过固体酸催化剂少了浓硫酸的吸水作用，故在除水方面的符合会稍增大。虽然间歇反应设备简单，转化率高，但不适宜工业化的大规模连续生产。工业上现采用反应精微法、催化精储等方法来实现乙酸乙酯的连续化生产。(2)本实验采用间歇式反应装置，需要考察哪些工艺条件？原料的用量和配比，催化剂的种类和用量，加热条件，体系压强要求，小分子的脱除，精微柱的性能，冷凝条件，反应时间等。七、讨论心得由于实验所用试剂的味道较重，操作时应注意提前搭好装备，再进行试剂的量取和进料，减少原料的挥发损失及减少气味扩散。在加固体催化剂时最好用干燥的漏斗进料，避免颗粒附