实验一反应精馏制乙酸乙酯

..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

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） （5）

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。

四、实验步骤

1． 称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过1g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中用滴管滴加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记录一次塔顶、塔釜温度和各加热元件电流。

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，设定回流比为R=3:1（打开收集旋塞），20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析，取样时尽可能保证同步。（色谱分析时取0.2μl样品注入色谱分析仪，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用）

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，分别重复分析两次（当持液全部回流至塔釜后再取塔釜残液）

4． 关闭回流，关闭冷凝水及塔釜及塔身加热电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。 五、实验数据记录

5.1原始数据记录：

表1 实验仪器原始数据记录表

时间 14：49 14：59 15:09 15:19 15:29 15:39 15:49 15:59 16:09 塔顶温度?C 18.4 18.5 66.0 66.2 66.1 66.2 66.1 66.2 66.0 釜控温度?C 19.4 85.2 84.3 82.8 82.0 81.7 81.7 81.7 81.9 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 各加热元件电流mA 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 16:19 66.1 82.3 0.1 0.4 0.1 注：15:05开始全回流；15:20开始部分回流；15:41第一次取样；16:11第二次取样

表2 实验过程中取样色谱分析原始数据记录表

取样次数 塔身第一次 取样位置 上 峰号 1 2 3 1 2 3 下 1 2 3

停留时间min 0.871 1.400 4.357 0.571 1.082 3.931 0.459 0.982 3.981

面积 / 9876 16186 32591 3697 19051 45644 2547 13216 30007

面积百分比/% 16.83754 27.59639 55.56607 5.40558 27.85534 66.73908 5.56503 28.87384 65.56113

中 塔身第二次 上 1 2 3 0.514 1.034 3.919 0.366 0.892 3.744 0.371 0.884 3.737 0.351 0.876 3.714 0.348 0.874 3.764 0.756 1.290 2.900 4.548 0.343 0.871 2.464 4.080 4261 16337 42337 4620 16825 48654 4375 18800 45418 4416 14534 46537 4557 13322 41400 5746 12807 9613 8507 9645 20754 16689 14018 6.76677 25.94185 67.29138 6.59026 24.00234 69.40741 6.37776 27.40821 66.21402 6.74360 22.19402 71.06238 7.68799 22.47340 69.83862 15.66733 34.92324 26.21393 23.19550 15.78418 33.96380 27.31166 22.94035 中 1 2 3 下 1 2 3 塔顶 塔顶 塔釜 1 第一次 2 3 1 第二次 2 3 1 第一次 2 3 4 1 第二次 2 3 4 塔釜

表3 色谱分析条件表

载气柱前压 汽化室温度 进样量 相对校正因子 0.05?Pa 100C 0.2?L ?桥电路 柱箱温度 检测器温度 100?A 126C 126C F乙酸乙酯=1.2591 F乙酸=1.4052 ??F水=0.7628 F乙醇=1

表4 原料原始数据记录表

原料 乙酸 乙醇 原料质量/g 79.63 分子量 60.05 46.07 质量分数/% >99.5% >99.5% 79.30 注：乙酸乙酯的分子量为88.11

表5 产品原始数据记录表

取出位置 塔顶 塔釜 空瓶质量/g 61.92 89.96 瓶与产品质量/g 产品(乙酸乙酯)质量/g 109.92 48.00 193.52 103.56

5.2数据处理：

5.2.1塔内各物质质量浓度分布的计算

表6 精馏过程数据处理表

取样次数 取样位置 物质 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸乙酯 组分 质量百分数/% 11.633 24.996 63.371 3.554 24.011 72.434 3.670 24.963 71.367 4.456 22.396 73.147 4.318 20.617 75.065 4.207 23.701 72.092 上段 第一次 取样 中段 下段 上段 第二次 取样 中段 下段

塔内各物质质量浓度分布的计算举例（表6计算举例）：

根据公式xi?fiAi%?fiAi%且计算各组分的质量分数

以第二次取样的中段醇为例

由于乙酸的沸点较高，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。

由表3知：相对校正因子：f水=0.7628；f

x乙醇?乙醇

=1.000；f

乙酸

=1.4052

f乙醇A乙醇%?fiAi%??1?24.00234%??? ?0.7628?6.59026%?1?24.00234%?1.2591?69.40741%??20.617%

同理可以计算得出表6。

5.2.2塔产品质量浓度分布的计算

表7 精馏产品数据处理表

位置 塔顶 塔釜 物质 水 乙醇 乙酸乙酯 水 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 色谱平均百分比% 7.215795 22.33371 70.4505 15.72576 34.44352 26.76280 23.06793 组分质量百分数/% 4.722934 19.16363 76.11343 10.60704 30.45646 33.25381 25.68270

5.3塔内浓度分布表（据表6数据得）：

w1 w212 w1 w2252410w1 (%)8w1 (%)236224212200400600800100012002020040060080010001200H (mm)H (mm)

图一 水的质量分数分布图 图二 乙醇的质量分数分布图

76 w1 w2747270w1 (%)6866646220040060080010001200H (mm)

图三 乙酸乙酯的质量分数分布图

5.4乙酸乙酯反应收率和转化率的计算

m乙酸?79.63gM由表4知各物质：m乙醇?79.30gM乙酸乙醇?60.05g/mol?46.07g/mol

M乙酸乙酯?88.11g/mol化学反应方程式为：CH3COOH + C2H5OH ? CH3COOC2H5+H2O 本实验中，由于乙醇是过量的，因此用乙酸进行计算。

理论上乙酸全部反应：m乙酸乙酯理论量m乙酸乙酯实际量?79.63?88.11/60.05?116.839g?48.00?76.11343%?103.56?25.68270%?36.534?26.597?63.131g其中有26.597g存留在塔釜中，故反应收率为：m乙酸乙酯实际塔顶量/m乙酸乙酯理论量?100%?36.534/116.839?100%?31.269% 釜残液乙酸量：m剩余乙酸?103.56?33.25381%?34.438g

乙酸转化率＝[乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量 =（79.63—34.438）/79.63×100%=56.752 %

5.5全塔物料衡算

5.5.1乙酸的全塔物料衡算：

以全塔为研究对象，物料守恒应有： 乙酸加料量=釜残液乙酸含量+反应的乙酸量 乙酸加料量=79.63g

釜残液乙酸含量=103.56×33.25381%=34.438g

反应掉乙酸量=M乙酸×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=60.05×63.131/88.11=43.026g

釜残液乙酸含量+反应的乙酸量=34.438+43.026=77.464g≈乙酸加料量=79.63g 相对误差：(79.63-77.464)/79.63=2.720%

由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒 5.5.2乙醇的全塔物料衡算：

以全塔为研究对象，物料守恒应有： 乙醇加料量=反应的乙酸量+乙醇剩余量 乙醇加料量=79.30g

反应掉乙醇量=M乙醇×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=46.07×63.131/88.11=33.009g 乙醇剩余量=塔顶蒸发掉乙醇量+釜残液乙醇含量 =48.00×19.16363%+103.56×30.45646%=40.739g

所以故反应掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g≈乙醇加料量=79.30g 相对误差：（79.30-73.748）/79.30=7.001%

由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响，故近似守恒 六、实验结果与讨论及改进实验的建议

1.由塔浓度分布图，可知随着塔高的增大，全塔内，乙醇的质量浓度随之减小，产物乙酸乙酯的质量浓度随之增大。这是由于水-乙酸乙酯形成的共沸物具有较低的沸点，属于轻组分，通过精馏主要存在于塔的较高处，水-乙醇属于重组分，主要存在于塔较低处。乙酸仅在塔釜液中存在，这是由于乙酸的沸点为118℃，而塔操作的最高温度为80℃无法使乙酸蒸发进入塔内。

数据图中，第三组数据点不符合变化规律，可能原因是：

①色谱分析取样时，3个不同高度不同步。其中一次取样由于取样不慎洒出，导致重新取样，色谱分析仪在第二次分析时突然断电，导致重新取样，并且取样到分析期间等待时间过长、部分样品挥发影响组成。

②首次进行色谱分析操作，操作不熟悉，不能保证停留时间的一致，应进样和点击开始的 时间尽量一致。

2、由反应结果知反应转化率较高但收率并不高，也就是生成的乙酸乙酯一部分还留在塔釜中，未精馏至塔顶。通过与其他组进行结果比较得出，这可能是实验过程中精馏时间不够，导致精馏不完全。

3、在计算收率和转化率时，反应前后乙酸和乙醇质量相差不大，在误差允许范围内，符合质量守恒定律。

实验结果造成误差的原因可能是：

①在测量质量时，产品有一部分挥发，未考虑物质损耗，造成实验有所误差。

②精馏塔内存在持液量，无法测量。 ③有可能是色谱分析中出现的误差所致 七、符号说明

Fj —－ j板进料量 hj ―― j板上液体焓值 Hj —－ j板上气体焓值 Hf,j —－ j板上原料焓值 Hr,j —－ j板上反应热焓值 Lj —－ j板下降液体量 Ki,j —－ i组分的汽液平衡函数

Pj —－ j板上液体混合物体积（持液量）

Ri,j —－ 单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量 Vj —－ j板上升蒸汽量

Xi,j —－ j板上组分i的液相摩尔分数 Yi,j —－ j板上组分i的气相摩尔分数 Zi,j —－ j板上i组分的原料组成 θi,j—－ 反应混合物组分在j板上的体积 Qj —－ j板上冷却或加热的热量 八、思考题

1、怎样提高酯化收率？

答：由实验数据可以看出，乙酸乙酯有很大一部分残存在塔釜废液中，因此，可以通过增加回流比的方法提高收率。同时，从热力学角度来看，可以通过提高乙醇的用量，使反应平衡向右移动，从而提高乙酸乙酯的产量。另外，增加精馏时间，可使易挥发组分在塔顶的含量增加，减少酯的损失等，都可以在不同程度上提高酯化收率。 2、不同回流比对产物分布影响如何？

答：回流比R=L/D，其中，L表示精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量，D表示塔顶产品流量。操作中精馏塔的分离能力主要取决于回流比的大小，改变回流比，是调节精馏塔操作的方便而有效的手段。增大回流比，可以提高产品纯度，减少分离所需的理论板数，使得产物分布较窄，反之产物分布较宽。但增大回流比，要求塔釜产生的蒸汽量相应增加，增大了能耗。

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：采用侧线进料，并且为连续操作，即持续通入原料。这样可使反应原料乙酸在全塔范围内分布更广，酯化率会相应提高。 4、加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：反应中乙醇的用量是过量的，使反应平衡右移，以提高乙酸的转化率，但由于乙醇具有挥发性，摩尔比不宜过大，否则乙醇在产物中的量过大，不易于产品的分离，故摩尔比选在3：2左右最佳。

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：用实验数据能进行模拟计算。还须测定塔的操作压力，塔压降，塔的冷凝器再沸器的操作条件等数据。

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：采用侧线进料，并且为连续操作，即持续通入原料。这样可使反应原料乙酸在全塔范围内分布更广，酯化率会相应提高。 4、加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：反应中乙醇的用量是过量的，使反应平衡右移，以提高乙酸的转化率，但由于乙醇具有挥发性，摩尔比不宜过大，否则乙醇在产物中的量过大，不易于产品的分离，故摩尔比选在3：2左右最佳。

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：用实验数据能进行模拟计算。还须测定塔的操作压力，塔压降，塔的冷凝器再沸器的操作条件等数据。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l967.html