化工专业实验指导书-2011秋季学期

化工专业实验指导书

北方民族大学化学与化学工程学院

催化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，是反应和分离过程的复合，通过实验数据和结果，了解反应精馏技术比常规反应技术在成本和操作上的优越性。

2、了解玻璃精馏塔的构造和原理，学习反应精馏玻璃塔的使用和操作，掌握反应精馏操作的原理和步骤。

3、学习用反应工程原理和精馏塔原理，对精馏过程做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，掌握反应精馏法适宜的物系。

5、学习气相色谱的原理和使用方法，学会用气相色谱分析塔内物料的组成，了解气相色谱分析条件的选择和确定方法，并学习根据出峰情况来改变色谱条件。

6、学习用色谱分析，进行定量和定性的方法，学会求取液相分析物校正因子及计算含量的方法和步骤。了解气相色谱仪以及热导池检测器的原理，了解分离条件的选择和确定。

二、实验原理 1、反应精馏原理

反应精馏是随着精馏技术的不断发展与完善，而发展起来的一种新型分离技术。通过对精馏塔进行特殊改造或设计后，采用不同形式的催化剂，可以使某些反应在精馏塔中进行，并同时进行产物和原料的精馏分离，是精馏技术中的一个特殊领域。

本实验为乙醇和乙酸的酯化反应，一般情况下，反应受平衡影响，转化率最大只能是平衡转化率，而实际反应中只能维持在低于平衡转化率的水平。而在精馏塔中进行的酯化反应，往往因为生成物中有低沸点或高沸点物质存在，而多数会和水形成最低共沸物，从而可以从精馏塔顶连续不断的从系统中排出，使塔中的化学平衡发生变化，永远达不到化学平衡，从而导致反应不断进行，不断向右移动，最终的结果是反应原料的总体转化率超过平衡转化率，大大提高了反应效率和能量消耗。同时由于在反应过程中也发生了物质分离，也就减少了后续工序分离的步骤和消耗，在反应中也就可以采用近似理论反应比的配料组成，既降低了原料的消耗，又减少了精馏分离产品的处理量。

1

乙醇和乙酸的酯化反应精馏的催化剂用浓硫酸，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。反应的化学方程式为

CH3COOH?CH3CH2OH?CH3COOCH2CH3?H2O

2. 应精馏塔原理

反应精馏塔用玻璃制成。直径20~25mm，塔总高约1400mm，填料高度约1300mm，塔内装φ2.5*2.5不锈钢θ网环型填料（316L）。

塔身分两段，上面是精馏段，下面是提馏段，长度各为700mm。全塔有5个取样口，也可以当进样口使用。取样口在常压操作时使用，里面用硅胶垫密封，每取样20次以上应根据密封情况，检查是否需要更换。塔身外壁镀有半导体金属膜，用于控制塔身的散热，并尽可能保持塔身和环境为绝热状态，保温电流能使塔身的半导体加热保温。加热温度的设定需要根据实验物系的性质决定，由仪表来控制加热的温度，加热电流可以用仪表或手动来调节，一般为0.15~0.3A。通常可以设定保温的温度比塔内的温度低5~12℃。仪表采用AI708型，可以参加仪表使用说明书来调节或改变仪表设置，精馏段和提馏段各使用一块仪表加热。

塔内蒸汽到达塔顶后被冷凝器冷凝，顶气相的温度由仪表显示。塔顶冷凝采用自来水，冷凝液体进入塔顶回流头，采用摆动式回流比控制器操作，一部分液体被从右面采出进入到塔顶储罐，另一部分进入到塔内回流。回流比由仪表面板的回流比控制器控制，实验中一般为3~5，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。

本实验是间歇式反应精馏，在500ml间歇塔釜一次性加入原料的混合物和催化剂，然后加热到反应温度进行反应。通常乙醇的摩尔数和乙酸摩尔数比为1.03~1.05:1.0，浓硫酸加入量按应加入乙酸理论重量的比例加入，一般在0.2~0.3%（wt），加入量越大，反应速度越快。反应完全发生在塔釜内，反应生成的产物在塔内发生分离，轻组分乙酸乙酯和水的共沸物不断向上移动，并最终从塔顶排出。而塔釜内的乙醇和乙酸，随着反应的进行，浓度不断减少，水量不断增加，反应温度也开始慢慢升高。最后，在塔顶得到的都是含水的乙酸乙酯，有时候能自己分层，但通常是加入少量的水，使它们分层，上层就是乙酸乙酯，下层为含少量乙酸乙酯的水。

3. 色谱分析原理

产物的分析由于比较复杂，含有多种成分，一般不能用滴定或折光仪分析，而采用气相色谱法。实验所用的色谱柱固定相为101白色担体，固定液为邻苯二甲酸二壬酯，固定液含量一般为10%。需要测定的样品分别为乙醇、乙酸、水和乙酸乙酯，色谱采用热导池检测

2

器，出峰顺序为水、乙醇、乙酸、乙酸乙酯。汽化室温度150℃，柱箱温度130~140℃，检测器温度150℃，桥电流140mA，衰减1，进样量0.2μl。

全塔物料总平衡如图所示 V2 L1 V2DL2 VjLj Vj,yi.jLj-1xi,j-1 Vj+1Lj,xi,jyi,j-1 物料平衡方程如下：

对第j块理论板上的i组分进行物料衡算如下：

Lj-1Xi,j-1+Vj+1Yi,j+1+FjZj,i+Ri,j=VjYi,j+LjXi,j 2≤j≤n，i=1,2,3,4 (1) （1） 气液平衡方程

对平衡级上某组分i有如下平衡关系：

Ki,j?Xi,j-Yi,j=0 (2)

每块板上组成的总和应符合下式：

?nnYi,j?1; (3)

i?1?Xi,j?1 i?1（2） 反应速率方程

Ri,j?Kj?PXi,jj(?Q105 (4)

i,j?X)2?i,j式（4）指原料中各组分的浓度相等条件下才能成立，否则应予修正。 （3） 热量衡算方程

3

对平衡级上进行热量衡算，最终得到下式：

Lj-1hj-1-VjHj-Ljhj+Vi+1Hj+1+FjHrj-Qj+RjHrj=0 (5) 式中：

Fj—j板进料流量 hj—j板上液体焓值 Hj—j板上气体焓值 Hrj—j板上反应热焓值 Lj—j板下降液体量

Ki,j—i组分的汽液平衡常数

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i组分在j板上的体积 Qj—j板上冷却或加热的热量

三、 装置及试剂 1、装置

玻璃精馏塔，天平，烧杯，量筒，胶头滴管，三角烧瓶，分液漏斗，气相色谱（TCD），色谱工作站。

2、 试剂

无水乙醇（分析纯），含量99.0%；冰乙酸（分析纯），含量99.0%；乙酸乙酯（分析纯），含量99.0%；浓硫酸（化学纯），含量﹥98.0%

四、 实验步骤

1、打开色谱载气的氢气发生器。调节氢气减压阀的压力为0.2Mpa，检查色谱后面的稳压阀是否打开并调到合适位置？此时，色谱仪前面的两个压力表应该能调节到0.15Mpa左右。

2、在用皂沫确定色谱柱两个尾气出口都有气体后，打开启色谱仪主开关。调节面板上的两个载气压力调节阀，使两路色谱柱的载气H2流量为25~30ml/min，可以用皂沫流量计和秒表来测定出口处的流量，一般应使两路的流量基本相同。

3、调节完毕载气速度后，分别打开柱温、汽化器、检测器加热开关，然后按下柱温设定的琴键开关，调节旋钮，使显示窗口的柱温设定为140℃（可以根据出峰分离情况来调节），

4

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