实验一反应精馏法制乙酸乙酯
一,实验目得
１、了解反应精馏就是既服从质量作用定律又服从相平衡规律得复杂过程。
2、掌握反应精馏得操作。
3、能进行全塔物料衡算与塔操作得过程分析。
4、了解反应精馏与常规精馏得区别。
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,它既有精馏得物理相变之传递现象,又有物质变性得化学反应现象。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得水平;但就是,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。通常因它们得沸点接近,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得物质,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得目得，这就是因为反应速度非常缓慢,故一般都用催化反应方式。酸就是有效得催化剂,常用硫酸。反应精馏得催化剂用硫酸,就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得温度,精馏塔本身难以达到此条件,故很难实现最佳化操作。本实验就是以乙酸与乙醇为原料,在催化剂作用下生成乙酸乙酯得可逆反应。反应得方程式为:
CＨ３ＣOOH + Ｃ２Ｈ５OH ? CＨ3COOC2H５+H2O
实验得进料有两种方式:一就是直接从塔釜进料;另一种就是在塔得某处进料。前者有间歇与连续式操作；后者只有连续式。可认为反应精馏得分离塔也就是反应器。若采用塔釜进料得间歇式操作,反应只在塔釜内进行。由于乙酸得沸点较高，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,物料衡算式与热量衡算式为：
（1）物料衡算方程
对第j块理论板上得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得有如下平衡关系:
每块板上组成得总与应符合下式:
（3）反应速率方程
（4）热量衡算方程
（5）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。塔顶冷凝液体得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。
所用得试剂有乙醇、乙酸、浓硫酸、丙酮与蒸馏水。
四，实验步骤
1．称取乙醇、乙酸各80g,相对误差不超过0、5g，用漏斗倒入塔釜内,并向其中滴加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，开启回流,调整回流比为R=3：1(别
忘了开小锤下边得塞子）,25ｍｉn后,用微量注射器在1,3,5三处同时取样,将取得得液体进行色谱分析，30min后,再取一次进行色谱分析。
3．将加热与保温开关关上,取出产物与塔釜原料,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,实验数据记录
摆锤出现液滴时间为１４：45 开启回流比时间为15:01 开始取样时间为1５:31
表2：色谱分析条件表
表６:塔釜流出液色谱分析结果
六，实验数据处理
1、计算塔内浓度分布
已知:ｆ水=0、870１;f 醇=１、0００;f 酸=1、4２5；f 酯＝１、３０７且 故以15:３1精馏塔中部液体得含量作为计算举例:
已知乙酸得沸点较高,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。
%
13.10307.132669000.1143698701.073948701
.07394=?+?+??=
∑=
i
i f A f A x 水水水
%
63.22307
.132669000.1143698701.07394000
.114369=?+?+??=
∑=
i
i f A f A x 乙醇乙醇乙醇
%
24.67307.132669000.1143698701.07394307
.132669=?+?+??=
∑=
i
i f A f A x 乙酸乙酯
乙酸乙酯乙酸乙酯
对其余各组实验采用相同得处理,可得到以下表格:
取样时间为15:31
组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量(%) 4、08 10、1３5、93 乙醇含量（%）２4、72 ２２、63 ３5、81
乙酸乙酯含量(%) 71、２0 67、24 5８、２6
表７:取样时间为1５:31含量分析结果
图１：取样时间为15：31含量在塔内得分布图
取样时间为16:0１
组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量(%) 4、20 4、17 7、19
乙醇含量(%) ２４、52 ２８、９３４4、19
乙酸乙酯含量(%) 71、2８66、90 48、6２
表8：取样时间为１6：0１含量分析结果
图2：取样时间为16:01含量在塔内得分布图
如图所示,不同时间段分别在精馏塔得上部、中部与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中间含量最多,水在精馏塔底部含量最多。我们知道若采用塔釜进料得间歇式操作,反应只在塔釜内进行,可能就是各个组分得沸点不同所致。
2、进行乙酸与乙醇得全塔物料衡算 以塔顶色谱分析作为计算举例:
%38.4307
.132922000.1128088701.029378701
.02937=?+?+??=∑=
i i f A f A x 水水水
%
93.21307.132922000.1128088701.02937000
.112808=?+?+??=
∑=
i
i f A f A x 乙醇乙醇乙醇%
69.73307.132922000.1128088701.02937307
.132922=?+?+??=
∑=
i
i f A f A x 乙酸乙酯
乙酸乙酯乙酸乙酯
且已知塔顶流出液得质量为１0３、06g,故:
对其余各组实验采用相同得处理,可得到以下表格：
因此对乙醇进行物料衡算:
乙醇得量=塔顶乙醇质量+塔釜乙醇质量+乙醇反应质量 ８0、0０＝２２、６０＋6、34+乙醇反应质量 故:乙醇反应质量＝5１、06 ｇ n 乙醇＝5１、06／46=1、1１ mol 对乙酸进行物料衡算:
乙酸得量＝塔顶乙酸质量＋塔釜乙酸质量+乙酸反应质量 ８0、00=0+２0、71+乙酸反应质量 故：乙酸反应质量＝59、29ｇ n 乙酸＝59、29／60＝0、99 ｍol
可以知道,理论上乙醇与乙酸得反应量应为１:1,可能就是因为有部分液体残留在精馏塔中,也可能就是因为色谱分析存在误差所致。
3、计算反应收率及转化率
对于间歇过程,可根据下式计算反应转化率:
转化率＝［乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量
=(８0、００-20、7１)/80、0０
=74、１1%
收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相对应生成得乙酸乙酯量*1０0％
选择性=收率/转化率=68、36%/7４、１1%=92、24%
七，结果分析及讨论
1、实验注意事项
①使用微量注射器在3个不同高度取样，应尽量保持同步。
②在色谱分析时,样品容易挥发可能导致后面两个量进样不够,故一开始取样应取足够多。
③在使用微量进样器进样时速度尽量要快。
④为保证停留时间得一致,进样与点击开始得时间尽量一致。
⑤在称取釜残液得质量时,必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。
2、实验误差分析
①可能就是有部分液体残留在精馏塔中所致。
②可能就是色谱分析中出现得误差所致。
八，思考题
1、怎样提高酯化收率？
答:对于本实验CH3COOH+ C2Ｈ５OH ? ＣH３COOＣ2H5＋Ｈ2O就是可逆反应,为提高酯化反应得收率,可以通过减小一种生成物得浓度,或者用反应精馏得方法，就是生成物中高沸点或者低沸点得物质从系统中连续得排出,就是平衡向生成产物得方向移动，以提高酯化收率。
２、不同回流比对产物分布影响如何？
答:当回流比增大时,乙酸乙酯得浓度会增加。
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: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,在不同得填料高度上均发生反应，生成酯与水,转化率会有所提高。
4、加料摩尔比应保持多少为最佳?
答:此反应得原料反应摩尔比为１:1，为提高反应得转化率,应使某组分过量，因乙醇得沸点较低,易被蒸出,因此应把乙醇多加，比例约为2:1即可。
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:能进行模拟计算。还要测定得数据还有塔顶温度，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。
化工专业实验报告
实验名称:
实验人员: 同组人:
实验地点:天大化工技术实验中心室
实验时间:
班级/学号: 级班组号
指导教师:
实验成绩: