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
1.实验仪器和药品：
气相色谱仪GC−910及计算机数据采集和处理系统：
载气1柱前压：0.05MPa
桥电流：100mA 讯号衰减：32
柱箱温度：125℃
气化室温度：100℃
检测器温度：125℃
进样量：0.2μL
无水乙醇( 分析纯) ，含量99. 0% ( 质量分数，下同) ; 冰乙酸( 分析纯) ，含
量99. 0%; 浓硫酸( 化学纯) ，含量> 98. 0%
2.反应精馏原理：
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。
反应精馏存在以下优点：
1.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
2.精馏过程可以利用反应热，节省了能量
3.反应器和精馏塔合成一个设备，节省投资
4.对某些难分离的物系，可以获得较纯的产品
3.主要物质物性：
4.汽液色谱法原理：
采用气液色谱测定无限稀释溶液活度系数，样品用量少，测定速度快，仅将一般色谱仪稍加改装，即可使用。目前，这一方法已从只能测定易挥发溶质在难挥发溶剂中的无限稀释活度系数，扩展到可以测定在挥发性溶剂中的无限稀释活度系数。因此，该法在溶液热力学性质研究、气液平衡数据的推算、萃取精馏溶剂评选和气体溶解度测定等方面的应用，日益显示其重要作用。
当气液色谱为线性分配等温线、气相为理想气体、载体对溶质的吸附作用可忽略等简化条件下，根据气体色谱分离原理和气液平衡关系，可推导出溶质i在固定液j上进行色谱分离时，溶质的校正保留体积与溶质在固定液中无限稀释活度系数之间的关系式。根据溶质的保留时间和固定液的质量，计算出保留体积，就可得到溶质在固定液中的无限稀释活度系数。
5.实验过程原理
本实验中硫酸是有效的催化剂。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组分进行物料衡算如下：
L j−1X i,j−1+V j+1Y i,j+1+F j Z j,i+R i,j=V j Y i,j+L j X i,j
2≤j≤n，i=1,2,3,4
（2）气液平衡方程
对平衡级上某组分i的有如下平衡关系：
K i,j∙X i,j−Y i,j=0
每块板上组成的总和应符合下式：
∑Y i,j n
i=1=1；∑X i,j
n
i=1
=1
（3）反应速率方程
R i,j=K j∙P j(
X i,j
∑Q i,j∙X i,j
)
2
×105
（4）热量衡算方程
对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：
L j−1ℎj−1−V j H j−L jℎj+V j+1H j+1+F j H rj−Q j+R j H rj=0式中：
F j—j板进料流量
ℎj—j板上液体焓值
H j—j板上气体焓值
H rj—j板上反应热焓值
L j—j板下降液体量
K i,j—i组分的汽液平衡常数
P j—j板上液体混合物体积（持液量）
R i,j—单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量
V j—j板上升蒸汽量
X i,j—j板上组分i的液相摩尔分数
Y i,j—j板上组分i的气相摩尔分数
Z i,j—j板上i组分的原料组成
Q j—j板上冷却或加热的热量
6.实验装置原理：
a)回流比分配器：回流比分配器是塔头的核心部件。工业装置上使用的回流
比分配器一般是通过专门设计的溢流或切换装置，在液体连续流动的状态
下通过阀门控制回流比。但在实验室中，由于设备小，物料少，很难在连
续状态下调节回流比。因此，实验室小型玻璃精馏塔常采用电磁摆针式
回流比控制器，其原理是通过实践继电器控制电磁线圈的通断电时间，使
电磁导流摆针在出料口或回流口停留，以停留时间的分配比来控制回流比。
电磁摆针是在玻璃短管内封入铁针制成。当电磁线圈通电时，摆针被吸向
线圈侧，断电时，恢复原位，从而出料或回流口摆动。
b)塔体保温：由于小型精馏塔的比表面积较大，热损失比较明显，往往导致
蒸汽无法到达塔顶，内回流严重，甚至引起塔内液泛，实验无法进行，沸
点较高的物系尤其严重。因此为减少热损失，一般在蒸气上升部位，以及
塔体外壁采取物理保温或电热保温的措施。对于玻璃塔采用的保温措施主
要有：①在塔身外表面镀有金属膜，通电使塔身加热保温；②在塔身外包
裹保温材料；③在塔身或玻璃夹套外缠绕电热丝。
三、实验步骤及流程简图
