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。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，反应只在塔釜进行。
由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分形成三元或二元共沸物。水－酯，水－醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔体，故塔体共有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
（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）热量衡算方程
对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：
三、实验装置及实验流程示意图
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，塔填装φ3×3mm不锈钢填料(316L)，填料高度1400mm。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、蒸馏水。
四、实验步骤
1．称取乙醇、乙酸各75g，用漏斗倒入塔釜，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0.1A，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（别忘了开小锤下边的塞子），30min后，用微量注射器在1，3，5三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。
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，关上电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。
五、实验原始数据记录表
实验时由于操作失误，误将废液当做乙醇加入反应釜，导致实验彻底失败，数据无法处理。
故不得不采用他组数据，所用数据为第四组远，吴刚等三人数据，所用原始实验数据见远。
本组实验原始数据记录表见最后。
六、实验数据处理及举例
1、计算塔浓度分布
已知：；且
i
i
i
i
i f
A
f
A
x
∑
=故以11：00精馏塔上段液体的含量作为计算举例：
已知乙酸的沸点较高，不能进入到塔，故塔体共有3个组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。
对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：
表1：侧线采出样品的色谱分析结果
组分水乙醇乙酸乙酯10:30
上段
（1100mm）
峰面积百分比A
1
% 5.98668 23.67532 70.338
质量百分比w
1
0.01759
4
0.1774948 0.804911
中段
（670mm）
峰面积百分比A
2
% 1.30618 25.4692 72.22462
质量百分比w
2
0.00375
9
0.1869644 0.809277
下段
（230mm）
峰面积百分比A
3
% 6.3622 32.33132 61.30649
质量百分比w
3
0.01942
3
0.2517946 0.728782
11:00
上段
（1100mm）
峰面积百分比
A
1
’%
7.28117 21.72696 70.99187
质量百分比w
1
’0.021460.1634304 0.8151
9
中段
（670mm）
峰面积百分比
A
2
’%
5.45365 24.1138 70.43255
质量百分比w
2
’
0.01598
3
0.1802768 0.803741
下段
（230mm）
峰面积百分比
A
3
’%
5.98668 23.67532 70.338
质量百分比w
3
’
0.01759
4
0.1774948 0.804911 根据上表分别绘制出10：30和11:00各个组分塔分布，如下图所示。
图2：10:30塔各组分浓度分布图
