反應(yīng)精餾制乙酸乙酯

1、實(shí)驗(yàn)一 反應(yīng)精餾法制乙酸乙酯一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解反應(yīng)精餾是既服從質(zhì)量作用定律又服從相平衡規(guī)律的復(fù)雜過(guò)程。2. 掌握反應(yīng)精餾的操作。3. 能進(jìn)行全塔物料衡算和塔操作的過(guò)程分析。4. 了解反應(yīng)精餾與常規(guī)精餾的區(qū)別。5. 學(xué)會(huì)分析塔內(nèi)物料組成。二、實(shí)驗(yàn)原理反應(yīng)精餾過(guò)程不同于一般精餾， 它既有精餾的物理相變之傳遞現(xiàn)象， 又有物質(zhì)變性的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。 反應(yīng)精餾對(duì)下列兩種情況特別適用： （ 1）可逆平衡反應(yīng)。一般情況下，反應(yīng)受平衡影響，轉(zhuǎn)化率只能維 護(hù)在平衡轉(zhuǎn)化的水平；但是，若生成物中有低沸點(diǎn)或高沸點(diǎn)物質(zhì)存在，則精餾過(guò)程可使其連續(xù)地從系統(tǒng) 中排出，結(jié)果超過(guò)平衡轉(zhuǎn)化率，大大提高了效率。（ 2）異構(gòu)體混合物

2、分離。通常因它們的沸點(diǎn)接近，靠一般精餾方法不易分離提純，若異構(gòu)體中某組分能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并能生成沸點(diǎn)不同的物質(zhì)，這時(shí)可在過(guò) 程中得以分離。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，適于第一種情況，但但該反應(yīng)若無(wú)催化劑存在，單獨(dú)采用反應(yīng)精餾存在也達(dá)不到 高效分離的目的，這是因?yàn)榉磻?yīng)速度非常緩慢，故一般都用催化反應(yīng)方式。酸是有效的催化劑，常用硫 酸。本實(shí)驗(yàn)是以乙酸和乙醇為原料，在催化劑作用下生成乙酸乙酯的可逆反應(yīng)。反應(yīng)的方程式為：CH 3COOH + C 2H5OH ? CH 3COOC 2H5+H 2O 實(shí)驗(yàn)的進(jìn)料有兩種方式：一是直接從塔釜進(jìn)料；另一種是在塔的某處進(jìn)料。前者有間歇和連續(xù)式操 作；后者只有連續(xù)式?？烧J(rèn)為反應(yīng)精

3、餾的分離塔也是反應(yīng)器。若采用塔釜進(jìn)料的間歇式操作，反應(yīng)只在 塔釜內(nèi)進(jìn)行。由于乙酸在氣相中有締合作用， 除乙酸外， 其它三個(gè)組分形成三元或二元共沸物。 水酯， 水醇共沸物沸點(diǎn)較低，醇和酯能不斷地從塔頂排出。 由于乙酸的沸點(diǎn)較高，不能進(jìn)入到塔體，故塔 體內(nèi)共有 3組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。本實(shí)驗(yàn)采用間歇式進(jìn)料方式，物料衡算式和熱量衡算式為：（1）物料衡算方程對(duì)第 j 塊理論板上的 i 組分進(jìn)行物料衡算如下SG+ss+巧乙+號(hào)廠嘰+g2弓Wm j=1?23.4（2）氣液平衡方程對(duì)平衡級(jí)上某組分i的有如下平衡關(guān)系：心心-兀=0每塊板上組成的總和應(yīng)符合下式：nIt工G=1;4=1r=lrl（3）反應(yīng)速

4、率方程 x Y xl5II。兀j丿（4）熱量衡算方程對(duì)平衡級(jí)進(jìn)行熱量衡算，最終得到下式：S 啊L.h. + Z冋+i + FjH廠 0 + R尹H = 0國(guó)1 411巴_ 上的氣液流恥濾圖三、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)流程示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。反應(yīng)精餾塔用玻璃制成。直徑 20mm，塔高1500mm，塔內(nèi)填裝$ 3X 3m不銹鋼填料（316L），填料高度 1400mm。塔外壁鍍有金屬膜，通電流使塔身加熱保溫。塔釜為一玻璃容器，并有電加熱器加熱。采用 XCT-191 , ZK-50可控硅電壓控制釜溫。塔頂冷凝液體的回流采用擺動(dòng)式回流比控制器操作。此控制系統(tǒng) 由塔頭上擺錘、電磁鐵線圈、回流比計(jì)數(shù)撥碼電子儀表

5、組成。所用的試劑有乙醇、乙酸、濃硫酸、蒸餾水。46891213151側(cè)溫?zé)犭娮?冷卻水3擺置4心段4 5簾頭6備出液收集瓶7回流比控制器8 lit#口 g塔休10數(shù)字式溫度顯術(shù)器11控溫儀12加料門13塔羞14電加熱器15卸料口圖2反應(yīng)梢慵流穆及裝世四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 稱取乙醇、乙酸各75g,用漏斗倒入塔釜內(nèi)，并向其中滴加23滴濃硫酸，開(kāi)啟釜加熱系統(tǒng)至0.4A , 開(kāi)啟塔身保溫電源0.1A，開(kāi)啟塔頂冷凝水。每10min記下溫度。2. 當(dāng)塔頂擺錘上有液體出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行全回流操作，全回流15min后，開(kāi)啟回流，調(diào)整回流比為R=3:1（別忘了開(kāi)小錘下邊的塞子），30min后，用微量注射器在1, 3, 5

6、三處同時(shí)取樣，將取得的液體進(jìn)行色譜分析，30min后，再取一次進(jìn)行色譜分析。3. 將加熱和保溫開(kāi)關(guān)關(guān)上，取出產(chǎn)物和塔釜原料，稱重進(jìn)行色譜分析，關(guān)上電源，將廢液倒入廢 液瓶，收拾實(shí)驗(yàn)臺(tái)。五、實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表實(shí)驗(yàn)時(shí)由于操作失誤，誤將廢液當(dāng)做乙醇加入反應(yīng)釜，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)徹底失敗，數(shù)據(jù)無(wú)法處理。故不得不采用他組數(shù)據(jù)，所用數(shù)據(jù)為第四組李遠(yuǎn)， 吳剛等三人數(shù)據(jù)，所用原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)李遠(yuǎn)。本組實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表見(jiàn)最后。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及舉例1、計(jì)算塔內(nèi)濃度分布已知.；打：.：曲；二：.；:腫一, .V：且 X _ AfiiTAi fi故以11： 00精餾塔上段液體的含量作為計(jì)算舉例：已知乙酸的沸點(diǎn)較高，不能進(jìn)入到

7、塔內(nèi)，故塔體內(nèi)共有3個(gè)組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。6270 x 0.392=2 147%6270 X 0. 392 + 18709 X 1.0000 + 61131 x L 52644材醇18709 x 1. 00006270 X 0 392 + 18709 x LOOOO + 61131 X 1. 5264 -V,2/莎61131 X 5264=81, 510%6270 x 0” 392 + 18709 X 1.0000 +61131 x 1 5264對(duì)其余各組實(shí)驗(yàn)采用相同的處理，可得到以下表格:表1:側(cè)線采出樣品的色譜分析結(jié)果組分水乙醇乙酸乙酯上段峰面積百分比A1%5.9866823.67

8、53270.338(1100mm)質(zhì)量百分比W10.0175940.17749480.80491110:30中段(670mm)峰面積百分比A 2%1.3061825.469272.22462質(zhì)量百分比W20.0037590.18696440.809277下段(230mm)峰面積百分比A3%6.362232.3313261.30649質(zhì)量百分比W30.0194230.25179460.728782上段峰面積百分比A7.2811721.7269670.99187(1100mm)質(zhì)量百分比W1 0.0214690.16343040.815111:00中段(670mm)峰面積百分比A2%5.45365

9、24.113870.43255質(zhì)量百分比W20.0159830.18027680.803741下段(230mm)峰面積百分比A3%5.9866823.6753270.338質(zhì)量百分比W30.0175940.17749480.804911根據(jù)上表分別繪制出10: 30和11:00各個(gè)組分塔內(nèi)分布，如下圖所示。10:30塔內(nèi)各組分濃度分布圖11:00塔內(nèi)各組分濃度分布圖圖3： 11:00塔內(nèi)各組分濃度分布圖如圖所示，不同時(shí)間段分別在精餾塔的上部、中部和底部取樣做色譜分析可知，原料乙醇在精餾塔 底部含量最多；而產(chǎn)物乙酸乙酯在精餾塔上部含量最多，水在全塔含量大致相同。隨時(shí)間增加，產(chǎn)物含 量逐漸增加，反

10、應(yīng)物含量逐漸減少，反映了反應(yīng)精餾可以起到分離產(chǎn)物和提高反應(yīng)程度的作用。2、進(jìn)行乙酸和乙醇的全塔物料衡算塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量：m頂=165.3-126=39.3g塔釜產(chǎn)品質(zhì)量：m 釜=177.53-78.67=98.86g5以塔頂產(chǎn)品分析作為計(jì)算舉例:7.843815 x 0. 3927,843(315 X 止 3醴+刁9石8?03匚 1.00007246916 xT. 5264 = 2j 3C)j3%19.60703 X 1.0000斗=血= 14 760%醉孑 王肌X 0. 392 + 19.60703 X LOOOO + 7246916 X 1. 526472.46916 X 1” 5264=8

11、2 9345%7.843815 X 0. 392 + 19.68703 X 1.0000 + 72.46916 X 1.5264其他數(shù)據(jù)計(jì)算同理，計(jì)算結(jié)果如下表3 :塔頂、塔釜產(chǎn)品色譜分析結(jié)果組分水乙醇乙酸乙酯塔頂產(chǎn)品峰面積百分比A41%7.8716619.684472.44395峰面積百分比A42%7.8159719.6896672.49437平均峰面積百分比 A4%7.84381519.6870372.46916質(zhì)量百分比W40.0230530.14760250.829345塔釜產(chǎn)物峰面積百分比A51%16.4859735.744417.5758330.1938峰面積百分比A52%15.4

12、581734.146320.899429.49613平均峰面積百分比 A5%15.9720734.9453519.2376229.84497質(zhì)量百分比W50.0644610.35978320.1067360.469023、物料衡算(1)塔頂產(chǎn)品中:. m.L = m.L.XJCK =水：39.3 X 0.023053=0.906g卄亠= m. x =乙醇：39.3X 0.1476025=5.80g,m-p二m曲x龍曲=乙酸乙酯：39.3 X 0.829345=32.59g(2)塔釜產(chǎn)品中:水：98.86X 0.064461=6.37g乙醇：98.86 X 0.3597832=35.56g乙酸：

13、 98.86 X 0.106736=10.55g乙酸乙酯：7 一J98.86 X 0.46902=46.36g反應(yīng)中產(chǎn)生的乙酸乙酯 =32.59 + 46.36=78.95g消耗的乙醇=78.95 X 46/88=41.27g消耗的乙酸=78.95 X 60/88=53.83g理論上剩余乙醇=75.45 - 41.27 = 34.18g實(shí)際剩余乙醇=5.80+35.56 = 41.36g理論上剩余乙酸=75.67 53.83 = 21.84g實(shí)際剩余乙酸=10.55g原料總質(zhì)量=75.45+ 75.67= 150.12g產(chǎn)物總質(zhì)量=98.86 + 39.3= 138.16g4、轉(zhuǎn)化率及收率的計(jì)

14、算乙酸轉(zhuǎn)化率=乙酸加料量-釜?dú)堃阂宜崃?乙酸加料量X 100%=(75.67-98.86 X 0.106736)/75.67 X 100%=86.01% ;乙醇轉(zhuǎn)化率=乙醇加料量-釜?dú)堃阂掖剂?乙醇加料量X 100%=(75.45-98.86 X 0.3597832)/75.45 X 100%=52.86%乙酸乙酯的收率=產(chǎn)品乙酸乙酯的物質(zhì)的量 /原料乙酸的物質(zhì)的量X100%=(39.3 X 0.829345+98.86 X 0.46902)/88/(75.67/60) X 100%=71.15%七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論1、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 使用微量注射器在3個(gè)不同高度取樣，應(yīng)盡量保持同步。 在使用

15、微量進(jìn)樣器進(jìn)樣時(shí)速度盡量要快。 因水出峰較早，可以先點(diǎn)擊開(kāi)始后進(jìn)樣。 在稱取釜?dú)堃旱馁|(zhì)量時(shí)，盡量等到持液全部流至塔釜后才取釜?dú)堃海瑢?shí)驗(yàn)中等到塔釜溫度降至后取樣。2、實(shí)驗(yàn)誤差分析可能是有部分液體殘留在精餾塔中所致?？赡苁巧V分析中出現(xiàn)的誤差所致。3、反應(yīng)精餾的優(yōu)點(diǎn) 由于該反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，反應(yīng)精餾可以利用這部分能量推動(dòng)精餾的進(jìn)行，很大程度上的達(dá)到節(jié) 能的效果；將精餾和反應(yīng)過(guò)程耦合起來(lái)大大節(jié)省了空間和設(shè)備；破壞了可逆反應(yīng)平衡，增加了反應(yīng)的選 擇性和轉(zhuǎn)化率，使反應(yīng)速度提高，從而提高了生產(chǎn)能力。八、思考題1、試查文獻(xiàn)找出除乙酸乙酯反應(yīng)精餾外，還有那些產(chǎn)品能用反應(yīng)精餾法制的？ 成醚反應(yīng)，水解反應(yīng)，加成

16、反應(yīng)，醇脫水反應(yīng)，苯取代反應(yīng)，聚合物合成反應(yīng)。 2、連續(xù)反應(yīng)精餾應(yīng)怎樣操作？簡(jiǎn)單敘述流程。連續(xù)精餾在塔某處或塔釜進(jìn)料，在塔某處出料，在塔上部某處加帶有酸催化劑的乙酸，塔下部某處 加乙醇。連續(xù)地從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（稱為釜?dú)堃海?；部分液體被汽化，產(chǎn)生上升蒸 汽，依次通過(guò)各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器被全部冷凝，將部分冷凝液用泵（或借重力作用）送 回塔頂作為回流液體，其余部分作為塔頂產(chǎn)品（稱為餾出液）采出。3、采用固體催化劑時(shí)，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)塔怎么裝填？ 捆包式包裝結(jié)構(gòu)；將催化劑裝在規(guī)整填料的夾層中；將催化劑裝在塔板上的固定容器中；催化劑與填料 混裝的結(jié)構(gòu)4、怎樣提高酯化收率？答：對(duì)于本實(shí)驗(yàn)CH3COOH + C2H5OH ? CH 3COOC2H5+H2O是可逆反應(yīng)，為提高酯化反應(yīng)的收率，可以 通過(guò)減小一種生成物的濃度，或者用反應(yīng)精餾的方法，使生成物中高沸點(diǎn)或者低沸點(diǎn)的物質(zhì)從系統(tǒng)中連 續(xù)的排出，是平衡向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)，以提高酯化收率。5、不同回流比對(duì)產(chǎn)物分布影響如何？ 答：當(dāng)回流比增大時(shí)，乙酸乙酯的濃度會(huì)增加。6、采用釜內(nèi)進(jìn)料，操作條件要作哪些變化？酯化率能否提高？ 答：釜內(nèi)進(jìn)料，應(yīng)保證在釜沸騰條件下進(jìn)料，塔內(nèi)輕組分上移