反應精餾法制乙酸乙酯

1、一、實驗目的1.了解反應精餾是既服從質(zhì)量作用定律又服從相平衡規(guī)律的復雜過程。2.掌握反應精餾的操作。3.能進行全塔物料衡算和塔操作的過程分析。4.了解反應精餾與常規(guī)精餾的區(qū)別。5.學會分析塔內(nèi)物料組成。二、實驗原理反應精餾過程不同于一般精餾，它既有精餾的物理相變之傳遞現(xiàn)象，又有物質(zhì)變性的化學反應現(xiàn)象。反應精餾對下列兩種情況特別適用：（1）可逆平衡反應。一般情況下，反應受平衡影響，轉(zhuǎn)化率只能維護在平衡轉(zhuǎn)化的水平；但是，若生成物中有低沸點或高沸點物質(zhì)存在，則精餾過程可使其連續(xù)地從系統(tǒng)中排出，結(jié)果超過平衡轉(zhuǎn)化率，大大提高了效率。（2）異構體混合物分離。通常因它們的沸點接近，靠一般精餾方法不易分離提純

2、，若異構體中某組分能發(fā)生化學反應并能生成沸點不同的物質(zhì)，這時可在過程中得以分離。對于本實驗來說，適于第一種情況，但但該反應若無催化劑存在，單獨采用反應精餾存在也達不到高效分離的目的，這是因為反應速度非常緩慢，故一般都用催化反應方式。酸是有效的催化劑，常用硫酸。反應精餾的催化劑用硫酸，是由于其催化作用不受塔內(nèi)溫度限制，在全塔內(nèi)都能進行催化反應，而應用固體催化劑則由于存在一個最適宜的溫度，精餾塔本身難以達到此條件，故很難實現(xiàn)最佳化操作。本實驗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。反應的方程式為： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O實驗的進料有兩種方

3、式：一是直接從塔釜進料；另一種是在塔的某處進料。前者有間歇和連續(xù)式操作；后者只有連續(xù)式?？烧J為反應精餾的分離塔也是反應器。若采用塔釜進料的間歇式操作，反應只在塔釜內(nèi)進行。由于乙酸的沸點較高，不能進入到塔體，故塔體內(nèi)共有3組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。 本實驗采用間歇式進料方式，物料衡算式和熱量衡算式為：物料衡算方程對第j塊理論板上的i組分進行物料橫算如下氣液平衡方程對平衡級上某組分i的有如下平衡關系： 每塊板上組成的總和應符合下式：反應速率方程熱量衡算方程對平衡級進行熱量衡算，最終得到下式： 三、實驗裝置示意圖實驗裝置如圖2所示。 反應精餾塔用玻璃制成。直徑20mm，塔高1500mm，塔內(nèi)填裝3

4、×3mm不銹鋼填料(316L)。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、回流比計數(shù)撥碼電子儀表組成。 所用的試劑有乙醇、乙酸、濃硫酸、丙酮和蒸餾水。 四，實驗步驟稱取乙醇、乙酸各80g，相對誤差不超過0.5g，用漏斗倒入塔釜內(nèi)，并向其中滴加23滴濃硫酸，開啟釜加熱系統(tǒng)至0.4A，開啟塔身保溫電源0.2A，開啟塔頂冷凝水。每10min記下溫度。當塔頂擺錘上有液體出現(xiàn)時，進行全回流操作，全回流15min后，開啟回流，調(diào)整回

5、流比為R=3:1（別忘了開小錘下邊的塞子），25min后，用微量注射器在1，3，5三處同時取樣，將取得的液體進行色譜分析，30min后，再取一次進行色譜分析。將加熱和保溫開關關上，取出產(chǎn)物和塔釜原料，稱重進行色譜分析，關上電源，將廢液倒入廢液瓶，收拾實驗臺。五、實驗數(shù)據(jù)記錄設備編號：3號表1.物料稱重總重/g空瓶重量/g物料重/g原料乙酸74.10 原料乙醇74.21 塔頂餾出液160.2126.13 34.07 塔底餾出液176.9878.61 98.37 濃硫酸加入量：3滴表2.實驗記錄： 時間塔頂溫度/塔釜溫度9:1519.818.49:252081.79:3066.380.39:356

6、7.579.49:4567.577.59:5567.476.49:57開啟回流比采出10:0567.475,810:1567.675.610:2567.475.910:3567.376.4表3.色譜分析條件：氣相色譜分析條件質(zhì)量相對校正因子汽化溫度/120乙酸1.52檢測溫度/120乙醇1柱箱溫度/125水0.7柱前壓1/Mpa0.02乙酸乙酯1.74柱前壓2/Mpa進樣量/l0.2橋電流/Ma100衰減5H2流量/ml/min90表4.色譜分析結(jié)果分析物料樣品號組分保留時間min峰面積峰面積百分含量%第一次取樣1（上）水0.339310187.2385乙醇0.74210338624.1080

7、1乙酸乙酯2.95229444268.659152（中）水0.116283736.83967乙醇0.5199965324.02237乙酸乙酯2.74128680769.137953（下）水0.326269486.40653乙醇0.72511427827.1652乙酸乙酯2.96227870066.25757第二次取樣1（上）水0.334340526.79176乙醇0.73810903021.74613乙酸乙酯2.88835829471.462112（中）水0.399303218.37935乙醇0.8128303122.94592乙酸乙酯3.0824850468.674733（下）水0.5172

8、93136.69329乙醇0.9211845827.04832乙酸乙酯317769塔頂餾出液1水0.326260417.48321乙醇0.7426832519.60831乙酸乙酯2.99625352672.854692水0.316305137.62305乙醇0.737817319.52978乙酸乙酯2.94729145472.80813塔釜餾出液1水0.4344780218.02997乙醇0.85110061537.94996乙酸1.932173496.54363乙酸乙酯3.3719887537.293492水0.3094832016.14366乙醇0.7310605

9、135.43147乙酸1.7914011313.40164乙酸乙酯3.24210482935.02322六、實驗數(shù)據(jù)處理1、計算塔內(nèi)濃度分布已知：f水=0.7 ；f醇=1.000；f酸=1.52；f酯=1.74 且以第一次取樣塔體中部液體的含量作為計算舉例：由于乙酸的沸點較高，加熱溫度并不能達到其沸點，因此乙酸只存在于塔釜中，塔體中部只有三個組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。x水=A水f水Aifi=28373×0.728373×0.7+99653×1+286807×1.74=0.0321x醇=A醇f醇Aifi=99653×128373×0.

10、7+99653×1+286807×1.74=0.1611x酯=A酯f酯Aifi=286807×1.7428373×0.7+99653×1+286807×1.74=0.8068對其余各組實驗采用相同的處理，可得到以下表格：表5 塔不同位置各組分含量取樣次數(shù)第一次取樣第二次取樣取樣位置塔上部塔中部塔下部塔上部塔中部塔下部水含量0.0341 0.0321 0.0305 0.0315 0.0396 0.0319 乙醇含量0.1622 0.1611 0.1849 0.1442 0.1547 0.1841 乙酸乙酯含量0.8037 0.8068

11、0.7846 0.8243 0.8057 0.7840 由表中數(shù)據(jù)作作圖：圖3 第一次取樣塔不同位置各組分含量圖4 第二次取樣塔不同位置各組分含量2、進行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔頂?shù)谝淮紊V分析作為計算舉例：x水=A水f水Aifi=266041×0.726041×0.7+68325×1+2553526×1.74=0.0345x醇=A醇f醇Aifi=68325×126041×0.7+68325×1+2553526×1.74=0.1295x酯=A酯f酯Aifi=286807×1.7426041×

12、0.7+68325×1+2553526×1.74=0.8360同理可得到其他組色譜分析的數(shù)據(jù)：表6 塔頂及塔釜兩次色譜分析結(jié)果由表中數(shù)據(jù)，可對乙醇和乙酸進行全塔物料衡算：因為塔頂餾出液質(zhì)量m1=34.07g,塔釜餾出液質(zhì)量m2=98.37g可由表中數(shù)據(jù)計算塔頂各組分質(zhì)量：m水=m1×x水=34.07×0.0349=1.1882gm醇=m1×x醇=34.07×0.1292=4.4008gm酯=m1×x酯=34.07×0.8360=28.4808g同理可得塔釜各組分質(zhì)量如下表所示： 表7 全塔物料衡算數(shù)據(jù)取樣位置塔頂塔

13、釜水質(zhì)量/g1.18829.2908乙醇質(zhì)量/g4.400828.4942乙酸質(zhì)量/g0.000011.7259乙酸乙酯質(zhì)量/g28.480848.8591乙醇總量=塔頂乙醇量+塔釜乙醇量+乙醇反應量74.21=4.4008+28.4942+乙醇反應量所以乙醇反應量=41.315gn醇=41.315/46=0.8982mol乙酸總量=塔釜乙酸量+乙酸反應量74.1=11.7259+乙酸反應量所以乙酸反應量為62.3741gn酸=62.3741/60=1.0396mol由方程CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O可知：反應所用乙酸跟乙醇的比為1：1顯然計算得到的數(shù)值明顯大

14、于1：1誤差分析：實驗中在對塔釜餾出液進行色譜分析時，兩次數(shù)據(jù)偏差較大，但由于餾出液已回收，無法再次進行色譜分析，故處理數(shù)據(jù)所用的平均值與實際有偏差。3、計算反應收率及轉(zhuǎn)化率對于間歇過程，可根據(jù)下式計算反應轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率乙酸加料量釜殘液乙酸量/乙酸加料量 =（74.1-11.7259）/74.1 =84.18 %收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相對應生成的乙酸乙酯量*100% =（28.4808+48.8591）/8874.1/60×100%=71.16%選擇性=收率/轉(zhuǎn)化率=71.16%/84.18%=84.53%七、實驗注意事項使用微量注射器在3個不同高度取樣，應盡量保持同步。在

15、使用微量進樣器進樣時速度盡量要快。為保證停留時間的一致，進樣和點擊開始的時間盡量一致。在稱取釜殘液的質(zhì)量時，必須等到持液全部流至塔釜后才取釜殘液。八、思考題1. 怎樣提高酯化收率？ 答：對于本實驗CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O是可逆反應，為提高酯化反應的收率，可以通過減小一種生成物的濃度，或者用反應精餾的方法，使生成物中高沸點或者低沸點的物質(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，以提高酯化收率。2. 不同回流比對產(chǎn)物分布影響如何？ 答：當回流比增大時，乙酸乙酯的濃度會增加。3. 采用釜內(nèi)進料，操作條件要作哪些變化？酯化率能否提高？ 答：釜內(nèi)進料，應保證在釜沸