反應(yīng)精餾法制乙酸乙酯

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)體混合物分離。通常因它們的沸點(diǎn)接近

2、，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。反應(yīng)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(jìn)行催化反應(yīng)，而應(yīng)用固體催化劑則由于存在一個(gè)最適宜的溫度，精餾塔本身難以達(dá)到此條件，故很難實(shí)現(xiàn)最佳化操作。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： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H

3、5+H2O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)行物料橫算如下（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： 每塊板上組成的總和應(yīng)符合下式：（3） 反應(yīng)速率方程（4） 熱量衡算方程（5） 對(duì)平衡級(jí)進(jìn)行熱量衡算，最終得到下式： 三，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示

4、。 反應(yīng)精餾塔用玻璃制成。直徑20mm，塔高1500mm，塔內(nèi)填裝33mm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(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)撥碼電子儀表組成。 所用的試劑有乙醇、乙酸、濃硫酸、丙酮和蒸餾水。 四，實(shí)驗(yàn)步驟1 稱取乙醇、乙酸各80g，相對(duì)誤差不超過(guò)0.5g，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0.2A，開(kāi)啟塔頂冷凝水。每10min記下溫度。2 當(dāng)塔頂擺錘上有

5、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），25min后，用微量注射器在1，3，5三處同時(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)數(shù)據(jù)記錄擺錘出現(xiàn)液滴時(shí)間為14：45 開(kāi)啟回流比時(shí)間為15：01 開(kāi)始取樣時(shí)間為15：31序號(hào)時(shí)間上段加熱電流（A）釜加熱電流（A）下段加熱電流（A）塔頂溫度（）釜熱溫度（）114:370.170.420.1422.021.0214:470.20.40.235.68

6、4.5314:570.20.40.267.383.4415:070.20.40.267.381.5515:170.20.40.267.381.5615:270.20.40.267.282.2715:370.20.40.267.183.1815:470.20.40.267.084.7915:520.20.40.267.086.81016:070.20.40.267.290.6表1：實(shí)驗(yàn)條件記錄表載氣柱前壓：0.05MPa橋電流：100mA進(jìn)樣量：0.2l檢測(cè)室溫度：135汽化室溫度：125柱箱溫度：125相對(duì)質(zhì)量校正因子f水=0.8701f醇=1.000f酸=1.425f酯=1.307表2：色譜

7、分析條件表取樣時(shí)間為15：31序號(hào)保留時(shí)間面積面積百分比（%）精餾塔上部分析結(jié)果10.19830015.5905820.5591581829.4637632.6013486664.94565精餾塔中部分析結(jié)果10.189739413.5833420.5601436926.3982332.6213266960.01842精餾塔底部分析結(jié)果10.18943327.8157920.5442276241.0661232.6422833351.11809表3：取樣時(shí)間為15：31時(shí)色譜分析結(jié)果取樣時(shí)間為16：01序號(hào)保留時(shí)間面積面積百分比（%）精餾塔上部分析結(jié)果10.18845315.7591820.5

8、412299329.2263532.4815114965.01446精餾塔中部分析結(jié)果10.19230065.6468220.5501813934.0752332.6053208860.27795精餾塔底部分析結(jié)果10.18756029.2200320.5362994749.2872632.6662521141.49271表4：取樣時(shí)間為16：01時(shí)色譜分析結(jié)果塔頂流出液質(zhì)量103.06g序號(hào)保留時(shí)間面積面積百分比（%）10.19129376.0340220.5551280826.3177332.6013292267.64825表5：塔頂流出液色譜分析結(jié)果塔釜流出液質(zhì)量42.84g序號(hào)保留時(shí)間

9、面積面積百分比（%）10.1811970035.4142520.567943216.9563731.6432163038.8830542.86348658.74633表6：塔釜流出液色譜分析結(jié)果六，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、計(jì)算塔內(nèi)濃度分布已知：f水=0.8701；f醇=1.000；f酸=1.425；f酯=1.307且故以15：31精餾塔中部液體的含量作為計(jì)算舉例：已知乙酸的沸點(diǎn)較高，不能進(jìn)入到塔內(nèi)，故塔體內(nèi)共有3個(gè)組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。對(duì)其余各組實(shí)驗(yàn)采用相同的處理，可得到以下表格：取樣時(shí)間為15：31組分精餾塔上部精餾塔中部精餾塔底部水含量（%）4.0810.135.93乙醇含量（%）24.72

10、22.6335.81乙酸乙酯含量（%）71.2067.2458.26表7：取樣時(shí)間為15：31含量分析結(jié)果圖1：取樣時(shí)間為15：31含量在塔內(nèi)的分布圖取樣時(shí)間為16：01組分精餾塔上部精餾塔中部精餾塔底部水含量（%）4.204.177.19乙醇含量（%）24.5228.9344.19乙酸乙酯含量（%）71.2866.9048.62表8：取樣時(shí)間為16：01含量分析結(jié)果圖2：取樣時(shí)間為16：01含量在塔內(nèi)的分布圖如圖所示，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中間含量最多，水在精餾塔底部含量最多。我們知道若采用塔釜進(jìn)料的間

11、歇式操作，反應(yīng)只在塔釜內(nèi)進(jìn)行，可能是各個(gè)組分的沸點(diǎn)不同所致。2、進(jìn)行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔頂色譜分析作為計(jì)算舉例：且已知塔頂流出液的質(zhì)量為103.06g，故：對(duì)其余各組實(shí)驗(yàn)采用相同的處理，可得到以下表格：組分含量水（g）乙醇（g）乙酸（g）乙酸乙酯（g）原料080.0080.000塔頂4.5122.60075.94塔釜11.526.3420.714.27因此對(duì)乙醇進(jìn)行物料衡算：乙醇的量=塔頂乙醇質(zhì)量+塔釜乙醇質(zhì)量+乙醇反應(yīng)質(zhì)量80.00=22.60+6.34+乙醇反應(yīng)質(zhì)量故：乙醇反應(yīng)質(zhì)量=51.06 gn乙醇=51.06/46=1.11 mol對(duì)乙酸進(jìn)行物料衡算：乙酸的量=塔頂乙酸質(zhì)量+

12、塔釜乙酸質(zhì)量+乙酸反應(yīng)質(zhì)量80.00=0+20.71+乙酸反應(yīng)質(zhì)量故：乙酸反應(yīng)質(zhì)量=59.29gn乙酸=59.29/60=0.99 mol可以知道，理論上乙醇和乙酸的反應(yīng)量應(yīng)為1：1，可能是因?yàn)橛胁糠忠后w殘留在精餾塔中，也可能是因?yàn)樯V分析存在誤差所致。3、計(jì)算反應(yīng)收率及轉(zhuǎn)化率對(duì)于間歇過(guò)程，可根據(jù)下式計(jì)算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率乙酸加料量釜?dú)堃阂宜崃?乙酸加料量 =（80.00-20.71）/80.00 =74.11 %收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相對(duì)應(yīng)生成的乙酸乙酯量*100% 選擇性=收率/轉(zhuǎn)化率=68.36%/74.11%=92.24%七，結(jié)果分析及討論1、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)使用微量注射器在3個(gè)

13、不同高度取樣，應(yīng)盡量保持同步。在色譜分析時(shí)，樣品容易揮發(fā)可能導(dǎo)致后面兩個(gè)量進(jìn)樣不夠，故一開(kāi)始取樣應(yīng)取足夠多。在使用微量進(jìn)樣器進(jìn)樣時(shí)速度盡量要快。為保證停留時(shí)間的一致，進(jìn)樣和點(diǎn)擊開(kāi)始的時(shí)間盡量一致。在稱取釜?dú)堃旱馁|(zhì)量時(shí)，必須等到持液全部流至塔釜后才取釜?dú)堃骸?、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。可能是色譜分析中出現(xiàn)的誤差所致。八，思考題1. 怎樣提高酯化收率？ 答：對(duì)于本實(shí)驗(yàn)CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+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，是生成物中高沸點(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。2. 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。3. 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，重組分下移，在不同的填料高度上均發(fā)生反應(yīng)，生成酯和水，轉(zhuǎn)化率會(huì)有所提高。4. 加料摩爾比應(yīng)保持多少為最佳？答：此反應(yīng)的原料反應(yīng)摩爾比為1:1，為提高反應(yīng)的