反应精馏法制乙酸乙酯

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

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。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，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： 物料衡算方程

对第j块理论板上的i组分进行物料横算如下

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：

反应速率方程

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，塔内填装φ3×3mm不锈钢填料(316L)。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、丙酮和蒸馏水。 四，实验步骤

称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，用漏斗倒入塔釜内，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0.2A，开启塔顶冷凝水。每10min记下温度。

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），25min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。

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、实验数据记录

设备编号：3号

表1.物料称重 总重/g 空瓶重量/g 物料重/g 原料乙酸 原料乙醇 塔顶馏出液 塔底馏出液

浓硫酸加入量：3滴

表2.实验记录：

时间 9:15 9:25 9:30 9:35 9:45 9:55 9:57 10:05 10:15 10:25 10:35

表3.色谱分析条件：

气相色谱分析条件 汽化温度/℃ 检测温度/℃ 柱箱温度/℃ 柱前压1/Mpa 柱前压2/Mpa 桥电流/Ma 120 120 125 100 质量相对校正因子 乙酸 乙醇 水 乙酸乙酯 进样量/μl 1 开启回流比采出 75,8 20 塔顶温度/℃ 塔釜温度 衰减 5 H2流量/ml/min 表4.色谱分析结果

90 分析物料 样品号 组分 水 乙醇 保留时间min 峰面积 峰面积百分含量% 31018 第一次取样 1（上） 103386 294442 28373 99653 乙酸乙酯 2（中） 水 乙醇 乙酸乙酯 3（下） 水 乙醇 286807 26948 114278 278700 34052 乙酸乙酯 第二次取样 1（上） 水 乙醇 109030 358294 30321 83031 乙酸乙酯 2（中） 水 乙醇 乙酸乙酯 3（下） 水 乙醇 248504 29313 118458 2826 26041 68325 乙酸乙酯 塔顶馏出液 1 水 乙醇 乙酸乙酯 2 水 乙醇 253526 30513 78173 乙酸乙酯 塔釜馏出液 1 水 乙醇 2914 47802 100615 乙酸 17349 98875 48320 乙酸乙酯 2 水 乙醇 乙酸 106051 40113 乙酸乙酯 六、实验数据处理 1、计算塔内浓度分布

104829 xi已知：f水= ；f醇=；f酸=；f酯= 且

AifiAifi

以第一次取样塔体中部液体的含量作为计算举例：

由于乙酸的沸点较高，加热温度并不能达到其沸点，因此乙酸只存在于塔釜中，塔体中部只有三个组分，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5 塔不同位置各组分含量

取样次数 取样位置 水含量 乙醇含量 乙酸乙酯含量 由表中数据作作图：

图3 第一次取样塔不同位置各组分含量

图4 第二次取样塔不同位置各组分含量

2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算 以塔顶第一次色谱分析作为计算举例：

第一次取样 塔上部 塔中部 塔下部 第二次取样 塔上部 塔中部 塔下部

同理可得到其他组色谱分析的数据：

表6 塔顶及塔釜两次色谱分析结果

由表中数据，可对乙醇和乙酸进行全塔物料衡算： 因为塔顶馏出液质量m1=,塔釜馏出液质量m2= 可由表中数据计算塔顶各组分质量：

同理可得塔釜各组分质量如下表所示：

表7 全塔物料衡算数据

取样位置 水质量/g 乙醇质量/g 乙酸质量/g 乙酸乙酯质量/g

乙醇总量=塔顶乙醇量+塔釜乙醇量+乙醇反应量

=++乙醇反应量 所以乙醇反应量= n醇=46=

乙酸总量=塔釜乙酸量+乙酸反应量

=+乙酸反应量 所以乙酸反应量为 n酸=60=

由方程CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+H2O可知： 反应所用乙酸跟乙醇的比为1：1 显然计算得到的数值明显大于1：1

误差分析：实验中在对塔釜馏出液进行色谱分析时，两次数据偏差较大，但由于馏出液已回收，无法再次进行色谱分析，故处理数据所用的平均值与实际有偏差。

塔顶 塔釜 3、计算反应收率及转化率

对于间歇过程，可根据下式计算反应转化率： 转化率＝[乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量 =（）/ = %

收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相对应生成的乙酸乙酯量*100% =

选择性=收率/转化率=%/%=% 七、实验注意事项

①使用微量注射器在3个不同高度取样，应尽量保持同步。 ②在使用微量进样器进样时速度尽量要快。

③为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。 ④在称取釜残液的质量时，必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。 八、思考题

1. 怎样提高酯化收率？

答：对于本实验CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+H2O是可逆反应，为提高酯化反应的收率，可以通过减小一种生成物的浓度，或者用反应精馏的方法，使生成物中高沸点或者低沸点的物质从系统中连续的排出，是平衡向生成产物的方向移动，以提高酯化收率。

2. 不同回流比对产物分布影响如何？ 答：当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度会增加。

3. 采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？

答：釜内进料，应保证在釜沸腾条件下进料，塔内轻组分上移，重组分下移，在不同的填料高度上均发生反应，生成酯和水，转化率会有所提高。

4. 加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：此反应的原料反应摩尔比为1:1，为提高反应的转化率，应使某组分过量，因乙醇的沸点较低，易被蒸出，因此应把乙醇多加，比例约为2:1即可。

5. 用实验数据能否进行模拟计算？如果数据不充分，还要测定哪些数据？

答：能进行模拟计算。还要测定的数据还有塔顶温度，塔釜温度，塔板下降液体量，塔板上液体混合物体积，塔板下降液体量，上升蒸汽量。