反應(yīng)精餾制乙酸乙酯.doc

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)會分析塔內(nèi)物料組成。二、實(shí)驗(yàn)原理反應(yīng)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(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。反應(yīng)精餾對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(gòu)體混合物分離。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)，這時可在過程中得以分離。對于本實(shí)驗(yàn)來說，適于第一種情況，但但該反應(yīng)若無催化劑存在，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： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+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。可認(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。由于乙酸在氣相中有締合作用，除乙酸外，其它三個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）物料衡算方程對第j塊理論板上的i組分進(jìn)行物料衡算如下（2）氣液平衡方程對平衡級上某組分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）熱量衡算方程對平衡級進(jìn)行熱量衡算，最終得到下式： 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33mm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、蒸餾水。 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，開啟釜加熱系統(tǒng)至0.4A，開啟塔身保溫電源0.1A，開啟塔頂冷凝水。每10min記下溫度。2 當(dāng)塔頂擺錘上有液體出現(xiàn)時，進(jìn)行全回流操作，全回流15min后，開啟回流，調(diào)整回流比為R=3:1（別忘了開小錘下邊的塞子），30min后，用微量注射器在1，3，5三處同時取樣，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。五、實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表 實(shí)驗(yàn)時由于操作失誤，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)見李遠(yuǎn)。本組實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表見最后。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： f水=0.3920；f醇=1.0000 f酸=0.5389 f酯=1.5264 且故以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)入到塔內(nèi)，故塔體內(nèi)共有3個組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。x水=A水f水Aifi=62700.39262700.392+187091.0000+611311.5264=2.147%x醇=A醇f醇Aifi=187091.000062700.392+187091.0000+611311.5264=16.343%x酯=A酯f酯Aifi=611311.526462700.392+187091.0000+611311.5264=81.510%對其余各組實(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10:30上段（1100mm）峰面積百分比A1%5.9866823.6753270.338質(zhì)量百分比w10.0175940.17749480.804911中段（670mm）峰面積百分比A2%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w30.0194230.25179460.72878211:00上段（1100mm）峰面積百分比A1%7.2811721.7269670.99187質(zhì)量百分比w10.0214690.16343040.8151中段（670mm）峰面積百分比A2%5.4536524.113870.43255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各個組分塔內(nèi)分布，如下圖所示。圖2：10:30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。隨時間增加，產(chǎn)物含量逐漸增加，反應(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=98.86g以塔頂產(chǎn)品分析作為計(jì)算舉例：x水=A水f水Aifi=7.8438150.3927.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=2.3053%x醇=A醇f醇Aifi=19.687031.00007.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=14.760%x酯=A酯f酯Aifi=72.469161.52647.8438150.392+19.687031.0000+72.469161.5264=82.9345%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%15.4581734.146320.899429.49613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：水：m水=m水x水=39.30.023053=0.906g乙醇：m醇=m醇x醇=39.30.1476025=5.80g乙酸乙酯：m酯=m酯x酯=39.30.829345=32.59g（2）塔釜產(chǎn)品中：水：m水=m水x水=98.860.064461=6.37g乙醇：m醇=m醇x醇=98.860.3597832=35.56g乙酸：m酸=m酸x酸=98.860.106736=10.55g乙酸乙酯：m酯=m酯x酯=98.860.46902=46.36g反應(yīng)中產(chǎn)生的乙酸乙酯=32.5946.36=78.95g 消耗的乙醇78.9546/88=41.27g 消耗的乙酸78.9560/88=53.83g理論上剩余乙醇75.4541.2734.18g實(shí)際剩余乙醇5.80+35.5641.36g 理論上剩余乙酸75.6753.8321.84g實(shí)際剩余乙酸10.55g原料總質(zhì)量75.4575.67150.12g產(chǎn)物總質(zhì)量98.8639.3138.16g4、轉(zhuǎn)化率及收率的計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化率=乙酸加料量-釜?dú)堃阂宜崃?乙酸加料量100%=(75.67-98.860.106736)/75.67100%=86.01%；乙醇轉(zhuǎn)化率=乙醇加料量-釜?dú)堃阂掖剂?乙醇加料量100%=(75.45-98.860.3597832)/75.45100%=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100% =(39.30.829345+98.860.46902)/88/(75.67/60)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個不同高度取樣，應(yīng)盡量保持同步。在使用微量進(jìn)樣器進(jìn)樣時速度盡量要快。因水出峰較早，可以先點(diǎn)擊開始后進(jìn)樣。在稱取釜?dú)堃旱馁|(zhì)量時，盡量等到持液全部流至塔釜后才取釜?dú)堃?，?shí)驗(yàn)中等到塔釜溫度降至50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)是一個放熱反應(yīng)，反應(yīng)精餾可以利用這部分能量推動精餾的進(jìn)行，很大程度上的達(dá)到節(jié)能的效果；將精餾和反應(yīng)過程耦合起來大大節(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徊糠忠后w被汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。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，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，以提高酯化收率。5、不同回流比對產(chǎn)物分布影響如何？ 答：當(dāng)回流比增大時，乙酸乙酯的濃度會增加。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)