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)體混合物分離。通常因它們的

2、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：CHCOOH + CHOH ? CHCOOCH+HO2355322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

3、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1 / 9 .(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

4、。直徑20mm，塔高1500mm，塔內(nèi)填裝$ 3X 3mm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(xiàn)圈、回流比計(jì)數(shù)撥碼電子儀表組成。2 / 9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(chēng)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)塔頂擺錘上有液體岀現(xiàn)時(shí)

5、，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，取岀產(chǎn)物和塔釜原料，稱(chēng)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3 / 9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Afii

6、 x已知：且i Af “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(gè)組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。410對(duì)其余各組實(shí)驗(yàn)采用相同的處理，可得到以下表格：i表：側(cè)線(xiàn)采岀樣品的色譜分析結(jié)果組分水乙醇乙酸乙酯70.338 23.67532 5.98668 % 峰面積百分比 A 上段 1（ 1100mm） 0.804911 0.1774948 0.017594 w質(zhì)量百分比 172.22462 1.30618 25.4692 % 峰面積百分比 A210:30670mm ）中段（0.8092770.1869644 0.003759 質(zhì)量百分比 W26

7、1.30649 6.3622 32.33132 % A 峰面積百分比 3 230mm）（下段 0.728782 0.2517946 0.019423質(zhì)量百分比 W370.99187 7.28117 21.72696 % 'A 峰面積百分比上段10.8151 0.1634304 0.021469'（ 1100mm ） w 質(zhì)量百分比 170.43255 24.1138 5.45365 % '11:00A峰面積百分比2中段（670mm ）0.803741 0.015983 0.1802768 'w 質(zhì)量百分比 270.3385.9866823.67532%'

8、A下段）230mm （峰面積百分比34 / 90.8049110.17749480.017594 質(zhì)量百分 311:00各個(gè)組分塔內(nèi)分布，如下圖所示。 ：根據(jù)上表分別繪制岀1030和/水=0.3920醇=1. 0000f 酸=(L 5389= 1- 52646270力水f水塔內(nèi)各組分濃度分布圖2: 10:30圖2匚 IJ.T 丄 O I JU 苫187096270 x 0. 392 + 18709 >611316270 x 0. 392 + 1870911:00塔內(nèi)各組分濃度分布圖圖3: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

9、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5 / 9塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量：m=165.3-126=39.3g頂塔釜產(chǎn)品質(zhì)量：m=177.53 -78.67=98.86g釜以塔頂產(chǎn)品分析 作為計(jì)算舉例：103塔內(nèi)各組分濃度分布圖-乙醇在塔內(nèi)的濃度分布U OT水在塔內(nèi)的敢屢州布0 5乙酸乙鄙在塔內(nèi)的濃度分0 40.3 "0.2T0.1U r| 1 P05001000150011:00塔內(nèi)各組分濃度分布圖、物料衡算 3(1)塔頂產(chǎn)品中： 39.3

10、 X 0.023053=0.906g0.1476025=5.80g其他數(shù)據(jù)計(jì)算同理，計(jì)算結(jié)果如下3:塔頂、塔釜產(chǎn)品色譜分析結(jié)果表塔 頂 產(chǎn) 品水 乙醇 7.87166 19.6844 7.81597 19.68966 7.843815 19.68703 0.0230530.1476025組分%峰面積百分比A41峰面積百分比 A%42平均峰面積百分比 A%4質(zhì)量百分比w 4乙酸乙 72.4439572.4943772.469160.829345峰面積百分比16.48597 % A 5135.744417.5758330.193820.8994 15.4581729.4961334.1463%峰面

11、積百分比 A 52塔釜產(chǎn)物15.9720734.94535 19.23762 29.84497% A平均峰面積百分比50.469020.064461 0.3597832 0.106736質(zhì)量百分比W5水：39.3 X乙醇： 39.3 X 0.829345=32.59g乙酸乙酯：2 ()塔釜產(chǎn)品中： 98.86水：X 0.064461=6.37g0.3597832=35.56gX乙醇：98.860.106736=10.55g幾水麗乙酸：X 98.86,0.46902=46.36gX乙酸乙酯：98.8646.36=78.95g+反應(yīng)中產(chǎn)生的乙酸乙酯=32.5946/88=41.27g X消耗的乙醇

12、=78.9560/88=53.83gX消耗的乙酸=78.9534.18g=- 41.27 理論上剩余乙醇= 75.4541.36g=實(shí)際剩余乙醇=5.80+35.5621.84g53.83 =理論上剩余乙酸=75.67 10.55g實(shí)際剩余乙酸=150.12g75.67 =原料總質(zhì)量=75.45 + 138.16g39.3 = 產(chǎn)物總質(zhì)量=98.86 + 4、轉(zhuǎn)化率及收率的計(jì)算100%/乙酸加料量X乙酸加料量-釜?dú)堃阂宜崃恳宜徂D(zhuǎn)化率=;0.106736)/75.67 X100%=86.01%=(75.67 -98.86X 100%乙醇加料量X -釜?dú)堃阂掖剂?乙醇轉(zhuǎn)化率=乙醇加料量100%=5

13、2.86%X =(75.45 -98.86 X 0.3597832)/75.45100% 原料乙酸的物質(zhì)的量X產(chǎn)品乙酸乙酯的物質(zhì)的量/乙酸乙酯的收率=100% XXX 0.829345+98.860.46902)/88/(75.67/60)=(39.3=71.15%七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1個(gè)不同高度取樣，應(yīng)盡量保持同步。使用微量注射器在 3在使用微量進(jìn)樣器進(jìn)樣時(shí)速度盡量要快。因水岀峰較早，可以先點(diǎn)擊開(kāi)始后進(jìn)樣。C 50在稱(chēng)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?，?shí)驗(yàn)中等到塔釜溫度降至 后取樣。2、實(shí)驗(yàn)誤差分析 7 / 9 可能是有部分液體殘留在精餾塔中所致。 可

14、能是色譜分析中岀現(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)找岀除乙酸乙酯反應(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(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

15、塔底產(chǎn)品（稱(chēng)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(chēng)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？OH ? CHCOOCH+HO 答：對(duì)于本實(shí)驗(yàn) CHCOOH + CH 是可逆反應(yīng)，為提高酯化反應(yīng)的收率，可 以 2532253 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，重組分下移，在不同的填料高度 上均發(fā)生