反應(yīng)精餾乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)

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(huì)分析塔內(nèi)物料組成。二、實(shí)驗(yàn)原理反應(yīng)精餾是精餾技術(shù)中的一個(gè)特殊領(lǐng)域。在操作過程中,化學(xué)反應(yīng)與分離同時(shí)進(jìn)行,故能顯著提高總體轉(zhuǎn)化率,降低能耗。此法在酯化、醚化、酯交換、水解等化工生產(chǎn)中得到應(yīng)用,而且越來越顯示其優(yōu)越性。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。二者同時(shí)存在,相互影響,使過程更加復(fù)雜。因此,反應(yīng)精餾對(duì)下列兩種情況特別適用:(1可逆平

2、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(shí)可在過程中得以分離。對(duì)醇酸酯化反應(yīng)來說,適于第一種情況。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。反應(yīng)隨酸濃度增高而加快,濃度在0.21.0%(wt。此外,還可用離子交換樹脂,重金屬鹽

3、類和絲光沸石分子篩等固體催化劑。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 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。若用后一種方式進(jìn)料,即在塔上部某處加帶有酸催化劑的乙酸,塔下部某處加乙醇。釜沸騰狀態(tài)下塔內(nèi)輕組分逐漸向上移動(dòng),重組分向下移動(dòng)。具體地說,乙酸從

4、上段向下段移動(dòng),與向上段移動(dòng)的乙醇接觸,在不同填料高度上均發(fā)生反應(yīng),生成酯和水。塔內(nèi)此時(shí)有4組分。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。若控制反應(yīng)原料比例,可使某組分全部轉(zhuǎn)化。因此,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。 全過程可用物料衡算式和熱量衡算式描述: (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 (如圖1所示:j i j j i j j i ij j j i

5、 j j i j X L Y V R ZF Y V X L ,1,11,1+=+- (12j n ,i =1,2,3,4 (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:0,=-j i j i j i Y X K (2每塊板上組成的總和應(yīng)符合下式:11,=ni ji Y;11,=ni ji X(3(3 反應(yīng)速率方程52,10=ji j i ji j j ji X Q X P K R (4 式(4指原料中各組分的濃度相等條件下才能成立,否則應(yīng)予修正。 (4 熱量衡算方程對(duì)平衡級(jí)上進(jìn)行熱量衡算,最終得到下式:01111=+-+-+-rj j j rj j j j j j jj j j H

6、R Q H F HV h L HV h L (5三、實(shí)驗(yàn)裝置及試劑實(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3×3mm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(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)步驟間歇操作將乙醇、乙酸各80g(正負(fù)1g,濃硫酸23滴倒入塔釜內(nèi)(用滴管取用濃硫酸要用燒杯在下方承接,注意安全,開啟

7、釜加熱系統(tǒng)。開啟塔身保溫電源。開啟塔頂冷凝水。每10min記錄一次塔頂、塔釜溫度和各加熱元件電流。當(dāng)塔頂擺錘上有液體出現(xiàn)時(shí),進(jìn)行全回流操作。15分鐘后,設(shè)定回流比為3:1,開啟回流比控制電源。20分鐘后,用微量注射器在塔身三個(gè)不同高度取樣,應(yīng)盡量保證同步。分別將0.2l樣品注入色譜分析儀,記錄結(jié)果。注射器用后應(yīng)用蒸餾水、丙酮清洗,以備后用。重復(fù)3,4步操作。關(guān)閉塔釜及塔身加熱電源及冷凝水。對(duì)餾出液及釜?dú)堃哼M(jìn)行稱重和色譜分析(當(dāng)持液全部流至塔釜后才取釜?dú)堃?分別分析兩次,關(guān)閉總電源。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)記錄:表一實(shí)驗(yàn)儀器原始數(shù)據(jù)記錄表 表二實(shí)驗(yàn)過程中取樣色譜分析原始數(shù)據(jù)記錄表 表三色譜分析條

8、件表 表四原料原始數(shù)據(jù)記錄表 表五產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)記錄表 數(shù)據(jù)處理結(jié)果表六各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理結(jié)果表 一、塔內(nèi)各物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布計(jì)算:計(jì)算舉例:以第一次取樣上段乙醇為例: iiF A %=100%F A%127.59639=100%=24.996%W 乙醇乙醇乙醇對(duì)上述處理結(jié)果作圖得: w 1 (%H (mm圖一 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖 w 1 (%H (mm圖二 乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖 w 1 (%H (mm圖三 乙酸乙酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖二、乙酸乙酯收率和轉(zhuǎn)化率計(jì)算:=乙酸乙酸乙醇乙醇乙酸乙酯化學(xué)反應(yīng)方程式為:CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O 本實(shí)驗(yàn)中,由于乙醇是過量的,因

9、此用乙酸進(jìn)行計(jì)算。 理論上乙酸全部反應(yīng)生成乙酸乙酯質(zhì)量為:=乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酸/而反應(yīng)實(shí)際生成乙酸乙酯質(zhì)量為:其中,從塔頂收集的乙酸乙酯質(zhì)量為:m 收所以,反應(yīng)收率為:/100%=36.53/116.84100%31.26%m m =收乙酸乙酯剩余乙酸質(zhì)量為:所以,乙酸的轉(zhuǎn)化率為:=(/100%=轉(zhuǎn)化率乙酸加料量-釜液殘余乙酸量乙酸加料量(79.63-34.44/79.63100%=56.75%三、全塔物料衡算:以全塔為系統(tǒng),對(duì)乙酸做物料衡算: 乙酸加料量=79.63g所以,反應(yīng)掉乙酸量+乙酸剩余量=43.03+34.44=77.47g 以全塔為系統(tǒng),對(duì)乙醇做物料衡算: 乙醇加料量=79

10、.3g 反應(yīng)掉乙醇量=乙醇乙酸乙酯乙酸乙酯實(shí)際六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的建議1.由塔濃度分布圖,可知隨著塔高的增大,全塔內(nèi),乙醇的質(zhì)量濃度隨之減小,產(chǎn)物乙酸乙酯的質(zhì)量濃度隨之增大。這是由于水-乙酸乙酯形成的共沸物具有較低的沸點(diǎn),屬于輕組分,通過精餾主要存在于塔的較高處,水-乙醇屬于重組分,主要存在于塔較低處。數(shù)據(jù)圖中,第三組數(shù)據(jù)點(diǎn)不符合變化規(guī)律,可能原因是:、首次進(jìn)行色譜分析操作,操作不是很熟悉;、實(shí)驗(yàn)過程中,其中一次取樣由于取樣不慎灑出,導(dǎo)致重新取樣;、色譜分析儀在第二次分析時(shí)突然斷電,導(dǎo)致重新取樣。乙酸僅在塔釜液中存在,這是由于乙酸的沸點(diǎn)為118,而塔操作的最高溫度為80無法使乙酸蒸發(fā)

11、進(jìn)入塔內(nèi)。2、由反應(yīng)結(jié)果知反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高但收率并不高,也就是生成的乙酸乙酯一部分還留在塔釜中，未精餾至塔頂。通過與其他組進(jìn)行結(jié)果比較得出，這可能是實(shí)驗(yàn)過程中精餾時(shí)間不 夠，導(dǎo)致精餾不完全。 3、在計(jì)算收率和轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)前后乙酸和乙醇質(zhì)量相差不大，在誤差允許范圍內(nèi)， 符合質(zhì)量守恒定律。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差的原因可能是： 、 精餾塔內(nèi)存在持液量， 無法測(cè)量； 、在測(cè)量質(zhì)量時(shí)，產(chǎn)品有一部分揮發(fā)，造成實(shí)驗(yàn)有所誤差。 七、符號(hào)說明 Fj j 板進(jìn)料量 hj j 板上液體焓值 Hj j 板上氣體焓值 Hf,j j 板上原料焓值 Hr,j j 板上反應(yīng)熱焓值 Lj j 板下降液體量 Ki,j i 組分的汽液

12、平衡函數(shù) Pj j 板上液體混合物體積（持液量） Ri,j 單位時(shí)間 j 板上單位液體體積內(nèi) i 組分反應(yīng)量 Vj j 板上升蒸汽量 Xi,j j 板上組分 i 的液相摩爾分?jǐn)?shù) Yi,j j 板上組分 i 的氣相摩爾分?jǐn)?shù) Zi,j j 板上 i 組分的原料組成 i,j 反應(yīng)混合物組分在 j 板上的體積 Qj j 板上冷卻或加熱的熱量 八、思考題 1、怎樣提高酯化收率？ 答：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，乙酸乙酯有很大一部分殘存在塔釜廢液中，因此，可以通 過增加回流比的方法提高收率。同時(shí)，從熱力學(xué)角度來看，可以通過提高乙醇的用量，使反 應(yīng)平衡向右移動(dòng)，從而提高乙酸乙酯的產(chǎn)量。另外，增加精餾時(shí)間，可使易揮發(fā)組分在塔頂 的含量增加，減少酯的損失等，都可以在不同程度上提高酯化收率。 2、不同回流比對(duì)產(chǎn)物分布影響如何？ 答：回流比 R=L/D，其中，L 表示精餾塔塔頂返回塔內(nèi)的回流液流量，D 表示塔頂產(chǎn)品 流量。操作中精餾塔的分離能力主要取決于回流比的大小，改變回流比，是調(diào)節(jié)精餾塔操作 的方便而有效的手段。增大回流比，可以提高產(chǎn)品純度，減少分離所需的理論板數(shù)，使得產(chǎn) 物分布較窄，反之產(chǎn)物分布較寬。但增大回流比，要求塔釜產(chǎn)生的蒸汽量相應(yīng)增加，增大了 能耗。 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：采用側(cè)線進(jìn)料，并且為連續(xù)操作，即持續(xù)通入原料。這樣可使反應(yīng)原料乙酸在全 塔范圍內(nèi)分布