反應(yīng)精餾法制乙酸乙酯

1、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

2、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。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)

3、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：物料衡算方程對第 j 塊理論板上的i 組分進(jìn)行物料橫算如下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：反應(yīng)速率方程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15

4、00mm，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)步驟稱取乙醇、乙酸各80g，相對誤差不超過0.5g ，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0.2A，開啟塔頂冷凝水。每10min 記下溫度。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

5、 后，開啟回流，調(diào)整回流比為R=3:112， 25min 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。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)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備編號：3 號濃硫酸加入量：3 滴總重 /g空瓶重量/g物料重/g原料乙酸74.10原料乙醇74.21塔頂餾出液160.2126.1334.07塔底餾出液176.9878.6198.37表 1. 物料稱重時間塔頂溫度/ 塔釜溫度9:1519.818.49:252081.79:3066.380.39:3567.

6、579.49:4567.577.59:5567.476.49:57開啟回流比采出10:0567.475,810:1567.675.610:2567.475.910:3567.376.4表 2. 實(shí)驗(yàn)記錄：表 3. 色譜分析條件：氣相色譜分析條件質(zhì)量相對校正因子汽化溫度/ 120乙酸1.52檢測溫度/ 120乙醇1柱箱溫度/ 125水0.7柱前壓1/Mpa0.02乙酸乙酯1.74柱前壓2/Mpa進(jìn)樣量/ l0.2橋電流/Ma100衰減5H2 流量 /ml/min90表 4. 色譜分析結(jié)果分析物料樣品號組分保留時間min峰面積峰面積百分含量%第一次取樣1 （上）水0.339310187.2385乙

7、醇0.74210338624.10801乙酸乙酯2.95229444268.659152（中）水0.116283736.83967乙醇0.5199965324.02237乙酸乙酯2.74128680769.137953（下）水0.326269486.40653乙醇0.72511427827.1652乙酸乙酯2.96227870066.25757第二次取樣1 （上）水0.334340526.79176乙醇0.73810903021.74613乙酸乙酯2.88835829471.462112（中）水0.399303218.37935乙醇0.8128303122.94592乙酸乙酯3.0824850

8、468.674733（下）水0.517293136.69329乙醇0.9211845827.04832乙酸乙酯317769塔頂餾出液1水0.326260417.48321乙醇0.7426832519.60831乙酸乙酯2.99625352672.854692水0.316305137.62305乙醇0.737817319.52978乙酸乙酯2.94729145472.80813塔釜餾出液1水0.4344780218.02997乙醇0.85110061537.94996乙酸1.932173496.54363乙酸乙酯3.3719887537.293492水0.3094832

9、016.14366乙醇0.7310605135.43147乙酸1.7914011313.40164乙酸乙酯3.24210482935.02322六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理AifiAi f i1 、計算塔內(nèi)濃度分布xi已知： f 水 =0.7 ； f 醇 =1.000； f 酸 =1.52； f 酯 =1.74 且以第一次取樣塔體中部液體的含量作為計算舉例：由于乙酸的沸點(diǎn)較高，加熱溫度并不能達(dá)到其沸點(diǎn)，因此乙酸只存在于塔釜中，塔體中部只有三個組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。水水 水醇醇醇酯酯酯對其余各組實(shí)驗(yàn)采用相同的處理，可得到以下表格：表 5 塔不同位置各組分含量取樣次數(shù)第一次取樣第二次取樣取樣位置塔上部塔

10、中部塔下部塔上部塔中部塔下部水含量0.03410.03210.03050.03150.03960.0319乙醇含量0.16220.16110.18490.14420.15470.1841乙酸乙酯含量0.80370.80680.78460.82430.80570.78400.90000.80000.70000.60000.50000.40000.30000.20000.10000.0000水乙醇乙酸乙酯3 第一次取樣塔不同位置各組分含量水乙醇乙酸乙酯圖 4 第二次取樣塔不同位置各組分含量2、進(jìn)行乙酸和乙醇的全塔物料衡算以塔頂?shù)谝淮紊V分析作為計算舉例：水水醇醇酯酯酯表 6 塔頂及塔釜兩次色譜分析

11、結(jié)果取樣位置塔頂塔釜色譜分析次數(shù)12平均12平均水含量0.03450.03520.03490.10060.08830.0944乙醇含量 乙酸含量0.12950.12890.12920.30260.07930.27670.15910.28970.1192乙酸乙酯含量0.83600.83590.83600.51740.47590.4967由表中數(shù)據(jù)，可對乙醇和乙酸進(jìn)行全塔物料衡算：因?yàn)樗旔s出液質(zhì)量m1=34.07g, 塔釜餾出液質(zhì)量m2=98.37g可由表中數(shù)據(jù)計算塔頂各組分質(zhì)量：水水醇醇酯酯同理可得塔釜各組分質(zhì)量如下表所示：表 7 全塔物料衡算數(shù)據(jù)取樣位置塔頂塔釜水質(zhì)量/g1.18829.29

12、08乙醇質(zhì)量/g4.400828.4942乙酸質(zhì)量/g0.000011.7259乙酸乙酯質(zhì)量/g28.480848.8591乙醇總量=塔頂乙醇量+塔釜乙醇量+乙醇反應(yīng)量74.21=4.4008+28.4942+ 乙醇反應(yīng)量所以乙醇反應(yīng)量=41.315gn 醇 =41.315/46=0.8982mol乙酸總量=塔釜乙酸量+乙酸反應(yīng)量74.1=11.7259+乙酸反應(yīng)量所以乙酸反應(yīng)量為62.3741g n 酸 =62.3741/60=1.0396molCH3COOH + C2H5OH ? CH 3COOC2H5+H2O 可知：反應(yīng)所用乙酸跟乙醇的比為1： 1顯然計算得到的數(shù)值明顯大于1 ： 1誤差

13、分析：實(shí)驗(yàn)中在對塔釜餾出液進(jìn)行色譜分析時，兩次數(shù)據(jù)偏差較大，但由于餾出液已回收，無法再次進(jìn)行色譜分析，故處理數(shù)據(jù)所用的平均值與實(shí)際有偏差。3、計算反應(yīng)收率及轉(zhuǎn)化率對于間歇過程，可根據(jù)下式計算反應(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=( 74.1-11.7259) /74.1=84.18 %收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相對應(yīng)生成的乙酸乙酯量*100%選擇性=收率/轉(zhuǎn)化率 =71.16%/84.18%=84.53%七、實(shí)驗(yàn)注意事項使用微量注射器在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。為保證停留時間的一致，進(jìn)樣和點(diǎn)擊開始的時間盡量一致。在稱取釜?dú)堃旱馁|(zhì)量時，必須等到持液全部流至塔釜后才取釜?dú)堃?。八、思考題1. 怎樣提高酯化收率？答：對于本實(shí)驗(yàn)CH3COOH + C2H5O?H CH3COOC2H5+H2是可逆反應(yīng)，為提高酯化反應(yīng)的收率，可以 O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。2. 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。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，