反應精餾制乙酸乙酯.doc

實驗一 反應精餾法制乙酸乙酯一、實驗目的1.了解反應精餾是既服從質量作用定律又服從相平衡規(guī)律的復雜過程。2.掌握反應精餾的操作。3.能進行全塔物料衡算和塔操作的過程分析。4.了解反應精餾與常規(guī)精餾的區(qū)別。5.學會分析塔內物料組成。二、實驗原理反應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，又有物質變性的化學反應現(xiàn)象。反應精餾對下列兩種情況特別適用：（1）可逆平衡反應。一般情況下，反應受平衡影響，轉化率只能維護在平衡轉化的水平；但是，若生成物中有低沸點或高沸點物質存在，則精餾過程可使其連續(xù)地從系統(tǒng)中排出，結果超過平衡轉化率，大大提高了效率。（2）異構體混合物分離。通常因它們的沸點接近，靠一般精餾方法不易分離提純，若異構體中某組分能發(fā)生化學反應并能生成沸點不同的物質，這時可在過程中得以分離。對于本實驗來說，適于第一種情況，但但該反應若無催化劑存在，單獨采用反應精餾存在也達不到高效分離的目的，這是因為反應速度非常緩慢，故一般都用催化反應方式。酸是有效的催化劑，常用硫酸。本實驗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。反應的方程式為： CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O實驗的進料有兩種方式：一是直接從塔釜進料；另一種是在塔的某處進料。前者有間歇和連續(xù)式操作；后者只有連續(xù)式?？烧J為反應精餾的分離塔也是反應器。若采用塔釜進料的間歇式操作，反應只在塔釜內進行。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，水醇共沸物沸點較低，醇和酯能不斷地從塔頂排出。由于乙酸的沸點較高，不能進入到塔體，故塔體內共有3組分，即水、乙醇、乙酸乙酯。 本實驗采用間歇式進料方式，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的有如下平衡關系： 每塊板上組成的總和應符合下式：（3）反應速率方程（4）熱量衡算方程對平衡級進行熱量衡算，最終得到下式： 三、實驗裝置及實驗流程示意圖實驗裝置如圖2所示。 反應精餾塔用玻璃制成。直徑20mm，塔高1500mm，塔內填裝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、實驗步驟1 稱取乙醇、乙酸各75g，用漏斗倒入塔釜內，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 當塔頂擺錘上有液體出現(xiàn)時，進行全回流操作，全回流15min后，開啟回流，調整回流比為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，將取得的液體進行色譜分析，30min后，再取一次進行色譜分析。3 將加熱和保溫開關關上，取出產物和塔釜原料，稱重進行色譜分析，關上電源，將廢液倒入廢液瓶，收拾實驗臺。五、實驗原始數(shù)據(jù)記錄表 實驗時由于操作失誤，誤將廢液當做乙醇加入反應釜，導致實驗徹底失敗，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，吳剛等三人數(shù)據(jù)，所用原始實驗數(shù)據(jù)見李遠。本組實驗原始數(shù)據(jù)記錄表見最后。六、實驗數(shù)據(jù)處理及舉例1、計算塔內濃度分布已知： 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算舉例：已知乙酸的沸點較高，不能進入到塔內，故塔體內共有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%對其余各組實驗采用相同的處理，可得到以下表格：表1：側線采出樣品的色譜分析結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質量百分比w10.0175940.17749480.804911中段（670mm）峰面積百分比A2%1.3061825.469272.22462質量百分比w20.0037590.18696440.809277下段（230mm）峰面積百分比A3%6.362232.3313261.30649質量百分比w30.0194230.25179460.72878211:00上段（1100mm）峰面積百分比A1%7.2811721.7269670.99187質量百分比w10.0214690.16343040.8151中段（670mm）峰面積百分比A2%5.4536524.113870.43255質量百分比w20.0159830.18027680.803741下段（230mm）峰面積百分比A3%5.9866823.6753270.338質量百分比w30.0175940.17749480.804911 根據(jù)上表分別繪制出10：30和11:00各個組分塔內分布，如下圖所示。圖2：10:30塔內各組分濃度分布圖圖3：11:00塔內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，產物含量逐漸增加，反應物含量逐漸減少，反映了反應精餾可以起到分離產物和提高反應程度的作用。2、進行乙酸和乙醇的全塔物料衡算塔頂產品的質量：m頂=165.3-126=39.3g塔釜產品質量：m釜=177.53-78.67=98.86g以塔頂產品分析作為計算舉例：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)計算同理，計算結果如下表3：塔頂、塔釜產品色譜分析結果組分水乙醇乙酸乙酯塔頂產品峰面積百分比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質量百分比w40.0230530.14760250.829345塔釜產物峰面積百分比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質量百分比w50.0644610.35978320.1067360.469023、物料衡算（1）塔頂產品中：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反應中產生的乙酸乙酯=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實際剩余乙醇5.80+35.5641.36g 理論上剩余乙酸75.6753.8321.84g實際剩余乙酸10.55g原料總質量75.4575.67150.12g產物總質量98.8639.3138.16g4、轉化率及收率的計算乙酸轉化率=乙酸加料量-釜殘液乙酸量/乙酸加料量100%=(75.67-98.860.106736)/75.67100%=86.01%；乙醇轉化率=乙醇加料量-釜殘液乙醇量/乙醇加料量100%=(75.45-98.860.3597832)/75.45100%=52.86%乙酸乙酯的收率=產品乙酸乙酯的物質的量/原料乙酸的物質的量100% =(39.30.829345+98.860.46902)/88/(75.67/60)100% =71.15%七、實驗結果分析與討論1、實驗注意事項使用微量注射器在3個不同高度取樣，應盡量保持同步。在使用微量進樣器進樣時速度盡量要快。因水出峰較早，可以先點擊開始后進樣。在稱取釜殘液的質量時，盡量等到持液全部流至塔釜后才取釜殘液，實驗中等到塔釜溫度降至50后取樣。2、實驗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、反應精餾的優(yōu)點由于該反應是一個放熱反應，反應精餾可以利用這部分能量推動精餾的進行，很大程度上的達到節(jié)能的效果；將精餾和反應過程耦合起來大大節(jié)省了空間和設備；破壞了可逆反應平衡，增加了反應的選擇性和轉化率，使反應速度提高，從而提高了生產能力。八、思考題1、試查文獻找出除乙酸乙酯反應精餾外，還有那些產品能用反應精餾法制的？成醚反應，水解反應，加成反應，醇脫水反應，苯取代反應，聚合物合成反應。2、連續(xù)反應精餾應怎樣操作？簡單敘述流程。連續(xù)精餾在塔某處或塔釜進料，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品（稱為釜殘液）；部分液體被汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進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品（稱為餾出液）采出。3、采用固體催化劑時，實驗室和工業(yè)塔怎么裝填？捆包式包裝結構；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構4、怎樣提高酯化收率？ 答：對于本實驗CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5+H2O是可逆反應，為提高酯化反應的收率，可以通過減小一種生成物的濃度，或者用反應精餾的方法，使生成物中高沸點或者低沸點的物質從系統(tǒng)中連續(xù)的排出，是平衡向生成產物的方向移動，以提高酯化收率。5、不同回流比對產物分布影響如何？ 答：當回流比增大時，乙酸乙酯的濃度會增加。6、采用釜內進料，操作條件要作哪些變化？酯化率能否提高？ 答：釜內