實(shí)驗(yàn)一反應(yīng)精餾制乙酸乙酯

..試驗(yàn)一反響精餾法制乙酸乙酯一、試驗(yàn)?zāi)康牧私夥错懢s是既聽從質(zhì)量作用定律又聽從相平衡規(guī)律的簡潔過程。把握反響精餾的操作。能進(jìn)展全塔物料衡算和塔操作的過程分析。了解反響精餾與常規(guī)精餾的區(qū)分。學(xué)會(huì)分析塔內(nèi)物料組成。二、試驗(yàn)原理反響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)反響現(xiàn)象?！晨赡嫫胶夥错?。一般狀況下，反響受平衡影響，轉(zhuǎn)化率只能維護(hù)在平衡轉(zhuǎn)化的水平；但是，假設(shè)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)〔2〕異構(gòu)體混合物分別。通常因它們的沸點(diǎn)接近，靠一般精餾方法不易分別提純，假設(shè)異構(gòu)體中某組分能發(fā)生化學(xué)反響并能生成沸點(diǎn)不同的物質(zhì)，這時(shí)可在過程中得以分別。對于本試驗(yàn)來說，適于第一種狀況，但但該反響假設(shè)無催化劑存在，單獨(dú)承受反響精餾存在也達(dá)不到高效分別的目的，這是由于反響速度格外緩慢，故一般都用催化反響方式。酸是有效的催化劑，常用硫酸。反響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)展催化反響，而應(yīng)用固體催化劑則由于存在一個(gè)最適宜的溫度，精餾塔本身難以到達(dá)此條件，故很難實(shí)現(xiàn)最正確化操作。本試驗(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響。反響的方程式為：CHCOOH+CHOHCH COOCH+HO3 2 5 3 2 5 2試驗(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)為反響精餾的分別塔也是反響器。假設(shè)承受塔釜進(jìn)料的間歇式操作，反響只在塔釜內(nèi)進(jìn)展。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。本試驗(yàn)承受間歇式進(jìn)料方式，物料衡算式和熱量衡算式為：物料衡算方程ji組分進(jìn)展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：反響速率方程熱量衡算方程對平衡級進(jìn)展熱量衡算，最終得到下式：三、試驗(yàn)裝置示意圖試驗(yàn)裝置如圖2所示。反響精餾塔用玻璃制成。直徑20mm，塔高1500mm，塔內(nèi)填裝φ3×3mm不銹鋼填料(316L)。塔外壁鍍XCT-191，ZK-50可控硅電壓把握釜溫。塔頂冷凝液體的回流承受搖擺式回流比把握器操作。此把握系統(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、試驗(yàn)步驟稱取乙醇、乙酸各80g，相對誤差不超過1g2~3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記錄一次塔頂、塔釜溫度和各加熱元件電流?！卜_收集旋塞〕，20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三處同時(shí)取樣，將取得的液體進(jìn)展色譜分析，30min后，再取一次進(jìn)展色譜分析，取樣時(shí)盡可能保證同步?！采V分析時(shí)取0.2μl樣品注入色譜，記錄結(jié)果，注射器用后應(yīng)用蒸餾水、丙酮清洗，以備后用〕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)展色譜分析，分別重復(fù)分析兩次〔當(dāng)持液全部回流至塔釜后再取塔釜?dú)堃骸酬P(guān)閉回流，關(guān)閉冷凝水及塔釜及塔身加熱電源，將廢液倒入廢液瓶，整理試驗(yàn)臺(tái)。五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄原始數(shù)據(jù)記錄：表1 試驗(yàn)儀器原始數(shù)據(jù)記錄表塔頂溫度C釜控溫度C14：4918.419.40.10.40.114：5918.585.20.10.40.115:0966.084.30.10.40.115:1966.282.80.10.40.115:2966.182.00.10.40.115:3966.281.70.10.40.115:4966.181.70.10.40.115:5966.281.70.10.40.116:0966.081.90.10.40.116:1966.182.30.10.40.1時(shí)間mA注：15:05開頭全回流；15:20開頭局部回流；15:41第一次取樣；16:11時(shí)間mA取樣次數(shù)塔身第一次表2 取樣次數(shù)塔身第一次取樣位置峰號停留時(shí)間min面積/面積百分比/%上10.871987616.8375421.4001618627.5963934.3573259155.56607中10.57136975.4055821.0821905127.8553433.9314564466.73908下10.45925475.5650320.9821321628.8738433.9813000765.5611310.51442616.7667721.0341633725.9418533.9194233767.2913810.36646206.5902620.8921682524.0023433.7444865469.4074110.37143756.3777620.8841880027.4082133.7374541866.2140210.35144166.7436020.8761453422.1940233.7144653771.0623810.34845577.6879920.8741332222.4734033.7644140069.8386210.756574615.6673321.2901280734.9232432.900961326.2139344.548850723.1955010.343964515.7841820.8712075433.9638032.4641668927.3116644.0801401822.94035上中塔身其次次下塔頂上中塔身其次次下塔頂?shù)谝淮嗡斊浯未嗡谝淮嗡浯未屋d氣柱前壓載氣柱前壓0.05Pa橋電路100A汽化室溫度100C柱箱溫度126C進(jìn)樣量0.2L檢測器溫度126CF相對校正因子=0.7628水F =1.2591乙酸乙酯F =1乙醇F =1.4052乙酸表4 原料原始數(shù)據(jù)記錄表原料原料乙酸乙醇原料質(zhì)量/g79.6379.30分子量60.0546.07質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%>99.5%>99.5%注：乙酸乙酯的分子量為88.11表5 產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)記錄表取出位置塔頂塔釜

空瓶質(zhì)量/g61.9289.96

瓶與產(chǎn)品質(zhì)量/g 產(chǎn)品(乙酸乙酯)質(zhì)量/g109.92 48.00193.52 103.56數(shù)據(jù)處理：塔內(nèi)各物質(zhì)質(zhì)量濃度分布的計(jì)算表6 精餾過程數(shù)據(jù)處理表水11.633上段乙醇24.996乙酸乙酯63.371水3.554中段乙醇24.011乙酸乙酯72.434水3.670下段乙醇24.963乙酸乙酯71.367水4.456上段乙醇22.396乙酸乙酯73.147水4.318中段乙醇20.617乙酸乙酯75.065水4.207下段乙醇23.701乙酸乙酯72.092取樣次數(shù)取樣位置物質(zhì)組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%取樣取樣次數(shù)取樣位置物質(zhì)組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%取樣取樣依據(jù)公式x

fA% ii

且計(jì)算各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)i fA%ii以其次次取樣的中段醇為例由于乙酸的沸點(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。3知：相對校正因子：f

=0.7628；f水

=1.000；f乙醇

=1.4052乙酸f A %x 乙醇 乙醇乙醇 fA%ii 124.00234% 0.76286.59026%124.00234%1.259169.40741% 20.617%6。塔產(chǎn)品質(zhì)量濃度分布的計(jì)算位置物質(zhì)%組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%位置物質(zhì)%組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%塔頂塔釜水7.2157954.722934乙醇22.3337119.16363乙酸乙酯70.450576.11343水15.7257610.60704乙醇34.4435230.45646乙酸26.7628033.25381乙酸乙酯23.0679325.68270塔內(nèi)濃度分布表〔據(jù)表6數(shù)據(jù)得：w1w2w1w2w1w21210) 8(w6

24)23(w224 212200 400 600 800 1000

20200 400 600 800 1000 1200H(mm) H(mm)圖一水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖 圖二乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖w1w1w2747270(w68666462200 400 600 800 1000 1200H(mm)圖三乙酸乙酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖乙酸乙酯反響收率和轉(zhuǎn)化率的計(jì)算m4m

79.63gM 79.30gM

60.05g/mol 46.07g/molM乙酸乙酯

88.11g/mol化學(xué)反響方程式為：CHCOOH+CHOH CHCOOCH+HO3 2 5 3 2 5 2本試驗(yàn)中，由于乙醇是過量的，因此用乙酸進(jìn)展計(jì)算。理論上乙酸全部反響：m乙酸乙酯理論量m乙酸乙酯實(shí)際量

79.6388.11/60.05116.839g 48.0076.11343%103.5625.68270% 36.53426.597 63.131g其中有26597g存留在塔釜中，故反響收率為：m乙酸乙酯實(shí)際塔頂量

/m乙酸乙酯理論量

100% 36.534/116.839100% 31.269%m

103.5633.25381% 34.438g剩余乙酸乙酸轉(zhuǎn)化率＝[乙酸加料量－釜?dú)堃阂宜崃縘/乙酸加料量=〔79.63—34.438〕/79.63×100%=56.752%全塔物料衡算乙酸的全塔物料衡算：以全塔為爭論對象，物料守恒應(yīng)有：乙酸加料量=釜?dú)堃阂宜岷?反響的乙酸量乙酸加料量=79.63g釜?dú)堃阂宜岷?103.56×33.25381%=34.438g反響掉乙酸量=M ×m /M =60.05×63.131/88.11=43.026g乙酸 乙酸乙酯實(shí)際 乙酸乙酯釜?dú)堃阂宜岷?反響的乙酸量=34.438+43.026=77.464g≈乙酸加料量=79.63g相對誤差：(79.63-77.464)/79.63=2.720%由于塔內(nèi)持液無法測量以及偶然誤差等影響，故近似守恒乙醇的全塔物料衡算：以全塔為爭論對象，物料守恒應(yīng)有：乙醇加料量=反響的乙酸量+乙醇剩余量乙醇加料量=79.30g反響掉乙醇量=M ×m /M =46.07×63.131/88.11=33.009g乙醇 乙酸乙酯實(shí)際 乙酸乙酯乙醇剩余量=塔頂蒸發(fā)掉乙醇量+釜?dú)堃阂掖己?48.00×19.16363%+103.56×30.45646%=40.739g所以故反響掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g≈乙醇加料量=79.30g79.30-73.748〕/79.30=7.001%由于塔內(nèi)持液無法測量以及偶然誤差等影響，故近似守恒六、試驗(yàn)結(jié)果與爭論及改進(jìn)試驗(yàn)的建議由塔濃度分布圖，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。乙酸11880℃無法使乙酸蒸發(fā)進(jìn)入塔內(nèi)。數(shù)據(jù)圖中，第三組數(shù)據(jù)點(diǎn)不符合變化規(guī)律，可能緣由是：①色譜分析取樣時(shí)，3個(gè)不同高度不同步。其中一次取樣由于取樣不慎灑出，導(dǎo)致重取樣，色譜在其次次分析時(shí)突然斷電，導(dǎo)致重取樣，并且取樣到分析期間等待時(shí)間過長、局部樣品揮發(fā)影響組成。②首次進(jìn)展色譜分析操作，操作不生疏，不能保證停留時(shí)間的全都，應(yīng)進(jìn)樣和點(diǎn)擊開頭的時(shí)間盡量全都。2、由反響結(jié)果知反響轉(zhuǎn)化率較高但收率并不高，也就是生成的乙酸乙酯一局部還留在塔釜中，未精餾至塔頂。通過與其他組進(jìn)展結(jié)果比較得出，這可能是試驗(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)，反響前后乙酸和乙醇質(zhì)量相差不大，在誤差允許范圍內(nèi)，符合質(zhì)量守恒定律。試驗(yàn)結(jié)果造成誤差的緣由可能是：①在測量質(zhì)量時(shí)，產(chǎn)品有一局部揮發(fā)，未考慮物質(zhì)損耗，造成試驗(yàn)有所誤差。②精餾塔內(nèi)存在持液量，無法測量。③有可能是色譜分析中消滅的誤差所致七、符號說明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板上反響熱焓值Lj—－j板下降液體量Ki,j—－i組分的汽液平衡函數(shù)Pj—－j板上液體混合物體積〔持液量〕Ri,j—－單位時(shí)間ji組分反響量Vj—－j板上升蒸汽量Xi,j—－ji的液相摩爾分?jǐn)?shù)Yi,j—－ji的氣相摩爾分?jǐn)?shù)Zi,j—－ji組分的原料組成θi,jj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：由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，乙酸乙酯有很大一局部殘存在塔釜廢液中，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，使反響平衡向右移動(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?shù)暮吭黾樱鳒p酯的損失等，都可以在不同程度上提高酯化收率。2、不同回流比對產(chǎn)物分布影響如何？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。操作中精餾塔的分別力氣主要取決于回流比的大小，轉(zhuǎn)變回流比，是調(diào)整精餾塔操作的便利而有效的手段。增大回流比，可以提高產(chǎn)品純度，削減分別所需的理論板數(shù)，使得產(chǎn)物分布較窄，反之產(chǎn)物分布較寬。但增