反应精馏法制乙酸乙酯

实验一 反应精馏法制乙酸乙酯

一，实验目的

1.了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程。 2.掌握反应精馏的操作。

3.能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。 4.了解反应精馏与常规精馏的区别。 5.学会分析塔内物料组成。 二，实验原理

反应精馏过程不同于一般精馏，它既有精馏的物理相变之传递现象，又有物质变性的化学反应现象。反应精馏对下列两种情况特别适用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维护在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物质存在，则精馏过程可使其连续地从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因它们的沸点接近，靠一般精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。

对于本实验来说，适于第一种情况，但但该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏存在也达不到高效分离的目的，这是因为反应速度非常缓慢，故一般都用催化反应方式。酸是有效的催化剂，常用硫酸。反应精馏的催化剂用硫酸，是由于其催化作用不受塔内温度限制，在全塔内都能进行催化反应，而应用固体催化剂则由于存在一个最适宜的温度，精馏塔本身难以达到此条件，故很难实现最佳化操作。本实验是以乙酸和乙醇为原料，在催化剂作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的方程式为：

CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+H2O

实验的进料有两种方式：一是直接从塔釜进料；另一种是在塔的某处进料。前者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。可认为反应精馏的分离塔也是反应器。若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行。由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔体，故塔体内共有3组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。

本实验采用间歇式进料方式，物料衡算式和热量衡算式为： （1）

物料衡算方程

对第j块理论板上的i组分进行物料横算如下

（2）

气液平衡方程

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对平衡级上某组分i的有如下平衡关系：

每块板上组成的总和应符合下式：

（3）

反应速率方程

（4） （5）

热量衡算方程

对平衡级进行热量衡算，最终得到下式：

三，实验装置示意图

实验装置如图2所示。

反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装φ3×3mm不锈钢填料(316L)。塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜为一玻璃容器，并有电加热器加热。采用XCT-191，ZK-50可控硅电压控制釜温。塔顶冷凝液体的回流采用摆动式回流比控制器操作。此控制系统由塔头上摆锤、电磁铁线圈、回流比计数拨码电子仪表组成。

所用的试剂有乙醇、乙酸、浓硫酸、丙酮和蒸馏水。

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四，实验步骤

1． 称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过0.5g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中滴加2~3滴浓硫酸，开启釜加热系统至0.4A，开启塔身保温电源0.2A，开启塔顶冷凝水。每10min记下温度。

2． 当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作，全回流15min后，开启回流，调整回流比为R=3:1

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（别忘了开小锤下边的塞子），25min后，用微量注射器在1，3，5三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析。

3． 将加热和保温开关关上，取出产物和塔釜原料，称重进行色谱分析，关上电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。 五，实验数据记录

摆锤出现液滴时间为14：45 开启回流比时间为15：01 开始取样时间为15：31 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 载气柱前压：0.05MPa 桥电流：100mA 检测室温度：135℃ f水=0.8701 取样时间为15：31 序号 1 2 3 1 2 3 1 2 3 保留时间 0.198 0.559 2.601 0.189 0.560 2.621 0.189 0.544 2.642 4 / 10

面积 3001 15818 34866 7394 14369 32669 4332 22762 28333 面积百分比（%） 5.59058 29.46376 64.94565 13.58334 26.39823 60.01842 7.81579 41.06612 51.11809 精馏塔上部分析结果 汽化室温度：125℃ f醇=1.000 进样量：0.2μl 柱箱温度：125℃ f酸=1.425 f酯=1.307 时间 14:37 14:47 14:57 15:07 15:17 15:27 15:37 15:47 15:52 16:07 上段加热 釜加热 下段加热 塔顶温度 电流（A） 电流（A） 电流（A） （℃） 0.17 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.42 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.14 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 22.0 35.6 67.3 67.3 67.3 67.2 67.1 67.0 67.0 67.2 釜热温度 （℃） 21.0 84.5 83.4 81.5 81.5 82.2 83.1 84.7 86.8 90.6 表1：实验条件记录表

相对质量校正因子 表2：色谱分析条件表

精馏塔中部分析结果 精馏塔底部分析结果 反应精馏法制乙酸乙酯

表3：取样时间为15：31时色谱分析结果

取样时间为16：01 序号 1 2 3 1 2 3 1 2 3 塔顶流出液质量103.06g 序号 1 2 3 保留时间 0.191 0.555 2.601 面积 2937 12808 32922 面积百分比（%） 6.03402 26.31773 67.64825 保留时间 0.188 0.541 2.481 0.192 0.550 2.605 0.187 0.536 2.666 面积 4531 22993 51149 3006 18139 32088 5602 29947 25211 面积百分比（%） 5.75918 29.22635 65.01446 5.64682 34.07523 60.27795 9.22003 49.28726 41.49271 精馏塔上部分析结果 精馏塔中部分析结果 精馏塔底部分析结果 表4：取样时间为16：01时色谱分析结果

表5：塔顶流出液色谱分析结果

塔釜流出液质量42.84g 序号 1 2 3 4

六，实验数据处理

1、计算塔内浓度分布

已知：f水=0.8701；f醇=1.000；f酸=1.425；f酯=1.307且xi故以15：31精馏塔中部液体的含量作为计算举例：

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保留时间 0.181 0.567 1.643 2.863 面积 19700 9432 21630 4865 面积百分比（%） 35.41425 16.95637 38.88305 8.74633 表6：塔釜流出液色谱分析结果 Aifi Aifi反应精馏法制乙酸乙酯

已知乙酸的沸点较高，不能进入到塔内，故塔体内共有3个组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。

x水A水f水Aifi73940.870110.13%73940.8701143691.000326691.307

x乙醇A乙醇f乙醇Aifi143691.00022.63%73940.8701143691.000326691.307

x乙酸乙酯A乙酸乙酯f乙酸乙酯Aifi326691.30767.24%73940.8701143691.000326691.307

对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：

取样时间为15：31 组分 水含量（%） 乙醇含量（%） 乙酸乙酯含量（%）精馏塔上部 4.08 24.72 71.20 精馏塔中部 10.13 22.63 67.24 精馏塔底部 5.93 35.81 58.26 表7：取样时间为15：31含量分析结果

图1：取样时间为15：31含量在塔内的分布图

取样时间为16：01 组分 水含量（%） 乙醇含量（%） 乙酸乙酯含量（%）精馏塔上部 4.20 24.52 71.28 精馏塔中部 4.17 28.93 66.90 精馏塔底部 7.19 44.19 48.62 表8：取样时间为16：01含量分析结果

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图2：取样时间为16：01含量在塔内的分布图

如图所示，不同时间段分别在精馏塔的上部、中部和底部取样做色谱分析可知，原料乙醇在精馏塔底部含量最多；而产物乙酸乙酯在精馏塔中间含量最多，水在精馏塔底部含量最多。我们知道若采用塔釜进料的间歇式操作，反应只在塔釜内进行，可能是各个组分的沸点不同所致。

2、进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算 以塔顶色谱分析作为计算举例：

x水A水f水29370.87014.38%Aifi29370.8701128081.000329221.307

x乙醇A乙醇f乙醇Aifi128081.00021.93%29370.8701128081.000329221.307329221.30773.69%29370.8701128081.000329221.307

x乙酸乙酯A乙酸乙酯f乙酸乙酯Aifi且已知塔顶流出液的质量为103.06g，故：

m水m总x水103.064.38%4.51g

m乙醇m总x乙醇103.0621.93%22.60gm乙酸乙酯m总x乙酸乙酯103.0673.69%75.94g

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对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：

组分含量 原料 塔顶 塔釜 因此对乙醇进行物料衡算：

乙醇的量=塔顶乙醇质量+塔釜乙醇质量+乙醇反应质量 80.00=22.60+6.34+乙醇反应质量 故：乙醇反应质量=51.06 g n乙醇=51.06/46=1.11 mol 对乙酸进行物料衡算：

乙酸的量=塔顶乙酸质量+塔釜乙酸质量+乙酸反应质量 80.00=0+20.71+乙酸反应质量 故：乙酸反应质量=59.29g n乙酸=59.29/60=0.99 mol

可以知道，理论上乙醇和乙酸的反应量应为1：1，可能是因为有部分液体残留在精馏塔中，也可能是因为色谱分析存在误差所致。

3、计算反应收率及转化率

对于间歇过程，可根据下式计算反应转化率： 转化率＝[乙酸加料量－釜残液乙酸量]/乙酸加料量 =（80.00-20.71）/80.00 =74.11 %

收率=生成乙酸乙酯量/乙酸加料量相对应生成的乙酸乙酯量*100%

水（g） 0 4.51 11.52 乙醇（g） 80.00 22.60 6.34 乙酸（g） 80.00 0 20.71 乙酸乙酯（g）0 75.94 4.27 (75.944.27)88 80/6068.36%选择性=收率/转化率=68.36%/74.11%=92.24% 七，结果分析及讨论

1、实验注意事项

①使用微量注射器在3个不同高度取样，应尽量保持同步。

②在色谱分析时，样品容易挥发可能导致后面两个量进样不够，故一开始取样应取足够多。 ③在使用微量进样器进样时速度尽量要快。

④为保证停留时间的一致，进样和点击开始的时间尽量一致。 ⑤在称取釜残液的质量时，必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。 2、实验误差分析

①可能是有部分液体残留在精馏塔中所致。 ②可能是色谱分析中出现的误差所致。

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八，思考题

1. 怎样提高酯化收率？

答：对于本实验CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5+H2O是可逆反应，为提高酯化反应的收率，可以通过减小一种生成物的浓度，或者用反应精馏的方法，是生成物中高沸点或者低沸点的物质从系统中连续的排出，是平衡向生成产物的方向移动，以提高酯化收率。 2. 不同回流比对产物分布影响如何？

答：当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度会增加。

3. 采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？

答：釜内进料，应保证在釜沸腾条件下进料，塔内轻组分上移，重组分下移，在不同的填料高度上均发生反应，生成酯和水，转化率会有所提高。 4. 加料摩尔比应保持多少为最佳？

答：此反应的原料反应摩尔比为1:1，为提高反应的转化率，应使某组分过量，因乙醇的沸点较低，易被蒸出，因此应把乙醇多加，比例约为2:1即可。

5. 用实验数据能否进行模拟计算？如果数据不充分，还要测定哪些数据？

答：能进行模拟计算。还要测定的数据还有塔顶温度，塔釜温度，塔板下降液体量，塔板上液体混合物体积，塔板下降液体量，上升蒸汽量。

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化工专业实验报告

实验名称： 实验人员： 同组人： 实验地点：天大化工技术实验中心 室

实验时间： 班级/学号： 级 班 组 号 指导教师： 实验成绩：

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