..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
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。
四、实验步骤
1． 称取乙醇、乙酸各80g，相对误差不超过1g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中用滴管滴加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记录一次塔顶、塔釜温度和各加热元件电流。
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，设定回流比为R=3:1（打开收集旋塞），20min后，用微量注射器在塔身上、中、下三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析，30min后，再取一次进行色谱分析，取样时尽可能保证同步。（色谱分析时取0.2μl样品注入色谱分析仪，记录结果，注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用）
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，分别重复分析两次（当持液全部回流至塔釜后再取塔釜残液）
4． 关闭回流，关闭冷凝水及塔釜及塔身加热电源，将废液倒入废液瓶，收拾实验台。 五、实验数据记录
5.1原始数据记录：
表1 实验仪器原始数据记录表
时间 14：49 14：59 15:09 15:19 15:29 15:39 15:49 15:59 16:09 塔顶温度?C 18.4 18.5 66.0 66.2 66.1 66.2 66.1 66.2 66.0 釜控温度?C 19.4 85.2 84.3 82.8 82.0 81.7 81.7 81.7 81.9 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 各加热元件电流mA 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 16:19 66.1 82.3 0.1 0.4 0.1 注：15:05开始全回流；15:20开始部分回流；15:41第一次取样；16:11第二次取样
表2 实验过程中取样色谱分析原始数据记录表
取样次数 塔身第一次 取样位置 上 峰号 1 2 3 1 2 3 下 1 2 3
停留时间min 0.871 1.400 4.357 0.571 1.082 3.931 0.459 0.982 3.981
面积 / 9876 16186 32591 3697 19051 45644 2547 13216 30007
面积百分比/% 16.83754 27.59639 55.56607 5.40558 27.85534 66.73908 5.56503 28.87384 65.56113
中 塔身第二次 上 1 2 3 0.514 1.034 3.919 0.366 0.892 3.744 0.371 0.884 3.737 0.351 0.876 3.714 0.348 0.874 3.764 0.756 1.290 2.900 4.548 0.343 0.871 2.464 4.080 4261 16337 42337 4620 16825 48654 4375 18800 45418 4416 14534 46537 4557 13322 41400 5746 12807 9613 8507 9645 20754 16689 14018 6.76677 25.94185 67.29138 6.59026 24.00234 69.40741 6.37776 27.40821 66.21402 6.74360 22.19402 71.06238 7.68799 22.47340 69.83862 15.66733 34.92324 26.21393 23.19550 15.78418 33.96380 27.31166 22.94035 中 1 2 3 下 1 2 3 塔顶 塔顶 塔釜 1 第一次 2 3 1 第二次 2 3 1 第一次 2 3 4 1 第二次 2 3 4 塔釜
表3 色谱分析条件表
载气柱前压 汽化室温度 进样量 相对校正因子 0.05?Pa 100C 0.2?L ?桥电路 柱箱温度 检测器温度 100?A 126C 126C F乙酸乙酯=1.2591 F乙酸=1.4052 ??F水=0.7628 F乙醇=1
表4 原料原始数据记录表
原料 乙酸 乙醇 原料质量/g 79.63 分子量 60.05 46.07 质量分数/% >99.5% >99.5% 79.30 注：乙酸乙酯的分子量为88.11