实验十反应精馏制乙酸乙酯

反应精馏制乙酸乙酯反应精馏是化学反应与精馏相耦合的化工过程，原料在进行化学反应的同时，用精馏方法分离产物，使反应朝有利于反应产物的方向进行，因此反应精馏能使可逆反应的速率加快，打破平衡限制，提高转化率。与传统生产工艺相比，具有选择性高、平衡转化率高、生产能力高、产品纯度高、投资少、操作费用低、能耗低等优点，因此反应精馏技术引起人们极大关注。一、实验目的1.了解反应精馏与普通精馏的区别；2.掌握反应精馏过程的操作，学会观察分析反应精馏塔内温度分布与浓度之间的变化关系；3.学会正交实验设计方法优化实验方案。二、实验原理目前，我国乙酸乙酯的生产主要采用以浓硫酸为催化剂的直接酯化工艺，反应由于受化学平衡的限制，单程转化率较低。为了提高转化率，生产上往往采用乙醇过量，水洗回收，生产流程长，能耗高。反应精馏合成酯的过程可分为两类：一类为在塔釜中进行反应，塔身其起精馏产品的作用，催化剂加入釜中，这种过程有连续、间歇之分；另一类为在精馏塔中进行反应，酸和醇分别从塔的不同部位进入塔中，塔身有时有侧线进料。本实验拟以乙酸与乙醇在硫酸作为催化剂条件下利用反应精馏技术制备并提纯乙酸乙酯。该反应是典型的平衡控制反应，受平衡转化率限制。利用反应精馏技术将反应和分离过程结合在一个塔中进行，不但可节省设备、能量和时间，而且由于生成物不断地从反应区中移走，破坏可逆反应的化学平衡，使之对正向反应有利，从而得到高的酯收率和纯度。乙酸和乙醇酯化生产乙酸乙酯和水是反应精馏技术第一个广泛研究的案例。这些组分常压沸点见表1。此外，体系中四种组分还相互形成多种恒沸体系，见表2。从表2可见，其中形成的三元恒沸物的恒沸点最低，与乙酸乙酯-水两元恒沸物接近。在反应精馏过程中，获得的塔顶产品是乙酸乙酯-乙醇-水三元混合物。为了便于后续的提纯操作，要求尽量降低塔顶产品中乙醇的含量，因此在反应中采用乙酸过量，尽量使乙醇反应完全。从反应式可知，反应生成的乙酸乙酯和水的质量比约为4.9：l，由于反应本身生成的水也不能通过形成的乙酸乙酯-乙醇-水三元混合物全部从塔顶带出，因此部分反应产生的水和原料95%乙醇中的水将进入塔釜。本实验采用连续操作的反应精馏过程，原料乙酸（含催化剂硫酸）和乙醇分别从反应精馏塔的反应段的上部和下部连续进料，塔顶连续采出产物。由于乙酸沸点较高，乙醇沸点较低，两者在反应段反应生成酯，未反应完的乙酸和部分水进入塔釜，酯以恒沸物形式从塔顶采出。反应精馏过程中，进料流量及醇/酸比、回流比、催化剂浓度及塔釜温度等多种条件对乙酸乙酯产率及塔顶乙酸乙酯纯度都有影响。实验中采用正交实验设计的方法安排实验，确定主要因素并优化条件。表1纯物质物理性质物质水乙醇乙酸乙酸乙酯沸点/℃10078.311877.1分子量18.0246.0760.0588.1相对密度1.00.8161.050.902表2共沸物沸点及组成共沸物沸点/℃组成（质量分数）/wt%水乙醇乙酸乙酯水-乙醇78.14.595.5-水-乙酸乙酯70.46.1-93.9乙醇-乙酸乙酯71.8-30.869.2水-乙醇-乙酸乙酯70.37.89.083.2三、实验装置流程及实验准备工作1.实验准备工作实验所用试剂有乙醇（95wt%）、乙酸、浓硫酸；实验前对乙酸、乙醇进料泵进行计量校正。2.实验装置流程实验装置如图1所示。反应精馏塔由玻璃制作。塔径为25mm，高2400mm，共分为3段，由上至下分别为精馏段、反应段和提留段。反应段的上端和下端分别有一个进料口，分别用于乙酸和乙醇的精料。填料采用玻璃丝填料。塔釜为1000ml三口烧瓶，采用1000W加热锅加热。塔顶采用电磁摆动式回流比控制装置。塔釜、塔体和塔顶共设了五个测温点。原料乙酸与催化剂硫酸混合后，由恒流泵从反应段上部加入，乙醇由反应段下部加入。用气相色谱分析塔顶和塔釜液的组成。四、实验操作步骤及注意事项1.实验操作步骤（1）首先向塔釜加入300ml，约10%乙酸溶液作为塔釜底料，开启塔顶冷凝水，然后开启塔釜加热器；塔顶有冷凝液后，全回流操作15min。（2）调节计量泵，根据实验条件设定回流比、催化剂浓度、原料乙酸（含催化剂硫酸）和乙醇的进料流量，乙酸流量约5ml/min，根据醇酸比确定乙醇流量；（3）待塔顶温度稳定后，每隔15min取一次塔顶、塔釜样品，分析其组成，共取2-3次，取平均值作为实验结果。（4）依次按照正交实验表，改变实验条件，重复实验步骤（2）和（3）。（5）实验完成后，切断进出料，停止加热，塔顶不再有冷凝也是，关闭冷却水。2.实验注意事项注：由于正交实验工作量大，每组同学完成2-3组实验即可。表3试验因素水平表因素水平酸/醇比A催化剂含量B回流比C塔釜温度/℃D10.60.44：18020.80.88：19531.01.212：1110图1催化精馏实验装置1–电热锅；2–塔釜；3–热电偶温度计；4–进料口；5–填料；6–热电偶温度计；7–时间继电器；8–电磁铁；9–冷凝器；10–回流摆体；11–计量杯；12–数滴滴球；13–产品槽；14–计量泵；15–塔釜出料口；16–釜液贮瓶；表4试验方案酸/醇比A催化剂含量B回流比C塔釜温度/℃D乙酸乙酯产率塔顶产品乙酸乙酯含量111322211133123412215223363212713138232293331五、实验原始数据的记录表5精馏塔塔顶/塔釜温度时间（min）塔顶温度（℃）塔底温度（℃）20406080…表6精馏塔塔顶液/塔釜液质量及组成物质质量（g）组成（wt%）水乙醇乙酸乙酯乙酸溜出液塔釜液实验条件酸/醇比：催化剂含量：回流比：塔釜温度/℃：进料流率：六、实验数据处理1.在选定的实验条件下，计算乙酸乙酯的收率%100)(01MMxFxWxDfwd其中：—乙酸乙酯收率；D—塔顶溜出液的质量流率，g/min；xd—塔顶溜出液中乙酸乙酯的质量分数；W—塔釜出料的质量流率，g/min；xw—塔釜出料中乙酸乙酯的质量分数；xf—进料原料乙醇中实际含量。2.绘制全塔温度分布图，绘制塔顶产品乙酸乙酯含量及收率与各因素不同水平条件下的关系图（每组同学只要绘制出所选定实验因素条件下，乙酸乙酯含量及收率与水平变化之间的关系）。七、实验结果与讨论1.塔顶乙酸乙酯纯度的影响因素有哪些？如何提高塔顶乙酸乙酯产物浓度？2.乙酸乙酯产率的影响因素有哪些？如何提高其产率？八、思考题1.与传统工艺相比，采用反应精馏过程制备乙酸乙酯在哪些方面具有优势？2.哪些反应适合采用反应精馏过程？3.根据实验，还有哪些因素对塔顶产品乙酸乙酯纯度及收率影响较大，可以根据实验目标增加因素数和水平数，扩大考察范围，获得更加优化条件。