天津大学—反应精馏实验报告

1目录一、实验目的.......................................................................................1二、实验原理.......................................................................................1三、实验仪器和药品............................................................................1四、实验流程图....................................................................................2五、实验步骤.......................................................................................3六、实验数据记录................................................................................3七、实验数据处理................................................................................57.1计算塔内浓度分布.....................................................................57.2全塔物料衡算.............................................................................67.2.1对乙醇进行物料衡算...................................................................77.2.2乙酸进行物料衡算........................................................................77.2.3计算反应收率及转化率..............................................................7八、结果分析及讨论............................................................................8九、思考题...........................................................................................81一、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、实验原理反应精馏是精馏技术中的一个特殊领域。在操作过程中，化学反应与分离同时进行，故能显著提高总体转化率，降低能耗。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。二者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。醇酸酯化反应是可逆平衡反应。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，此时，可使用反应精馏法。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。反应随酸浓度增高而加快，浓度在0.2~1.0%(wt)。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实验的进料采用直接从塔釜进料，为间歇式操作，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。全过程可用物料衡算式描述：对第j块理论板上的i组分进行物料衡算如下(如图1所示)：jijjijjiijjjijjijXLYVRZFYVXL,,,,1,11,12≤j≤n，i=1,2,3,4三、实验仪器和药品反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装φ3×3mmVj,yi,jLj,xi,jVj+1,yi,j+1Lj-1,xi,j-1Fj,Zi,j图1第j块理论板上的气液流动示意图2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。四、实验流程图1—测温热电阻2—冷却水3—摆锤4—电磁铁5—塔头6—馏出液收集瓶7—回流比控制器8—取样口9—塔体10—数字是温度显示器11—控温仪12—加料口13—塔釜14—电加热器15—卸料口图2反应精馏流程及装置3五、实验步骤1称取乙醇80.1g、乙酸80.6g，用漏斗倒入塔釜内，并向其中滴加2~3滴浓硫酸，开启塔身保温电源，并开启塔顶冷凝水。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。320min后，用微量注射器在塔顶、塔中、塔釜三处同时取样，将取得的液体进行色谱分析（注入0.2μl样品），记录结果。430min后，再取一次进行色谱分析。5将水与总电源外其余电源关闭，对馏出液及釜残液进行称重和色谱分析（当持液全部流至塔釜后才取釜残液），关闭总电源。将馏出液和塔釜液倒入回收瓶回收。六、实验数据记录开启回流比时间为15：09开始取样时间为15：25上段保温电流：0.2A下段保温电流：0.2A釜加热电流：0.44A表1实验条件记录表序号时间塔顶温度（℃）釜热温度（℃）114：4028.728.5214：5028.782.2315：0066.879.1415：1066.877.1515：2066.676.9615：3066.477.2715:：4066.577.9815：5066.679.5916：0066.482.4表2色谱分析条件表载气柱前压：0.05MPa桥电流：100mA进样量：0.2μl检测室温度：125℃汽化室温度：100℃柱箱温度：125℃相对质量校正因子f水=0.8141f醇=1.000f酸=1.4796f酯=1.28924表3取样色谱分析结果上中下保留时间峰面积保留时间峰面积保留时间峰面积第一次取样分析水0.31065340.32167110.3704820乙醇0.821172480.807253310.86622485乙酸乙酯3.554541393.455663173.59954854总峰面积779219836082159第二次取样分析水0.32244540.32747770.3235881乙醇0.836135600.830184000.83120914乙酸乙酯3.628460693.561537633.52759280总峰面积640837694086076表4塔顶流出液和釜残液色谱分析结果保留时间峰面积峰面积平均值馏出液M=91.82g1水0.337565875879水：5510乙醇：15105.5乙酸乙酯：52541.5乙醇0.85115683乙酸乙酯3.574545382水0.286536270434乙醇0.80214528乙酸乙酯3.55450545釜残液M=55.75g1水0.3302126264291水：17278.5乙醇：12609乙酸：9524.5乙酸乙酯：12534乙醇0.86415605乙酸2.56511637乙酸乙酯3.995157862水0.2731329539601乙醇0.8119613乙酸2.5417412乙酸乙酯4.02992825七、实验数据处理7.1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iiiiifAfAx，故以第一次精馏塔上部液体的含量作为计算举例：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=6534×0.81416534×0.8141+17248+54139×1.2892=5.76%X乙醇=172486534×0.8141+17248+54139×1.2892=18.67%X乙酸乙酯=54139×1.28926534×0.8141+17248+54139×1.2892=75.57%同理可得，第一次取样精馏塔上部、中部及下部各组分的百分含量，结果见下图表：表5第一次取样各组分含量表第一次取样组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量（%）5.764.704.04乙醇含量（%）18.6721.7823.15乙酸乙酯含量（%）75.5773.5274.81图3第一次取样各组分含量图02040608010001020304050607080水乙醇乙酸乙酯百分比6同样的，可以得到第二次取样精馏塔上部、中部及下部各组分的百分含量，将结果绘制成如下图表：表6第二次取样各组分含量表第二次取样组分精馏塔上部精馏塔中部精馏塔底部水含量（%）4.744.254.69乙醇含量（%）17.7120.0920.48乙酸乙酯含量（%）77.5575.6674.93图4第二次取样各组分含量图如图所示，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上部含量最多，水在精馏塔上部含量最多。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。7.2全塔物料衡算以塔顶色谱分析作为计算举例：02040608010001020304050607080水乙醇乙酸乙酯百分比52541.51.2892=77.60%55100.814115105.51.289252541.5iiAfxAf乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯15105.5=17.30%55100.814115105.51.289252541.5iiAfxAf乙醇乙醇乙醇7已知塔顶流出液的质量为91.82g，故：对其余各组实验采用相同的处理，可得到以下表格：表7精馏塔顶、塔釜及原料中各组分组成表组分含量水（g）乙醇（g）乙酸（g）乙酸乙酯（g）原料080.1080.600塔顶4.9615.88071.25塔釜13.7612.3513.8015.827.2.1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80.10=15.88+12.35+乙醇反应质量故：乙醇反应质量=51.87gn乙醇=51.87/46=1.13mol7.2.2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80.60=0+13.80+乙酸反应质量故：乙酸反应质量=66.80gn乙酸=66.8/60=1.11mol可以知道，理论上乙醇和乙酸的反应量应为1：1，上述计算基本满足1：1。7.2.3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=（80.60-13.80）/80.6=82.88%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%551