实验一反应精馏制乙酸乙酯课件.docx
- 文档编号:4951325
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:120.67KB
实验一反应精馏制乙酸乙酯课件.docx
《实验一反应精馏制乙酸乙酯课件.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验一反应精馏制乙酸乙酯课件.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
实验一反应精馏制乙酸乙酯课件
..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)热量衡算方程
(5)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
塔顶温度
釜控温度
各加热元件电流mA
14:
49
18.4
19.4
0.1
0.4
0.1
14:
59
18.5
85.2
0.1
0.4
0.1
15:
09
66.0
84.3
0.1
0.4
0.1
15:
19
66.2
82.8
0.1
0.4
0.1
15:
29
66.1
82.0
0.1
0.4
0.1
15:
39
66.2
81.7
0.1
0.4
0.1
15:
49
66.1
81.7
0.1
0.4
0.1
15:
59
66.2
81.7
0.1
0.4
0.1
16:
09
66.0
81.9
0.1
0.4
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
取样位置
峰号
停留时间min
面积
/
面积百分比/%
塔身第一次
上
1
0.871
9876
16.83754
2
1.400
16186
27.59639
3
4.357
32591
55.56607
中
1
0.571
3697
5.40558
2
1.082
19051
27.85534
3
3.931
45644
66.73908
下
1
0.459
2547
5.56503
2
0.982
13216
28.87384
3
3.981
30007
65.56113
塔身第二次
上
1
0.514
4261
6.76677
2
1.034
16337
25.94185
3
3.919
42337
67.29138
中
1
0.366
4620
6.59026
2
0.892
16825
24.00234
3
3.744
48654
69.40741
下
1
0.371
4375
6.37776
2
0.884
18800
27.40821
3
3.737
45418
66.21402
塔顶
第一次
1
0.351
4416
6.74360
2
0.876
14534
22.19402
3
3.714
46537
71.06238
塔顶
第二次
1
0.348
4557
7.68799
2
0.874
13322
22.47340
3
3.764
41400
69.83862
塔釜
第一次
1
0.756
5746
15.66733
2
1.290
12807
34.92324
3
2.900
9613
26.21393
4
4.548
8507
23.19550
塔釜
第二次
1
0.343
9645
15.78418
2
0.871
20754
33.96380
3
2.464
16689
27.31166
4
4.080
14018
22.94035
表3色谱分析条件表
载气柱前压
0.05
桥电路
100
汽化室温度
100
柱箱温度
126
进样量
0.2
检测器温度
126
相对校正因子
=0.7628
=1.2591
=1
=1.4052
表4原料原始数据记录表
原料
原料质量/g
分子量
质量分数/%
乙酸
79.63
60.05
>99.5%
乙醇
79.30
46.07
>99.5%
注:
乙酸乙酯的分子量为88.11
表5产品原始数据记录表
取出位置
空瓶质量/g
瓶与产品质量/g
产品(乙酸乙酯)质量/g
塔顶
61.92
109.92
48.00
塔釜
89.96
193.52
103.56
5.2数据处理:
5.2.1塔内各物质质量浓度分布的计算
表6精馏过程数据处理表
取样次数
取样位置
物质
组分
质量百分数/%
第一次
取样
上段
水
11.633
乙醇
24.996
乙酸乙酯
63.371
中段
水
3.554
乙醇
24.011
乙酸乙酯
72.434
下段
水
3.670
乙醇
24.963
乙酸乙酯
71.367
第二次
取样
上段
水
4.456
乙醇
22.396
乙酸乙酯
73.147
中段
水
4.318
乙醇
20.617
乙酸乙酯
75.065
下段
水
4.207
乙醇
23.701
乙酸乙酯
72.092
塔内各物质质量浓度分布的计算举例(表6计算举例):
根据公式
且计算各组分的质量分数
以第二次取样的中段醇为例
由于乙酸的沸点较高,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。
由表3知:
相对校正因子:
f水=0.7628;f乙醇=1.000;f乙酸=1.4052
同理可以计算得出表6。
5.2.2塔产品质量浓度分布的计算
表7精馏产品数据处理表
位置
物质
色谱平均百分比%
组分质量百分数/%
塔顶
水
7.215795
4.722934
乙醇
22.33371
19.16363
乙酸乙酯
70.4505
76.11343
塔釜
水
15.72576
10.60704
乙醇
34.44352
30.45646
乙酸
26.76280
33.25381
乙酸乙酯
23.06793
25.68270
5.3塔内浓度分布表(据表6数据得):
图一水的质量分数分布图图二乙醇的质量分数分布图
图三乙酸乙酯的质量分数分布图
5.4乙酸乙酯反应收率和转化率的计算
由表4知各物质:
化学反应方程式为:
CH3COOH+C2H5OH
CH3COOC2H5+H2O
本实验中,由于乙醇是过量的,因此用乙酸进行计算。
釜残液乙酸量:
乙酸转化率=[乙酸加料量-釜残液乙酸量]/乙酸加料量
=(79.63—34.438)/79.63×100%=56.752%
5.5全塔物料衡算
5.5.1乙酸的全塔物料衡算:
以全塔为研究对象,物料守恒应有:
乙酸加料量=釜残液乙酸含量+反应的乙酸量
乙酸加料量=79.63g
釜残液乙酸含量=103.56×33.25381%=34.438g
反应掉乙酸量=M乙酸×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=60.05×63.131/88.11=43.026g
釜残液乙酸含量+反应的乙酸量=34.438+43.026=77.464g≈乙酸加料量=79.63g
相对误差:
(79.63-77.464)/79.63=2.720%
由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响,故近似守恒
5.5.2乙醇的全塔物料衡算:
以全塔为研究对象,物料守恒应有:
乙醇加料量=反应的乙酸量+乙醇剩余量
乙醇加料量=79.30g
反应掉乙醇量=M乙醇×m乙酸乙酯实际/M乙酸乙酯=46.07×63.131/88.11=33.009g
乙醇剩余量=塔顶蒸发掉乙醇量+釜残液乙醇含量
=48.00×19.16363%+103.56×30.45646%=40.739g
所以故反应掉乙醇量+乙醇剩余量=33.009+40.739=73.748g≈乙醇加料量=79.30g
相对误差:
(79.30-73.748)/79.30=7.001%
由于塔内持液无法测量以及偶然误差等影响,故近似守恒
六、实验结果与讨论及改进实验的建议
1.由塔浓度分布图,可知随着塔高的增大,全塔内,乙醇的质量浓度随之减小,产物乙酸乙酯的质量浓度随之增大。
这是由于水-乙酸乙酯形成的共沸物具有较低的沸点,属于轻组分,通过精馏主要存在于塔的较高处,水-乙醇属于重组分,主要存在于塔较低处。
乙酸仅在塔釜液中存在,这是由于乙酸的沸点为118℃,而塔操作的最高温度为80℃无法使乙酸蒸发进入塔内。
数据图中,第三组数据点不符合变化规律,可能原因是:
①色谱分析取样时,3个不同高度不同步。
其中一次取样由于取样不慎洒出,导致重新取样,色谱分析仪在第二次分析时突然断电,导致重新取样,并且取样到分析期间等待时间过长、部分样品挥发影响组成。
②首次进行色谱分析操作,操作不熟悉,不能保证停留时间的一致,应进样和点击开始的
时间尽量一致。
2、由反应结果知反应转化率较高但收率并不高,也就是生成的乙酸乙酯一部分还留在塔釜中,未精馏至塔顶。
通过与其他组进行结果比较得出,这可能是实验过程中精馏时间不够,导致精馏不完全。
3、在计算收率和转化率时,反应前后乙酸和乙醇质量相差不大,在误差允许范围内,符合质量守恒定律。
实验结果造成误差的原因可能是:
①在测量质量时,产品有一部分挥发,未考虑物质损耗,造成实验有所误差。
②精馏塔内存在持液量,无法测量。
③有可能是色谱分析中出现的误差所致
七、符号说明
Fj—-j板进料量
hj――j板上液体焓值
Hj—-j板上气体焓值
Hf,j—-j板上原料焓值
Hr,j—-j板上反应热焓值
Lj—-j板下降液体量
Ki,j—-i组分的汽液平衡函数
Pj—-j板上液体混合物体积(持液量)
Ri,j—-单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量
Vj—-j板上升蒸汽量
Xi,j—-j板上组分i的液相摩尔分数
Yi,j—-j板上组分i的气相摩尔分数
Zi,j—-j板上i组分的原料组成
θi,j—-反应混合物组分在j板上的体积
Qj—-j板上冷却或加热的热量
八、思考题
1、怎样提高酯化收率?
答:
由实验数据可以看出,乙酸乙酯有很大一部分残存在塔釜废液中,因此,可以通过增加回流比的方法提高收率。
同时,从热力学角度来看,可以通过提高乙醇的用量,使反应平衡向右移动,从而提高乙酸乙酯的产量。
另外,增加精馏时间,可使易挥发组分在塔顶的含量增加,减少酯的损失等,都可以在不同程度上提高酯化收率。
2、不同回流比对产物分布影响如何?
答:
回流比R=L/D,其中,L表示精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量,D表示塔顶产品流量。
操作中精馏塔的分离能力主要取决于回流比的大小,改变回流比,是调节精馏塔操作的方便而有效的手段。
增大回流比,可以提高产品纯度,减少分离所需的理论板数,使得产物分布较窄,反之产物分布较宽。
但增大回流比,要求塔釜产生的蒸汽量相应增加,增大了能耗。
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:
采用侧线进料,并且为连续操作,即持续通入原料。
这样可使反应原料乙酸在全塔范围内分布更广,酯化率会相应提高。
4、加料摩尔比应保持多少为最佳?
答:
反应中乙醇的用量是过量的,使反应平衡右移,以提高乙酸的转化率,但由于乙醇具有挥发性,摩尔比不宜过大,否则乙醇在产物中的量过大,不易于产品的分离,故摩尔比选在3:
2左右最佳。
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:
用实验数据能进行模拟计算。
还须测定塔的操作压力,塔压降,塔的冷凝器再沸器的操作条件等数据。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 实验 反应 精馏 乙酸乙酯 课件