化工基础实验5.docx

化工专业实验报告

实验名称：
实验人员： 同组人：
实验地点：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：

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:
反应精馏适用于以下两种情况：
（1） 可逆平衡反应。一边情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化率的水平；但是，若生成物中含有低沸点或高沸点物质存在，则精馏过程可以使其连续的从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高效率；
（2） 异构体混合物分离。通常异构体的沸点近似，因此普通精馏无法操作，若异构体中某组分能发生化学反应并生成沸点不同的物质，这时可以在过程中得以分离。
对于醋酸酯化反应来说，属于第一种情况。当爱反应若无催化剂存在，反应速率很慢，也无法得到高效分离的目的，因此一般采用催化剂。常用硫酸。暗影随酸浓度增大而加快。本实验室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。反应方程式为：
CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O
实验分为两种方式，一种为直接从塔釜进料；另一种是在他的某处进料。前者为间歇操作，后者为连续操作。本实验采用间歇操作。因为乙酸沸点很高，因此不能进入塔内，因此他提有三个组分，即水，乙醇，乙酸乙酯。
（3）物料衡算方程：
对第j块理论板上的i组分进行物料衡算如下（如图1）：

（4）汽液平衡方程：
对平衡级上某组分i有如下平衡关系：

对每块板上组成的总和应符合下式：

（5）反应速率方程：

上式质原料中各组分的浓度相等条件下才成立,否则应予修正。
（6）热量衡算方程：
对平衡机上进行热量衡算，最终得到下式：

三．实验装置仪器及试剂：
实验装置图如图2所示。

反应精馏塔用玻璃组成。直径20mm，塔高1500mm，塔内装有不锈钢填料。塔内部件见图2。
四．实验步骤：
（1）将乙醇，乙酸各称取80g，浓硫酸几滴倒入塔釜内，开启塔釜及塔顶加热温度以及冷凝水。
（2）每十分钟记录一次数据。当塔顶摆锤上出现有液体时，进行全回流操作。15min后，设定回流比为3：1，开启回流比控制电源。
（3）30min后，用微量注射器在最顶层，中间层以及最底层分别取出样品，进行色谱分析检测。
（4）重复步骤（3），重新测样品。
（5）关掉电源，待全塔稳定后，分别从塔顶和塔底取出产品和塔釜残液，称重并进行样品分析。
（6）关闭冷凝水，实验结束。
五．实验数据表：
表1 塔内物料组成表

前半小时
后半小时
取料处
序号
停留时间
峰面积
百分数%
停留时间
峰面积
百分数%

1100mm
1
0.190
4739
5.853
0.179
4317
6.203
2
0.566
12804
18.174
0.556
8961
14.797
3
2.609
40951
75.973
2.589
36604
79.00

670mm
1
0.178
5153
6.280
0.175
5454
4.926
2
0.554
11408
15.978
0.549
11001
11.420
3
2.568
42468
77.742
2.527
61658
83.654

230mm
1
0.178
7782
6.061
0.178
5389
6.127
2
0.548
19494
17.451
0.549
12965
16.940
3
2.455
65374
76.488
2.533
45051
76.933
物质
水
乙醇
乙酸乙酯
相对校正因子f
0.8701
1.0000
1.3070
注：1.序号栏中1为水，2为乙醇，3为乙酸乙酯；
2.百分数栏中数字均为校正后准确百分含量。

表2 各时间内精馏塔数据表
时间
塔顶温度（℃）
塔釜温度（℃）
上段加热电流 （A）
塔釜加热电流 （A）
下段加热电流 （A）
15:34
21.1
19.0
0.2
0.4
0.2
15:44
20.7
78.4
0.2
0.4
0.2
15:48
65.0
77.2
0.2
0.4
0.2
15:58
67.8
74.6
0.2
0.4
0.2
16:03
67.8
74.0
0.2
0.4
0.2
16:13
67.7
73.5
0.2
0.4
0.2
16:23
67.7
73.3
0.2
0.4
0.2
16:33
67.6
73.6
0.2
0.4
0.2
16:43
67.5
74.0
0.2
0.4
0.2
16:53
67.5
74.5
0.2
0.4
0.2
17:03
67.5
75.3
0.2
0.4
0.2
注：1. 15:48时塔顶摆锤出现液体，进行全回流；
2. 16:03时全回流完毕，开启回流比3:1进行正式实验。

表3 原料与产物数据表

乙醇
乙酸
水
乙酸乙酯
原料质量 （g）
80.00
80.38
0
0
密度 （g/cm3）
0.789
1.0492
1.00
0.896
塔顶空瓶 （g）
126.00
容器液体总重 （g）
197.45
塔釜空瓶 （g）
79.97
容器液体总重 （g）
150.21

表4 产品物料组成表

塔顶产品
塔釜残液
序号
停留时间
峰面积
百分含量%
停留时间
峰面积
百分含量%
1
0.175
4675
6.351
0.163
22486
21.949
2
0.551
9231
14.412
0.533
21062
23.629
3
—
—
—
1.632
9595
15.339
4
2.565
38831
79.237
2.646
26655
39.083
质量 （g）
71.45
70.24
注：1.序号栏中1为水，2为乙醇，3为乙酸，4为乙酸乙酯；
2.百分含量栏中数字均为校正后准确含量。

表5 反应结果表
乙酸转化率
0.8658
乙酸乙酯收率
0.5493
注：以上结果均为质量百分数。

六．数据处理：
（一）.数据处理举例：
（1）塔顶产物以及塔釜残液质量：
以塔顶产品为例：

（2）物料组成：
以塔顶产品中水含量为例进行计算：

（3）反应转化率：
以乙酸转化率为例：

（4）反应收率：
因乙酸过量，所以以乙醇为基准计算收率：

（二）.全塔物料衡算：
（1）全塔乙醇物料衡算：

（2）乙酸全塔物料衡算：

（三）.塔内浓度分布：
（1）水浓度分布：
图3 前半小时水分布图

图4 后半小时水分布图

（2）乙醇浓度分布：
图5 前半小时乙醇分布图

图6 后半小时乙醇分布图

（3）乙酸乙酯浓度分布：
图7 前半小时乙酸乙酯分布图

图8 后半小时乙酸乙酯分布图

注：以上各图横坐标均为塔身高度（mm），纵坐标均为百分含量%。
七．实验分析：
1．通过对比乙酸转化率以及乙酸乙酯收率可知，该可以反应有许多副反应，因此导致转化率明显大于产品收率。
2．通过全塔物料衡算，可以猜想误差原因为：
（1）塔顶部分液体没有倒出；
（2）塔内含有较多液体没有流出，而是留在塔体中;
（3）称量产品质量时有一定的误差。
3．对实验改进：可以先测得塔体的静持液量，以此来减小进行全塔实验时的误差分析。
八．思考题：
1．怎么样提高酯化反应收率？
答：从动力学上可以采用新的催化剂，改变温度以改变反应速度；从热力学上可以通过做出平衡常数—温度图选择出最适宜温度。
2．不同回流比对产物分布影响如何？
答：加大回流比，则从塔釜到塔顶过程中更多的下降液体与上升气体接触，导致乙酸乙酯—水，水—乙醇共沸物更多的成为蒸汽，从而导致塔顶产物中乙醇和乙酸乙酯含量增多，塔釜中乙醇含量减少。
3．采用釜内进料，操作条件要做哪些变化？酯化率能否提高？
答：采用釜内进料，应使硫酸从原料液体上部加入，同时应加大塔釜加热温度，以保证乙酸在整个塔内均存在，保证反应在劝他你可以进行。因为反应在全塔进行，催化剂分布在全塔（或较多部分），在塔内反应过程中，下降液体中乙醇含量少，乙酸含量多，因此反应速率低，相同时间内转化率不能提高。同时乙醇与部分硫酸发生副产物等等，导致整体收率降低。
4．加料摩尔比应保持多少为最佳？
答：因为硫酸作为该反应的催化剂，而硫酸与乙醇可以生成硫酸乙酯以及硫酸氢乙酯，因此为了保证乙酸转化率，应该是乙醇：乙酸摩尔比大于1:1，一般可采用1.1:1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：不充分，不能进行模拟计算。还需要动力学速率方程以及汽液平衡方程和方程参数等等。