实验二、反应精馏实验（一）实验目的1.了解反应精馏工艺过程的特点，增强工艺与工程相结合的观念2.掌握反应精馏装置的操作控制方法.学会通过观察反应精馏塔内的温度分布，判断浓度的变化趋势，采取正确调控手段。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.获得反应精馏法制甲缩醛的最优工艺条件，明确主要影响因素。（二）实验原理反应精馏过程不同于一般精馏，它既有物理相变之传递现象，又有化学反应现象。二者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下面两种情况特别适用：（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的从系统中排出，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。本实验以乙酸与乙醇缩合生产乙酸乙酯的反应为对象进行反应精馏工艺研究。CH3COOH + C2HsOH?CH3COOC2H5+H2C-该反应是在酸催化条件下进行的可逆放热反应，受平衡转化率的限制，若采用传统的先反应后分离的方法，乙酸的转化率不高，大量未反应的稀乙酸不仅给后续的分离造成困难，而且稀乙酸对设备的腐蚀严重。而采用反应精馏的方法则可有效地克服平衡转化率这一热力学障碍，利用精馏的作用可将其不断地从系统中分离出去，促使平衡向生成产物的方向移动，大幅度提高乙酸的平衡转化率，若原料配比控制合理，甚至可达到接近平衡转化率。此外，采用反应精馏技术还具有如下优点：（1）在合理的工艺及设备条件下，可从塔顶直接获得合格的乙酸乙酯产品。16
16 实验二、反应精馏实验 （一）实验目的 1. 了解反应精馏工艺过程的特点,增强工艺与工程相结合的观念. 2. 掌握反应精馏装置的操作控制方法,学会通过观察反应精馏塔内的温度分 布,判断浓度的变化趋势,采取正确调控手段。 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. 获得反应精馏法制甲缩醛的最优工艺条件，明确主要影响因素。 （二）实验原理 反应精馏过程不同于一般精馏，它既有物理相变之传递现象，又有化学反应 现象。二者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下面两种 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 过程可使其连续的从系统中排出，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。 本实验以乙酸与乙醇缩合生产乙酸乙酯的反应为对象进行反应精馏工艺研 究。 CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5＋H2O 该反应是在酸催化条件下进行的可逆放热反应，受平衡转化率的限制，若采 用传统的先反应后分离的方法，乙酸的转化率不高，大量未反应的稀乙酸不仅给 后续的分离造成困难，而且稀乙酸对设备的腐蚀严重。而采用反应精馏的方法则 可有效地克服平衡转化率这一热力学障碍，利用精馏的作用可将其不断地从系统 中分离出去，促使平衡向生成产物的方向移动，大幅度提高乙酸的平衡转化率， 若原料配比控制合理，甚至可达到接近平衡转化率。 此外，采用反应精馏技术还具有如下优点： （1） 在合理的工艺及设备条件下，可从塔顶直接获得合格的乙酸乙酯产 品
(2)反应和分离在同一设备中进行，可节省设备费用和操作费用。(3)反应热直接用于精馏过程，可降低能耗。(4)由于精馏的提浓作用，对原料的浓度要求降低。(5）本实验采用连续反应精馏装置，考察原料乙醇的浓度，乙酸与乙醇的配比、催化剂浓度、回流比等因素对塔顶产物的纯度和生成速率的影响，优选出最佳的工艺条件。全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述：（1）物料衡算方程Vi, yiLj-1,Xj-1对第j块理论板上的i组分进行物料衡算：LjiXi, j-I+Vj+iYi, J+I+F,Zj,i+Ri, j=V,Yi. j+L,Xi, J（2）气液平衡方程对平衡级上某组分i有如下平衡关系：K,·X,-Y=0每块板上组成的总和应符合下式：Vj+1, yj+1Lj,Xij2y., =1,2x., =1i=li=l（3）反应速率方程X.×10Ru=K,P,Eou-X（4）热量衡算方程Li-1,hii-1+Vi+1Hi+1+FiHri+RiHri-ViHj-Ljhj-Q=0（三）实验装置17
17 （2） 反应和分离在同一设备中进行，可节省设备费用和操作费用。 （3） 反应热直接用于精馏过程，可降低能耗。 （4） 由于精馏的提浓作用，对原料的浓度要求降低。 （5） 本实验采用连续反应精馏装置，考察原料乙醇的浓度，乙酸与乙醇的 配比、催化剂浓度、回流比等因素对塔顶产物的纯度和生成速率的影 响，优选出最佳的工艺条件。全过程可用物料衡算式和热量衡算式描 述： （1）物料衡算方程 对第 j 块理论板上的 i 组分进行物料衡算： Lj－1Xi，j－1＋Vj＋1Yi，j＋1＋FjZj，i＋Ri，j＝VjYi，j＋LjXi，j （2）气液平衡方程 对平衡级上某组分 i 有如下平衡关系： Kij·Xij－Yij＝0 每块板上组成的总和应符合下式： 1, 1 1 , 1 , n i i j n i Yi j X （3）反应速率方程 Rij＝KjPj 5 10 ij ij ij Q X X （4）热量衡算方程 Lj-1,hij-1＋ Vj+1Hj+1＋FjHrj＋RjHrj－VjHj－Ljhj－Q＝0 （三）实验装置 Vj，yij Lj-1,xij-1 Vj+1，yij+1 Lj,xij
TTLTCTTI一测温TCI一控温1.升降台2.加热包3.塔釜4.塔保温套5.玻璃塔体6.填料7.取样口8.预热器9.塔头10.电磁铁11.加料口12.进料泵13.加料罐14.馏出液集瓶反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装Φ2×2mm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。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）实验步骤间歇操作①将乙醇、乙酸各80g，浓硫酸6滴约0.24g倒入塔釜内，开启釜加热系统。开启塔身保温电源。待塔身有蒸气上升时，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。15分钟后，设定回流比为3：1，开启回流比控18
18 TI－测温 TCI－控温 1.升降台 2.加热包 3.塔釜 4.塔保温套 5.玻璃塔体 6.填料 7.取样口 8.预热器 9.塔头 10.电磁铁 11.加料口 12.进料泵 13.加料罐 14.馏出液集瓶 反应精馏塔用玻璃制成。直径 20mm，塔高 1500mm，塔内填装φ2×2mm 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。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）实验步骤 间歇操作 ①将乙醇、乙酸各 80g，浓硫酸 6 滴约 0.24g 倒入塔釜内，开启釜加热系统。 开启塔身保温电源。待塔身有蒸气上升时，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。15 分钟后，设定回流比为 3：1，开启回流比控 2 TI 1 TCI 3 4 5 6 12 8 7 7 TCI 13 11 TCI 13 12 14 9 TI 10
制电源。③30分钟后，用微量注射器在塔身三个不同高度取样，应尽量保证同步。④分别将0.25μL样品注入色谱分析仪，记录结果。注射器用后应用蒸馏水、内丙酮清洗，以备后用。③重复3、4步操作。③关闭塔釜及塔身加热电源及冷凝水。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。（五）实验数据处理1.原料：乙醇（分析纯）80.42g；乙酸（分析纯）80.12g；浓硫酸6滴0.24g色谱分析条件：载气1柱前压0.05MPa30ml/min载气2柱前压0.05MPa桥电流100讯号衰减1柱温130℃，汽化130℃，检测130℃最小面积1000，thresholds=50,width=0.504组分质量校正因子f水0.549乙醇1乙酸乙酯1.109乙酸1.225进样量0. 25 μL2.对侧线产品的分析3.对最终塔顶塔底产品的分析19
19 制电源。③30 分钟后，用微量注射器在塔身三个不同高度取样，应尽量保证同 步。④分别将 0.25μL 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。⑤重复 3、4 步操作。⑥关闭塔釜及塔身加热电源及冷凝 水。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。 （五）实验数据处理 1. 原料：乙醇（分析纯）80.42g；乙酸（分析纯）80.12g；浓硫酸 6 滴 0.24g 色谱分析条件： 载气 1 柱前压 0.05MPa 30ml/min 载气 2 柱前压 0.05MPa 桥电流 100 讯号衰减 1 柱温 130℃， 汽化 130℃， 检测 130℃ 最小面积 1000， thresholds＝50， width＝0.504 组分 质量校正因子 fi 水 0.549 乙醇 1 乙酸乙酯 1.109 乙酸 1.225 进样量 0.25μL 2. 对侧线产品的分析 3.对最终塔顶塔底产品的分析