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1、化工专业技术实验指导书(第四版)化工技术实验中心I目 录目 录. I实验一反应精馏法制乙酸乙酯1实验二共 沸 精 馏 .6实验三色谱法测定无限稀释溶液的活度系数 .12实验四固定床乙醇脱水反应实验研究 .17实验五色谱法测定固体催化剂的表面积 .24实验六正丁烷氧化制顺丁烯二酸酐 .28附录 1：实验报告的封面 .XXXIV附录 2：实验报告的要求 . XXXVi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
2、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。此法在酯化、醚化、酯交换、水解等化工生产中得到应 用，而且越来越显示其优越性。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。因此，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
3、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。对醇酸酯化反应来说，适于第一种情况。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 0.21.0%(wt)。此外，还可 用离子交换树脂，重金属盐类和丝光沸石分子筛等固体催化剂。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
4、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：5CH3COOH + 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。若用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的 乙酸，塔下部某处加乙醇。釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。具体 地说，乙酸从上段向下段移动，与向上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应， 生成酯和水。塔内此时有 4 组分。由于乙酸在气相中有缔合作用，除乙酸外，其它三个组分 形成三元或二元共沸物。水酯，水醇共沸
5、物沸点较低，醇和酯能不断地从塔顶排出。若 控制反应原料比例，可使某组分全部转化。因此，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。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 组分进行物料衡算如下Fj,Zi,jVj,yi,jVj+1,yi,j+1Lj-1,xi,j-1Lj,xi,j(如图 1 所示)：图 1 第 j 块理论板上的气液流动示意图L j 1 X i, j 1 + V j +1Yi, j +1 + Fj Z j ,i +
6、Ri, j= V jYi, j + L j X i, j(1)2jn，i=1,2,3,4 (2) 气液平衡方程对平衡级上某组分 i 的有如下平衡关系：Ki, j X i, j Yi, j = 0(2)每块板上组成的总和应符合下式：nYi, j = 1 ;i=1n X i, j = 1i=1(3)(3) 反应速率方程2Xi , j5 XRi, j= K j Pj Qi, ji, j 10(4)式(4)指原料中各组分的浓度相等条件下才能成立，否则应予修正。(4) 热量衡算方程 对平衡级上进行热量衡算，最终得到下式：L j 1h j 1 V j H j L j h j + V j +1 H j +1
7、 + Fj H rj Q j + R j H rj = 0(5)三、实验装置及试剂实验装置如图 2 所示。反应精馏塔用玻璃制成。直径 20mm，塔高 1500mm，塔内填装33mm 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。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
8、口 9 塔体 10 数字式温度显示器 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四、实验步骤间歇操作将乙醇、乙酸各 80g，浓硫酸几滴倒入塔釜内，开启釜加热系统。开启塔身保温电源。 开启塔顶冷凝水。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，开启回流比控制电源。30 分钟后，用微量注射器在塔身五个不同高度取样，应 尽量保证同步。分别将 0.2l 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。重复 3，4 步操作。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（
9、当持液全部流至塔釜后才取釜残液），关闭总电源。 五、实验数据处理自行设计实验数据记录表格。根据实验测得数据，按下列要求写出实验报告：实验目 的与实验流程步骤；实验数据与数处理；实验结果与讨论及改进实验的建议。对于间歇过程，可根据下式计算反应转化率和收率。 转化率乙酸加料量釜残液乙酸量/乙酸加料量进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算，计算塔内浓度分布、反应收率，转化率等。六、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 jHr j j板上原料焓值 j板上反应热焓值Lj Ki,j Pj Ri,j Vj Xi,j Yi,j Zi,j j板下降液体量 i组分的汽液平衡函数 j板上液体
10、混合物体积（持液量） 单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量 j板上升蒸汽量 j板上组分i的液相摩尔分数 j板上组分i的气相摩尔分数 j板上i组分的原料组成i,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七、思考题1.试查文献找出除乙酸乙酯反应精馏外，还有那些产品能用反应精馏法制的？2.连续反应精馏应怎样操作？简单叙述流程。3.采用固体催化剂时，实验室和工业塔怎么装填？4.怎样提高连续酯化反应的收率？5.不同回流比对产物分布影响如何？6.采用釜内进料，操作条件要作哪些变化？酯化率能否提高？7.加料摩尔比应保持多少为最佳？8.用实验数据能否进行模拟计算？如果数据不充分，还要测定
11、哪些数据？实验二共 沸 精 馏一、实验目的：1通过实验加深对共沸精馏过程的理解。2熟悉精馏设备的构造，掌握精馏操作方法。3能够对精馏过程做全塔物料衡算。4学会使用气相色谱分析气、液两相组成。二、实验原理：精馏是利用不同组份在气一液两相间的分配，通过多次气液两相间的传质和传热来达到 分离的目的。对于不同的分离对象，精馏方法也会有所差异。例如，分离乙醇和水的二元物 系。由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近，所 以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物，而无法得到无水乙醇。为此，在乙醇一水 系统中加入第三种物质，该物质被称为共沸剂。共沸剂具有能和被分离系统中的一
12、种或几种 物质形成最低共沸物的特性。在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜则得 到无水乙醇。这种方法就称作共沸精馏。乙醇水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。现将它们在常压下的共沸温度、 共沸组成列于表 1。为了便于比较，再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。表1乙醇水一苯三元共沸物性质共沸物（简记）共沸点共沸物组成，t乙醇水苯乙醇水一苯（T）64.8518.57.474.1乙醇一苯（ABZ）68.2432.70.067.63苯一水（BWZ）69.250.08.8391.17乙醇一水（AWz）78.1595.574.430.09表 2乙醇、水、苯的常压沸点物质名称（简记）乙醇（A）水（W）苯（
