實驗十二催化反應精餾法制甲縮醛
一、實驗目的
1. 了解反應精餾工藝過程的特點,增強工藝與工程相結合的觀念.
2. 掌握反應精餾裝置的操作控制方法,學會通過觀察反應精餾塔內的溫度分布,判斷濃度的變化趨勢,採取正確調控手段。
3. 學會用正交設計的方法，設計合理的實驗方案，進行工藝條件的優選。
4. 獲得反應精餾法制甲縮醛的最優工藝條件，明確主要影響因素。
二、實驗原理
反應精餾法是集反應與分離為一體的一種特殊精餾技術，該技術將反應過程的工藝特點與分離裝置的工程特性有機結合在一起，既能利用精餾的分離作用提高反應的平衡轉化率，抑制串聯副反應的發生，又能利用放熱反應的熱效應降低精餾的能耗，強化傳質。因此，在化工生產中得到越來越廣泛的應用。
。此外，亦可用固體催化劑進行反應。
甲縮醛是c3h8o2。別名：二甲氧基甲烷，甲醛縮二甲醇（二甲醇縮甲醛）（formaldehyde dimethyl acetal;methylal;formal;methylene dimethyl ether;dimethoxymethane）結構式 ch2(och3)2 無色澄清的揮發可燃液體，有氯仿氣味和刺激味。
熔點-104.8℃，相對密度（d）0.8560,沸點44℃，折射率（n）1.
3513,20℃水中溶解度32℅，能溶解多種溶劑。
用途：生產離子交換樹脂、溶劑、香料、雷博（合成）
反應介質：甲醛（水）36.5-37.4℅ 甲醇 64.7℃ 甲醛 –19.5℃
反應條件：控制塔頂溫度 41.5-42℃ 餾分即為： 甲縮醛
本實驗以甲醛與甲醇縮合生產甲縮醛（沸點42.3℃）的反應為物件進行反應精餾工藝研究。合成甲縮醛的反應為：
2ch3oh＋cho＝c3h8o2＋h2o
該反應是在酸催化條件下進行的可逆放熱反應，受平衡轉化率的限制，若採用傳統的先反應後分離的方法，即使以高濃度的甲醛水溶液（38％～40％）為原料，甲醛的轉化率也只能達到60％左右，大量未反應的稀甲醛不僅給後續的分離造成困難，而且稀甲醛濃縮時產生的甲酸對裝置的腐蝕嚴重。而採用反應精餾的方法則可有效地克服平衡轉化率這一熱力學障礙，因為該反應物系中各組分相對揮發度的大小次序為：α甲縮醛＞α甲醇＞α甲醛＞α水，可見，由於產物甲縮醛具有最大的相對揮發度，利用精餾的作用可將其不斷地從系統中分離出去，促使平衡向生成產物的方向移動，大幅度提高甲醛的平衡轉化率，若原料配比控制合理，甚至可達到接近平衡轉化率。
此外，採用反應精餾技術還具有如下優點：
1、在合理的工藝及裝置條件下，可從塔頂直接獲得合格的甲縮醛產品。
2、反應和分離在同一裝置中進行，可節省裝置費用和操作費用。
3、反應熱直接用於精餾過程，可降低能耗。
由於精餾的提濃作用，對原料甲醛的濃度要求降低，質量百分數為7％-38％的甲醛水溶液均可直接使用。
本實驗採用連續反應精餾裝置，考察原料甲醛的濃度，甲醛與甲醇的配比、催化劑濃度、回流比等因素對塔頂產物的純度和生成速率的影響，谷優選出最佳的工藝條件。實驗中，各因素水平變化的範圍是：甲醛溶液濃度（質量百分數）12％～38％，甲醛：
甲醇（摩爾比）為1：8～1：2，催化劑質量百分數1％～3％，回流比5～15。
由於實驗設計多因子多水平的優選，故採用正交實驗設計的方法組織實驗，通過資料處理，方差分析，確定主要因素和優化條件。
三、實驗裝置及流程
1、實驗裝置
實驗裝置如下圖所示。反應精餾塔有玻璃製成。塔徑為25mm，塔高約2400mm，共分為三段，由下至上分別為提餾段、反應段、靜餾段，塔內填裝不鏽鋼θ網絲環填料。
塔釜為500ml四口燒瓶，置於1000w電熱碗中。塔頂採用電磁擺針式回流比控制裝置。在塔釜，塔體和塔頂共設了五個測溫點。
2、實驗流程
在塔釜中放入甲醇溶液，調節加熱套加熱塔釜，並開啟塔保溫，控制電流，當有回流時穩定回流20分鐘後，將甲醛與催化劑混合後，由反應段的頂部加入，甲醇由反應段底部加入，調節回流比，使進樣量等於採出量，持續精餾一定時間。用氣相色譜法分析塔頂和塔釜產物的組成。
1-公升降台；2-加熱套；3-塔釜；4-夾套；5-保溫層；6-塔反應器；7-進料口
8-預熱器；9-冷凝器；10-回流比控制器；11-進料口；12-進料閥；13-進料罐；
14-採集罐；
3、裝置引數
裝置引數如表1所示。
表1主要試劑如表2所示
表2 四、實驗步驟
1、原料準備
在甲醛水溶液中加入1%、2%、3%的濃硫酸作為催化劑。
cp級或工業甲醇。
2、操作準備
檢查精餾塔進出料系統各管線上的閥門開閉狀態是否正常。向塔釜加入200ml，約10%的甲醇水溶液。調節進料閥，分別標定原料甲醛和甲醇的進料流量，甲醇的體積流量控制在4ml/min.
3、實驗操作
先開啟塔頂冷卻水。在開啟塔釜加熱器，加熱量要逐步增加，不宜過猛。當塔頭有凝液後，全回流操作約20min。
按選定的實驗條件，將回流比控制器撥到6:3，開始進料，甲醇4ml/min，甲醛2ml/min。進料後，仔細觀察並跟蹤記錄塔內各點的溫度變化，測定並記錄塔頂與塔釜的出料速度，調節出料量，使系統物料平衡。
待塔頂溫度穩定後，每隔15min取一次塔頂、塔釜樣品，分析其組成，共取樣2-3次。取其平均值作為實驗結果。
依正交實驗計畫表，改變實驗條件，重複步驟3，可獲得不同條件下的實驗結果。
實驗完成後，切斷進出料，停止加熱，待塔頂不再有凝液回流時，關閉冷卻水。
五、實驗資料處理
根據上述實驗測得的資料填寫到下表：
實驗日期實驗人員學號溫度
六、實驗報告
1、用氣象色譜分析塔頂，塔底產物
2、列出實驗原始記錄表，計算甲縮醛產品的收率。
甲縮醛收率計算式：
η=℅xd——塔頂餾出液中甲縮醛的質量分率；
xw——塔釜出料中甲縮醛的質量分率；
xf——進料中甲醛的質量分率，ｇ／ｍｉｎ
ｄ—塔頂餾出液的質量流率，ｇ／ｍｉｎ
ｆ—進料甲醛水溶液的質量流率
ｗ—塔釜出料的質量流率，ｇ／ｍｉｎ
ｍ１、ｍ０—甲醛，甲縮醛的分子量；
η—甲縮醛的收率。
3、繪製全塔溫度分布圖，繪製甲縮醛產品收率和純度與回流比的關係圖。
4、以甲縮醛產品的收率為實驗指標，列出正交實驗結果表，運用方差分析確定最佳工藝條件。
七、思考題
1、反應精餾塔內的溫度分布有什麼特點？隨原料甲醛濃度和催化劑濃度的變化，反應段溫度如何變化？這個變化說明了什麼？
2、根據塔頂產品純度與回流比的關係，塔內溫度分布的特點，討論反應精餾與普通精餾有何異同。
3、本實驗在制定正交實驗計畫表時沒有考慮各因素間的互動影響，您認為是否合理？若不合理，應該考慮哪些因子間的互動作用？
4、要提高甲縮醛產品的收率可採取哪些措施？
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