工大乙苯气固脱氢反应实验.doc

实验四 乙苯气固脱氢反应实验一、实验目的 该实验为综合性实验，学生在学了反应工程和化学工艺课程理论知识后开设，其目的如下：(1)掌握乙苯脱氢实验的反应过程和反应机理、特点，了解副反应的发生和产生副产物的过程。 (2)学习气固相管式催化反应器的构造、原理和使用方法，了解反应器的正常操作和安装，了解催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。 (3)掌握自动控制仪表的使用，掌握设定床层温度和控制加热电流大小。 (4)了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。了解气体在线分析的方法，掌握产品定性、定量色谱分析过程。 (5)学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。 二、实验任务 （1）获得该实验装置乙苯气固脱氢反应器转化率、生成苯乙烯收率和选择性； （2）动力学实验，获得主副反应反应速率和反应速率常数随温度变化关系。 三、实验设备、仪器和药品 乙苯脱氢气固反应器、气相色谱及计算机数据采集和处理系统、精密微量液体泵（乙苯）、蠕动泵（水）。乙苯脱氢催化剂、化学纯乙苯、蒸馏水。 四、实验原理 乙苯脱氢生成苯乙烯是一个吸热、分子数增加的可逆反应。提高反应温度、降低反应压力，都能提高反应转化率。 乙苯脱氢生成苯乙烯反应转化率不但受催化剂和工艺条件的限制，更受到热力学平衡的限制。实验采用一步反应，即乙苯脱氢生成苯乙烯。该反应所用催化剂为铁系催化剂。反应原理如下： 主反应： (1)副反应： （2） （3） 经冷凝器后，产品苯乙烯和两个副反应生成的苯和甲苯与未反应原料与冷凝水被收集待色谱分析；其他几个副产物C2H4、CH4和H2都是挥发性未凝气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。 主反应（1）的平衡常数Kp随温度的变化可表示为式（4）。 (4)对于（1）（3）反应方程式，采用单分子Carra双曲线动力学模型，建立反应动力学方程如(5)（7）。 (5)(6)(7)式中（mol/kg.s）分别表示主产物苯乙烯、副产物苯和甲苯的生成速率；（kpa）分别表示混合气中乙苯，苯乙烯和氢气的分压；修正常数=181.03。 对于不同的反应温度，通过计算各组分在反应器出口不同分压，可以得到不同反应温度下的反应速率常数，根据阿累尼乌斯方程（8），作主反应ln(k)1/T图，由直线斜率和截距可求出活化能Ea和频率因子A。即可定量表示出主反应的反应动力学常数k与温度T的关系式。 （8） 五、实验步骤 实验装置如图21，在反应器底部放入少量岩棉，然后放入1020cm高的瓷环，准确量取瓷环高度并记录，瓷环应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、高温烧结，以除去催化活性。用量筒量取20ml催化剂，然后用天平称出催化剂重量，并记录。 将称好的催化剂缓慢加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂高度，确定催化剂在反应器内的填装高度。在催化剂上方继续加入瓷环，一直到反应管顶部。然后将反应器顶部密封，将反应器放入到加热炉中，连接乙苯和水的进口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应器的接口，并把玻璃收集瓶和冷凝器连接好。玻璃收集瓶应放置在烧杯内，烧杯内装有适量的水、冰、盐混合物，以保持冷却温度在零度以下，使产物中的苯和甲苯能完全冷凝成液体而被收集起来，没有冷凝的氢气和甲烷、乙烷则进入到六通阀内进行分析，然后进入尾气湿式气体流量计计量尾气流量。 （一）确定乙苯转化率、苯乙烯收率和选择性 预热器温度设定为400，反应器温度设定为650（可以根据反应器温度的分配情况调节）。在温度达到设定值后，加入水活化催化剂，继续稳定10min，然后加入乙苯。乙苯加料速度为0.5ml/min。水和乙苯的进料体积比为11，并因此确定水的加料速度（0.5ml/min）。 反应进行5分钟后，正式开始实验。先换掉反应器下的接受瓶，并换上清洗干净的新瓶，记录湿式流量计初始读数，实验进行时每隔2min钟时间记录反应温度和湿式流量计读数。待反应进行20分钟后取出接受瓶，将样品在分液漏斗中分层，取出上层液体入样品瓶待分析。 （二） 动力学实验 改变反应温度，每次反应温差20（及反应温度分别为：590、610、630、650、670），每次温度达到设定值后稳定5分钟开始实验。按同样方法操作，待反应进行20分钟后取出接受瓶，然后进行分层去水，分别取出上层液体待分析。 六、色谱分析 产品中苯乙烯和两个副反应生成的苯和甲苯与未反应原料留在液体中，色谱出峰顺序：苯、甲苯、乙苯、苯乙烯；分析条件：柱温100，进样温度160，检测温度180。色谱数据采用外标法处理，色谱分析得出的是各组分质量分数，将其转化为摩尔分数（分子量：苯78.114；甲苯92.141；苯乙烯104.152；乙苯106.168）。 七、数据处理 （1）转化率、收率和选择性计算 设乙苯加入质量为1，将摩尔分数带入下式计算： 乙苯的转化率（9） 苯乙烯的收率（10） 苯乙烯的选择性 （11） （2）动力学数据 为按式(5)（7）求解反应速率，须知道反应器出口总产物中各组分分压。为求各组分在混合气中摩尔量（），设乙苯加入摩尔量为1，由式（1）（3）产物混合气中液体产品苯、甲苯、苯乙烯、乙苯摩尔量已由色谱分析结果求出；未凝气乙烯、甲烷量可分别与苯、甲苯摩尔量相同；氢气摩尔量可由苯和甲苯摩尔量差计算，惰性气体水蒸汽摩尔量反应前后不变，由乙苯摩尔量1按进料比计算（水摩尔量：6.77）。设总压P101.3 kPa；各组分分压由式（12）计算。 （12） 式中：各组分分压，kPa； 各组分在混合气中摩尔量，mol。 根据实验数据可由(5)（7）分别求出不同温度下的反应速度常数。 根据阿累尼乌斯方程（8），作主反应ln(k)1/T图，由直线斜率和截距可求出活化能Ea和频率因子A。即可定量表示出主反应的反应动力学常数k与温度T的关系式（8）。 八、实验结果讨论 1.原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含量，乙苯的选择性等参数随温度变化的规律。 2. 反应温度变化对反应平衡常数的影响，反应动力学常数变化的影响因素。 3反应中加水得目的是什么。 九、实验报考内容 实验目的、任务、实验设备图、操作步骤、实验记录、数据处理、分析讨论。 实验记录与数据处理 实验一：确定乙苯转化率、苯乙烯收率和选择性反应时间/min02468101214161820 反应温度 流量计读数 产品质量分数苯：甲苯：乙苯：苯乙烯：产品摩尔分数苯：甲苯：乙苯：苯乙烯：实验结果转化率：选择性：收率：式（9）（11）实验二：动力学实验 表2实验数据分析和Pi计算组分苯甲苯乙苯苯乙烯甲烷乙烯氢水590W% mol量 Pi/kPa 610W% mol量 Pi/kPa 630W% mol量 Pi