实验三 乙苯脱氢.doc

化学工艺实验技术实验三 乙苯脱氢制苯乙烯一实验目的1掌握乙苯脱氢实验的反应过程和反应机理、特点，了解副反应和生成副产物的过程。2学习气固相管式催化反应器的构造、原理和使用方法，学习反应器正常操作和安装。3自动控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小。怎样控制床层温度分布。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，学习如何手动进样分析液体成分。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（苯），蠕动泵（水）。乙苯脱氢催化剂，化学纯乙苯，蒸馏水。（分析纯苯，分析纯甲苯）三实验原理乙苯脱氢生成苯乙烯和氢气是一个吸热、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，更受到热力平衡的限制。为了提高反应的单程转化率，在80年代国外开发了乙苯脱氢氢氧化新工艺。我国燕山石化公司也在2001年首次采用了这种生产工艺。由于反应产物中的氢气可以和空气中的氧气发生氧化反应，这样就破坏了原来的化学平衡，使反应向着有利于生成苯乙烯的方向进行。同时，氢燃烧生成的热量，也正好用于反应物料的再加热，有利于节约能源，降低生产成本。本实验仍然采用一步反应，即乙苯脱氢生成苯乙烯。该反应所用催化剂为Al2O3上负载Fe元素，然后烘干、活化，得到工业用催化剂。乙苯脱氢生成苯乙烯过程，在水蒸气存在下，有以下反应：主反应：C6H5C2H5C6H5C2H3+H2 副反应：C6H5C2H5C6H6+C2H4 C6H5C2H5+ H2C6H5CH3+CH4 C+H2OCO2+2H2 CH4+H2OCO+3H2 C2H4+2H2O2CO+4H2 CO+ H2OCO2+H2在实验中，前两个副反应生成的产物苯和甲苯留在了液相冷凝液中，而其他几个副产物都是挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。不同反应温度下，反应、的反应热可以用下式估算：-H1=-120679-4.56T（J/mol） -H2=-108750+7.95T（J/mol） -H3=53145+13.18T （J/mol） 主反应乙苯脱氢的化学平衡方程式可以用下式来表示：LnKp=19.67-1.537104/T-0.5223LnT 乙苯脱氢反应的动力学模型可以用Carra双曲模型：rSty=k1（PEB-Psty PH2/Kp）/（PEB+kPsty） rBen=k2 PEB/（PEB+kPsty） rTol= k3 PEBPsty/（PEB+kPsty） 式中：rSty、rBen、rTol(mol/kgs)分别表示主产物苯乙烯生成速度、副产物苯和甲苯生成速度。PEB、Psty、PH2(kpa)分别表示混合气终中乙苯、苯乙烯和氢气的分压。对于不同的反应温度，通过计算不同的转化率和反应速率，可以得到不同反应温度下的反应速率常数，并得到温度的关联式。四实验步骤1准备工作：（1）色谱连接：检查作为色谱载气的氢气钢瓶压力是否大于2.5MPa，如果小于2.5 MPa，要更换钢瓶。检查无误后，接好色谱载气接口，处理好色谱尾气接口，检查色谱柱的连接情况。（2）催化剂的装填：先准备好催化剂，然后用干量筒量取催化剂10ml，在精密天平上称重并记录。根据反应管的内径，计算出10ml催化剂所占高度，然后根据恒温区曲线确定其在反应管中的最好装填位置，使催化剂处于恒温区。准备23mm的碎瓷环，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。从装置上拆下反应管，在反应器底部加入少量岩棉，然后放入适量高度的瓷环（以确保催化剂处于恒温区的最佳位置），准确量取瓷环高度并记录。再放入少量岩棉，加入0.5ml石英砂，将称量好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂高度，确定催化剂在反应器内装填高度。再装入碎瓷环至反应管口（切记不要填至反应管密封口处）。装填过程中可以轻轻敲打反应管外壁，以保证不出现架桥现象。然后将反应器顶部密封。（3）校正蠕动泵流量：根据实验要求，校正两个蠕动泵的流量（泵的使用方法见说明书），调整用作乙苯进料泵的进料量11.5ml/min（量筒测量流量，用秒表计时，以5ml或10ml为准），蒸馏水按比例折算，调整后记录当前状态下的转数值。（4）湿式流量计准备把湿式流量计拆下，拧下背面的溢水口接头，从顶口处往里面灌水，到溢流口刚好有水流出，拧上接头，装回流量计，装好各配件，连好尾气出口。2将反应管放入到加热炉中，连接乙苯和水的进口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应管的接口，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，然后进入尾气湿式流量计计量尾气流量。3检查各流程及元件安装无误，连接良好后，插上设备电源开关。4打开钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.20.3Mpa，调节色谱两通道压力调节阀，控制尾气流量在20-30ml/min（用皂膜流量计和秒表校正）。5打开色谱仪开关，按以下条件设定色谱，载气：氢气，柱温：80 进样器温度：100 检测器（TCD）温度：120，桥电流：120mA 衰减：1倍，色谱稳定30min。6打开装置总电源开关，按照实验要求，将反应器加热温度设定为580630，预热器温度设定为300500（可以根据反应器温度的分配情况调节）。温度设定无误后，打开加热开关，在开始加热时可用自整定设置。7在温度达到设定值后，继续稳定1020分钟，然后开始加入乙苯和水。乙苯的加料速度为1.01.5ml/min。水和乙苯的进料摩尔比为89:1，并因此确定水的加料速度为1.22 ml/min。8反应进行20分钟后，正式开始实验。先换掉反应器下的吸收瓶，并换上清洁干净的新瓶，检查升降台的高度，应该调节升降台，使冰水混合物尽可能多的浸没分离器。记录湿式流量计读数，应每隔一定时间记录反应温度，压力等实验条件。9反应开始每隔1020分钟取一次数据，每个温度至少取两个数据，粗产品从分离器中放入量筒内。然后用分液漏斗分去水层，称出烃层液重量。10取少量烃层液样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。11改变反应温度，每次提高2030，重复上述实验步骤，则得到不同反应温度下的原料转化率、产物苯乙烯收率、副产物苯和甲苯生成速率等，并根据动力学模型，可以得到反应速率常数。五实验数据记录及处理数据记录：1在实验中，应每隔一定时间记录反应器和预热器加热温度、催化剂床层温度。如有必要，也可以轻轻拉动反应器内的测温热电偶，测定催化剂床层的温度分布。2实验中，每次完成一个温度下的实验，应记录实验前后尾气流量计的体积，同时称量反应时间内得到的液体产物的重量，并用气相色谱进行分析。3至少分析两次所得液体产物的组成，并用校正因子校正所得的含量，对液体进行物料衡算。数据处理：1 根据记录的数据，计算出原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含量，苯乙烯的选择性。配：苯、甲苯、苯乙烯的标样，进行分析求得校正因子为（以苯的校正因子为1）f苯=1.000，f甲苯=0.8539，f乙苯=1.006，f苯乙烯=1.032。产物中组分的质量百分含量由下式计算：组分质量百分含量乙苯的转化率=苯乙烯的选择性=苯乙烯的收率=乙苯的转化率苯乙烯的选择性2 计算不同反应温度下，反应的化学平衡常数（Kp），计算出各步反应的反应速率，并按照反应的动力学Crra双曲模型计算反应速率常数，并画图得到温度和反应速率常数的关系。表1 原始记录时间min温度/原料体积/ml粗产品g尾气L预热器反应器乙苯水烃层液水层流量ml/min体积ml流量ml/min体积/ml表2 粗产品色谱分析结果记录反应温度（）乙苯加入量（g）进样量（l）色谱峰面积含量A%苯甲苯乙苯苯乙烯六实验结果讨论1讨论原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含率，乙苯的选择性等参数随反应温度变化的规律，并作图表示。2讨论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，并作图