化工过程与开发 PPT课件 第三章 化工过程开发的实验室工作.ppt

2020/5/19,1,第三章化工过程开发的实验室工作,2020/5/19,2,第二章回顾,选题,市场需求调研,所需资料,立项,来源3种原则4点,定性定量,专门外围,一元线性回归,2020/5/19,3,主要内容,第一节概述第二节测量技术第三节催化剂研究第四节反应动力学研究方法简介第五节标准样品及分析方法第六节化工单元过程和化工单元操作试验,2020/5/19,4,第一节概述（参考P37-46）,一、实验分类,预实验系统实验,实验的进展和目的的不同,实验试验？,2020/5/19,5,1.预实验,为提出设想流程而进行的实验。内容：针对可行性研究中提出的疑问或前面实验发现的新问题来进行研究。特点：无全面规划、定性或半定量的实验要求：研究者必须建立明确的思路。如对化学反应过程的研究，从三个方面建立思路：,2020/5/19,6,（1）从认识对象的特征来建立思路。（2）从影响过程的因素出发来建立思路（3）从工艺的特殊条件建立思路,化学反应的特征？,影响反应速率的因素？,如催化反应的控制步骤等,目的：目标明确、简化实验,2020/5/19,7,预实验的三种形式,（1）认识实验（2）析因实验（3）验证实验,2020/5/19,8,（1）认识实验,认识试验是为了认识过程研究对象的特征和初步规律而专门设计的试验。方法：对比实验,如考察反应的转化率和收率的高低，考察温度或浓度对过程影响的敏感程度，以及考察传热方式或传质条件改变对过程的影响等。,目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。,2020/5/19,9,（2）析因实验,析因试验是为了弄清实验的各种影响因素而专门组织的试验。应注意以下法则：A、注意工程因素的等效性，不必对所有的因素都逐个进行试验；B、分清可调和不可调因素，对不可调因素一般不作考察；C、分清敏感因素和非敏感因素，对非敏感因素，一般也不作重点考察,直接工程非常规,2020/5/19,10,（3）验证（鉴别）实验,针对已形成的技术结论或设想的技术措施，判别其是与非而专门设计的试验。,采取一些简易设备和简便方法来进行，要求研究者要善于运用工程因素等效性的概念来合理简化试验过程。,2020/5/19,11,2、系统实验,系统试验是在预试验的基础上迸行，它是有目的有计划地对预试验测定的定性结论或技术方案作系统考察并定量测取有关设计数据。,预试验-概念设计；系统试验-基础设计。,2020/5/19,12,包括：,A、实验目的B、实验方案C、装置设计和建立D、实验点的安排E、获得数据F、数据处理,2020/5/19,13,二、实验工作程序,基本程序：规划-实验及记录-分析整理-报告1.拟定实验计划2.实验过程3.总结,新产品？新技术对老工艺改造？,认真操作、观察现象、测数据、记录,成果、不足,2020/5/19,14,第二节测量技术,一、温度测量二、压力测量三、流量测量,2020/5/19,15,一、温度测量,常用的测温元件？玻璃液柱双金属热电偶,2020/5/19,16,测温元件特点,2020/5/19,17,二、压力测量,U型管液柱压差计结构简单、制作方便、读数直观、价格低廉缺点：易碎弹簧管压力表测量范围大，读数精确度较差。,2020/5/19,18,三、流量测量,转子流量计皂膜流量计毛细管流量计,2020/5/19,19,第三节催化剂研究,一、催化技术概况1.催化剂及性能指标（1）活性（2）选择性（3）稳定性,2020/5/19,20,2.催化剂开发内容,催化剂开发包括了催化剂的设计、制备、测试、评价等各方面多专业的工作，也包括了实验室研究（小试）、中试以及大厂生产和使用等各个工作段在内。是一个庞大的工作体系。一般来讲，即使局部更新一个已经工业化的催化剂也需要35年的时间，而且需要耗费大量的资金和人力。开发工作的每一步都要仔细考虑经济因素。,2020/5/19,21,3.催化剂开发中的实验室工作,实验室工作包括几个部分：（1）资料准备（2）催化剂参考样品的剖析（3）配方筛选,2020/5/19,22,资料准备,通过查阅文献做以下几项工作:1、待开发催化剂及其相关的工艺过程的历史及其现状2、课题的由来和意义3、技术路线的选择4、技术上的先进性和可行性5、经济上的合理性,2020/5/19,23,样品剖析,ICI46-1催化剂的剖析（剖析结果）（1）外观（2）物理性质（3）催化剂的元素组成分析（4）催化剂中某些元素的分布（5）催化剂物相组成的测定,2020/5/19,24,（6）催化剂的差热谱图（7）催化剂可还原性的考察（8）催化剂中活性组分镍晶粒大小和吸附氢气的测定（9）催化剂热稳定性的考察（10）催化剂的活性和抗碳性能的考察推断:高岭土、氧化铝、氧化镁为载体；氧化钙为助剂；镍为活性组分；铝酸钙水泥为粘结剂；高温处理,2020/5/19,25,二、催化剂制备方法,沉淀1.单组分沉淀法沉淀剂与一种待沉淀组分溶液作用以制备单一组分沉淀物2.多组分共沉淀法将催化剂所需的两种或两种以上组分同时沉淀的一种方法3.均匀沉淀待沉淀溶液与沉淀剂母体混合均匀，调节反应条件（温度、PH值等）使体系逐步生成沉淀剂，使沉淀进行，得到均匀纯净固体。,2020/5/19,26,浸渍将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂组分）的可溶性化合物溶液中，而后除去过剩溶液，再经干燥、焙烧和活化即可离子交换法1、无机离子交换剂制备（分子筛）2、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）,2020/5/19,27,共混法,2020/5/19,28,2020/5/19,29,三、催化剂评价方法,微反检测,2020/5/19,30,微反活性测试装置,2020/5/19,31,第四节反应动力学研究方法简介（P86-92）,2020/5/19,32,动力学研究的目的和作用,目的：为研究的催化剂提供数学模型，使之能够在较大的范围内更有把握地、更准确地反映温度、空速、压力等参数对反应速率、转化率和选择性的影响规律。作用：为催化剂设计以及催化剂反应器的设计提供科学依据。,2020/5/19,33,多相催化机理,对于多相催化反应，以化学物种与催化剂的接触开始，需要经历一系列的物理和化学基本步骤。称这些步骤序列为“历程”，而包括吸附、脱附、物理传输和化学变化步骤在内的序列关系称为机理。,2020/5/19,34,动力学实验方法,动力学实验内容：主要是测取不同温度和反应物浓度条件下的反应速率，由此确定反应活化能、反应级数和频率因子等动力学参数。,测试方法：可以在间歇操作的反应器内进行，也可以在连续操作的反应器内进行。,不论哪种方法，都不能直接测出反应速率；而必须通过测试数据计算方能求得。,2020/5/19,35,反应器,1.间歇反应器2.连续反应器3.脉冲式反应器,2020/5/19,36,1.间歇反应器,特点：,反应速率随时间而相应下降,温度、浓度均匀,2020/5/19,37,1.间歇反应器（续）,测定的数据：适用的物料体系：,时间与浓度的关系（tC）,液相反应系统慢反应,2020/5/19,38,1.间歇反应器（续）,优点：缺点：,试验方法简便，测试所消耗的物料量很少。,数据处理较为繁琐，且准确程度较差。,图解微分积分,How？,2020/5/19,39,2.连续反应器,积分微分无梯度,催化剂装填量,2020/5/19,40,积分反应器,特点：适用反应体系：,催化剂床层高度大于反应器内径2倍以上。,催化剂装填量大，反应转化率较大；一般x25%,连续多相催化快反应,床层各个截面上，反应物的浓度不同，出口测定的反应的转化率反应的积分结果。,2020/5/19,41,积分反应器（续）,试验数据:反应速率：,2020/5/19,42,2020/5/19,43,优点：缺点：,设备结构简单，对分析仪器要求不高,试验与工业生产过程相近,不易恒温，存在温度梯度。数据处理有一定难度，误差较大,2020/5/19,44,2020/5/19,45,微分反应器,特点：,催化剂的填充量少（常在1g以下）,高空速进料，控制很低的反应转化率。,2020/5/19,46,微分反应器,测定数据：反应速率：,进出口转化率,2020/5/19,47,微分反应器,优点：缺点：,能直接给出反应速率，数据处理简单；催化剂床层容易维持等温,分析的精度要求高，配料困难。如果催化剂床层内出现沟流，则对反应过程的影响很大。,怎样配料？,2020/5/19,48,2020/5/19,49,无梯度反应器,特点：,理想混合反应器,特点？,能直接测出反应速率；无配料的困难；无需控制很小的进、出口转化率之差，测试手段也容易解决。,2020/5/19,50,无梯度反应器,测定数据：反应速率：,进出口转化率,2020/5/19,51,2020/5/19,52,2020/5/19,53,脉冲反应器,简称“微反”。是用一台气相色谱仪与一个微型管式反应器串联。,2020/5/19,54,2020/5/19,55,动力学实验的流程和方法,流程与方法,动力学实验与催化剂评价实验在设备、装置和流程一般是基本相同的，但做评价实验时，改变催化剂而不改变条件，做动力学实验则不改变催化剂,2020/5/19,56,本征、宏观动力学,只有在排除了内外扩散因素影响的前提下，才能评价催化剂的本征活性和研究催化剂的本征动力学。,机理、数模,宏观工业生产实际,2020/5/19,57,第五节标准样品及分析方法,一、标准样品二、分析方法和产品标准,2020/5/19,58,一、标准样品,购买自制标准样品提纯的方法：,意义：定性研究反应过程、定量计算、各种评价,分析纯、色谱纯,合成、表征,精馏、结晶、色谱（闪柱色谱和薄层色谱）,2020/5/19,59,二、分析方法和产品标准,产品标准：,是具体产品应达到的规格指标，而这种规格指标又是按一定分析方法制定的。,产品的标准由开发单位提出，完善认定后形成企业、部门、国家标准。,已有产品可收集权威标准如美国ASTM、德国DIN,2020/5/19,60,分析方法：,首先要准确，还要快速、简单、实用（气谱、液谱、紫外）。,包括产品、中间体,2020/5/19,61,第六节化工单元过程和化工单元操作试验,意义：,对认识过程规律、设备选型，能提出最直接的依据。,反应过程与分离新技术,2020/5/19,62,MTBE催化精馏技术的开发,工艺概况：C4馏分中的异丁烯与甲醇反应生成甲基叔丁基醚。,可以实现C4中正丁烯与异丁烯的分离,2020/5/19,63,反应、精馏分别进行,2020