化工专业实验

1、实验题目/乙苯催化脱氢制苯乙烯XT；I /乙醇脱水动力学实验/反应精憎制乙酸乙酯I /co中低温串联变换反应聊城大学化工专业实验讲义鬥聊城大学化工专业实验2015-03-20乙苯催化脱氢制苯乙烯K常温下，有辛辣味无色油状液体2、熔点242.5K,沸点41&2K(145C)4.毒性中等，空气中最大允许浓度100mg/kg+丁二烯Styrene自聚聚苯乙烯树脂(PS)+丙烯膳AN E 丙苯树脂(AS树脂)共聚丁和胶+丁二烯 +AN共聚 ABS塑料乙苯催化脱氢基本原理AH0 = 117.SkJ-mol-1乙苯脱氢是可逆强吸热反应，平衡常数随温度的升高而增大，而平衡产率则随压力的降低而升高。高温、低压

2、有助于脱氢反应的进行减压：高温下进行负压操作不安全，加入惰性气体（稀释剂，一般用水蒸气）实现降低原料气分压的目的。副反应+ 2H2乙苯脱氢反应产 物称为脱氢液， 也称炉油，其组 成为：苯、甲苯、 乙苯、苯乙烯。8CO2 + 21H2IO乙苯脱氢主副反应平衡常数比较在70(rc下，加氢裂解的 平衡常数Kp仍很大，故裂 解和加氢裂解反应比脱氢 反应有利，需高活性、高 选择性催化剂。乙苯脱氢反应二Cr2O3提高审&稳定性,k2o一-改变催彳匕剂表面百氧化铁系催化剂：Fe2O3-K2O-Cr2O3三、乙苯脱氢催化剂对催化剂具有良1! 此外催Fe3O 活性组? _ 水熬比的h2卜稳定催化剂的价态抗结焦生

3、炭在有氢和水蒸气存在下，氧化铁体系Fe 价态复杂，其中Fe3（）4可能起催化作用， 氏可使高价铁还原为低价铁，而水蒸气 的存在有助于阻止低价铁的出现。乙苯脱氢工艺条件温度的影响压力的影响为降低乙苯分压，采用添加稀释剂（如水蒸气）水蒸气用量的影响V（水蒸气）/V（乙苯）=2:1乙苯液空速的影响适宜的液空速06 h1本实验温度:560620C主反应: 副反应：裂解、结焦，Tf ,有利于副反应，反应选择性变差液空速小，在催化剂床层停留时间长，xt, sj；催化剂表面结焦增加, 催化剂再生周期短；液空速大，xj, st,未反应原料回收量大，水蒸气消耗量大。实验目的: 了解以乙苯为原料在铁系催化剂上进行

4、固定床制备苯乙烯的过程。!:掌握乙苯脱氢操作条件对产物收率的影响。=/培养大家的实验操作技能。| :掌握色谱分析方法。IV-实验装置图1实验装置流程图1乙苯计屋汽2加料泵3水计量管4一加料泵5 一温度显示仪6.管式电炉7.管式反应器8温度控制器9.冷凝器10气液分离器11.冷液器12.湿式流最计卜9L三脚架；2丝网；3玻璃纤维；4催化剂；5测量套管；6螺帽；7热电偶图2不锈钢管反应管实验步骤和操作要点熟悉实验装置及流程，弄清物料走向及加料-出料方法，打开冷凝水。II.将预热室温度控制设定在2009,反应管上段、中段、下段温度控制设定为5609。“放空”状态下排尽气泡后，调节旋钮至“预热”,再将

5、流量调至2mVmin,使水经III.待反应管温度达到3009后，打开泵1进物料水,预热室进入反应管。IV当反应管温度到达400C后，打开泵2进物料乙苯，同样“放空”状态下排尽气泡后，调节旋钮至“预热”,再将流量调至lmVmin,使乙苯进入反应管。IIIV. 当反应管温度达到560C并保持lh后，认为在该条件下的反应已达到 稳定状态，此时要记录气体湿式流量计刻度，并将冷凝管中的积液 全部移岀。20miii后再次记录气体湿式流量计刻度，并用分液漏斗 收集冷凝管中的产品，粗产品取岀后静置分层。称出油状液体质量。 取少量样品进行气相色谱分析样品组成oVI. 逐次升高反应管温度为590C (620C),

6、重复步骤V,记录相关数据。VII反应结束后，关闭泵2,停止进乙苯原料。VIII.维持通入水蒸气，进行催化剂的清焦再生，待反应管温度降至300C 以下时，关闭泵1停止加水，可切断电源和冷却水。注意事项:使用泵进料时，须先在“放空”状态下排尽气泡后，方可调节旋钮至“预热”开始进料。/水进样流量为2ml/min,乙苯进样流量为Iml/min,实验过程中须经常调节。III每个反应温度均需保持lh后,才能认为在该条件下的反应已达到稳定平衡状态，以20min内该条件下的乙苯催化脱氢反应，进行 物料衡算及相关数据分析。/反应结束后，保持水蒸气的继续通入，进行催化剂的清焦再生,待反应管温度降至300C以下时，

7、方可停止泵1（水蒸气）。/色谱分析样品采用校正面积归一法。实验数据处鰹数据记录每个反应温度:气体湿式流量计读数（前后共两次）20min内所得产品质量及组成o脱氢温 度/9气体湿式流量 计读数/L乙苯 质量愆产品 质量愆产品组分Area%W%各组分 质量愆苯甲苯乙苯苯乙烯乙苯密度：0.867g/ml乙苯转化率=原料中乙苯量一产物中乙苯量原料中乙苯量xlOO%苯乙烯选择性話囂鸳菁爲曲苯乙烯的收率二转化率X选择性表1各物质的相对校正因子相对质量校正因子馆 1.000斥铲0.8539/乙苯=1006/苯乙烯=132实验题目/乙苯催化脱氢制苯乙烯XT；I /乙醇脱水动力学实验(|/反应精憎制乙酸乙酯I

8、/co中低温串联变换反应乙醇脱水动力学实验乙醇脱水属于平等反应。既可以进行分子内脱水成乙烯,又可以分子间脱水生成乙醞。_般而言,较高的温度 有利于生成乙烯，而较低的温度则有利于生成乙醸。较低温度：2C2H5OH -c2h5oc2h5+h2o圏i固体酸催化乙醇脱水反应机理F 讷 1 M eehan ijn f e tJ ijin o 1 deh yxlrat ion caiaty-zed. by so l idiri s本实验采用催化剂，在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究，通过改变反应的进料速度，可以得到不同反应条件下的实验数据,通过对气体和液体产物的分析，可以得到在一定反应温度条件下的反应最

9、佳工艺条件和动力学方程。*在实验中，由于两个反应生成的产物乙醴和水留在 了液体冷凝液中，而气体产物乙烯是挥发气体，进入 尾气湿式流量计计量总体积后排出。A.BOPOOT研究了在Ab上乙醇脱水的动力学， 导出了一级反应速度方程式:V。In 亠二 a+0vy1-y其中：乙醇的加料速度(毫克分子/分)J乙醇转化率(%)实验目的所学的有关动力学方面的知识:巩固I:掌握获得的反应动力学数据的方法和手段i :学会动力学数据的处理方法，根据动力学方程求出相应的参数值i :熟悉内循环式无梯度反应器的特点以及其它有关设备的使用方法实验装置与试剂BK-调节阀：JT-三通阀;TIC-扌空温；TI-测温：FI-床力计

10、；V-截止阀:1-气休钢瓶；2稳压阀 3-干燥器；4-过滤器：5-质量流量计:6-缓冲器;7预热器；8-预热炉；9-反应器；10-反应炉；-马达；12-六通阀；13-冷阱；14-保温瓶；15-湿式流量计：16-加料泵实验装置V本实验装置由三部分构成。V第一部分是由微量进料泵、预热室组成的系统。V第二部分是反应系统。它是由一台内循环式无梯度反应器, 温度控制器和显示仪表组成。V第三部分是取样和分析系统。包括取样六通阀，产品收集 器和在线气相色谱。实验试剂V无水乙醇v催化剂：HZSM-5分子筛实验工艺流程和步骤原料乙醇柱塞计量泵预热器固定床反应器气相色谱仪图2乙醇脱水工艺流程Fig.2 Flow

11、chart of dehydration of ethanol开车1打开巧钢瓶，调整色谱仪的柱前压力至0.12MPa （减压阀0.3MPa）。确认色谱检测器有载气通过后启动色谱仪。设定柱箱温度为100C,气化室温度为120C,检测室温度为120C,待III温度稳定后，打开热导池_微电流放大器的开关，并调整桥电流 至 100mA。2在色谱仪升温同时，打开各温度控制器的电源开关；设置预热 器控温为150C保温带1209、阀恒温箱1209、反应器控温为 预定温度，以上温控可通过电脑工作界面进行，亦可通过调节相 应温控表进行。3.打开反应器夹套冷却水阀门，打开搅拌器电源开关，设置转速 2000-280

12、0rpmo打开阀恒温箱加热器开关，使之升温到1209。管路也保温在120 9。4待温度稳定后，打开微量进料泵，以预定流量向汽化器内通入原料乙醇。5.稳定20miii后，用阀箱内的旋转六通阀取样分析反应产物的组成，并记录色谱数据；记录尾气流量。III6在280310C之间选择三到四个温度，在各温度下改变三次乙醇的进料速度(0.20.6ml/min),测定出在不同条件下的数据。停车1关闭加料泵,停止进料;2关闭温度控制器电源和预热器电源;III3.将调速旋钮调至零，关闭电源，停止搅拌，待反应器温度 降至20(rc以下，停止通冷却水；4 关闭总电源；5整理设备，倒掉收集瓶内的反应物。实验数据处鰹FM

13、li原始数据记录乙醇进料反应 温度Ar 亡 a_%乙烯水乙醇速度(mLmin)W%乙醛乙烯水乙醇乙醛表1各物质的相对校正因子相对质量校正因子/乙烯=2.08倂3.03/乙戶39“091乙醇的转化率=反应掉的乙醇摩尔数/原料中乙醇的摩尔=（X乙烯+2 x X乙髓）/ （X乙烯+2 X X乙瞇+X乙肆）乙醇的收率二生成乙烯的摩尔数/原料中乙醇的摩尔数二X乙烯/（X乙烯+2XX+X乙醇） 乙醇的进料速度二乙醇液的体积流量X0.7893 （乙醇的密度）/46.07 （乙醇的分子量） 乙烯的生成速度二（乙醇进料速度X乙烯的收率）/催化剂用量（g） （mol/g.h）反应器内乙醇的浓度:Ca=Pa/RT

14、（mol/1）式中Pa为乙醇的分压；反应的总压为0.1Mpao所以可将反应器内的混合气视为理想气体。生成乙烯的反应步骤的速率常数K可以通过下式求出,K =r/ CA计算同温度下不同流量下的K的平均值，并以K平均取对数lnK,将lnK对1/T作图，即可 求出K。和该直线的斜率，由阿累尼乌斯方程K=Koexp（-E/RT）,可知斜率=E/R,至此即 可求出E。数据分析记录序号设定温度(T/X)1/T乙醇转化率乙烯收率乙烯生咸速率KLnK128022903300431思考题1、无梯度反应器测定测定化学反应动力学的优缺点？2、分别画出乙醇进料温度（速度）与乙醇的收率曲线，并 对这两类曲线所反应的规律进

15、行解释？实验题目/乙苯催化脱氢制苯乙烯XT；I /超过滤膜分离/反应精憎制乙酸乙酯I /co中低温串联变换反应反应精馆制乙酸乙酯实验原理反应精憾(Reactive Distillation)属于精憾技术中的一个特殊领域，是化学反应和精憾分离方法耦合的化工过程。精憎促进反应可逆平衡反应利用精憾过程把产物和原料分离，破坏了化学反应的平衡关系， 使反应总是向生成物方向进行，加大了反应的转化率和反应速度；将 目的产物从反应区及时移出，还可以减少副反应，提高了过程的收率。反应促进精馆 异构体混合物分离在待分离的混合物溶液中加入反应夹带剂，使其有选择地与溶液中的某一组分发生快速可逆反应，以加大组分间的挥发

16、度差异，从而 能容易地用精憾方法将混合物分离O醇酸酯化反应一ffi化反应精馆CH3COOH + c2h3oh 庄 ch3cooc2h3+h2o催化剂：浓H2SO4催化作用不受塔内温度限制，全塔内都能进行催化反应纯组分在常压下的沸点：乙醇：78.4 C 乙酸：乙酸乙酯：75-77.5C塔釜进料间歇和连续式操作 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。塔中进料连续式操作在塔上部某处加带有催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。釜沸腾状 态下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，塔体内有4组分。由于乙酸在气相中有 缔合作用

17、，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。实验装置和试剂DI 1.反应精憾装置（回流比分配器）2.气相色谱仪电子天平（校正面积归一法分析取样组成）3试剂：乙醇、乙酸、浓硫酸1 塔顶冷凝器；2塔身;3塔釜；4、5进料泵实验步骤和操作要点I. 将乙醇、乙酸各200g,浓硫酸2g滴加入塔釜内，开启釜热系统。溶 液沸腾时，开启塔身保温电源。待塔顶有蒸气上升时，开启冷凝水。II. 当塔顶摆锤上有液体岀现时，进行全回流操作。15分钟后，设定回 流比为4: 1,开启回流比控制电源。III. 15分钟后，用注射器

18、在塔顶、塔中和塔釜同步取样。IV. 分别将0.8J1L样品注入色谱分析仪，记录结果。V. 重复3、4步操作，即45分钟时再从塔顶和塔中取样分析。VI. 关闭塔釜及塔身加热电源，对憾出液、釜残液进行称重和色谱分析（当持液全部流至塔釜后才取釜残液）,关闭总电源和冷凝水。操作流程原料称重200g乙醇釜热200g乙酸2g浓硫酸溶液沸腾蒸汽上达塔顶开冷凝水15min30min 时 I5min15min 塔顶塔中回流比4:1 OV 10min -90V 10min-100V 10min10min)3. 色谱分析。:取样要同步 :称取釜残液的质量时，必须等到持液全部流至塔釜后才取釜残液。:校正面积归一法实验

19、数据处理相对质量校正因子/水=74/醇=100/酸=1.27/酯T15X.-4ZZ4Z由于乙醇过量，可根据下式计算反应转化率和收率:转化率=乙酸加料量一釜残液乙酸量/乙酸加料量 收率二生成乙酸乙酯量/乙酸加料量物料衡算原料（乙醇）二塔釜残液中的乙醇+塔顶憎出液中的乙醇+生成乙酸乙酯消耗的乙醇原料（乙酸）二塔釜残液中的乙酸+生成乙酸乙酯消耗的乙酸思考题Ans：乙醇与乙酸反应生成乙酸乙酯的反应受平衡影响，转化率只能维护在 平衡转化的水平；但是，因所生成的乙酸乙酯沸点较低则精憎过程可使其 连续的从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。/反应精憎与一般精憎的区别?Ans： 一般精憎只有物理相

20、变；反应精憎既有物理相变的传递现象，又有化 学相变的传递现象。/根据各组分沸点，推测间歇操作中塔釜和塔体各有几种组分?Ans：因为塔釜进料时，由于乙酸的沸点较高，不能进入塔体，故塔釜：水、乙醇、乙酸乙酯、乙酸四种组分, 塔体：水、乙醇、乙酸乙酯三种组分。/不同回流比对塔顶冷凝负荷及产物纯度有何影响？Ans；回流比增大，塔顶冷凝负荷增大，产品纯度增加，但当回流比过大时, 传质推动力减小，理论塔板数增大，需要的投资增加。/塔釜温度过高或过低会对实验有何影响?Ans：温度过高蒸发量大，易造成液泛；温度过低蒸发量少，会很长时间还没有蒸汽上升到塔头内时，没有帼出物。/保温段加热电流过大会对实验有什么影响

21、?Ans：过大会造成过热，使加热膜受到损坏，另外，还会造成因塔壁过热而变成加热器，回流液体不能与上升蒸汽进行气液相平衡的物质传递，反而会降低塔的效率。/在同一时刻，乙酸乙酯的含量随塔身有何变化? Ans：乙酸乙酯的含量从塔釜至塔顶逐渐增大。/在塔身的同一位置，乙酸乙酯的含量随时间的延长有何变化?Ans：若反应时间较短，尚未达到平衡转化率，则乙酸乙酯的含量逐渐增 加；但随着时间的延长，塔釜内乙醇与乙酸的含量逐渐减少，所以乙酸乙酯的含量也随之降低。实验题目I /乙苯催化脱氢制苯乙烯A I /乙醇脱水动力学实验7=/反应精憎制乙酸乙酯I /CO中低温串联变换反应co中-低温串联变换反应CO水蒸气变换

22、反应，简称co变换反应。CO+H2O催璽 CO2+H2+41.19 kJ/molReason：若不脱除CQ,在合成氨系统，当温度达3009时，铁催化 剂存在下，能和H2反应生成甲烷和水，造成惰性气体增加，对合成 反应不利，会使合成催化剂中毒。Result：将原料气中的CO变成转化气N2, H2, CO, CO2, H2O(g)变换气cow 0.5% N2, H2i CO, CO2f H2O(g)变 换CO?和H2。II?是合成氨需要的原 料气，CO2在后面的脱碳和甲烷 化两个工序中除去,作为生产尿co变换的副反应co + h2= c + h2o2CO = C + CO2烷化:CO + 3H2=

23、CH4+H2O4H2 + CO2=CH4+2H2OI. CO歧化积碳 2、甲烷化消耗H2co变换反应的化学平衡co+h2o催璽岭反应1可逆2、放热3、等体积CO2+H2+41.19kJ/mol温度水碳比气体组成卩82 PH2 =C02 Vh2PCO PH2O JCO H204、催化剂参与IgK厂21830.0963 lllgT + 0.632 x 10*1.08 x W7 T2 2.298u.高温加快反应速度厂IIIIIIIIIIIIIIIIIV / I IIIIII低温可降低平衡一氧化碳含量热力学的影响1动力学的影响JA =最佳操作温度水碳比原料气中H2O/CO的物质的量增加水蒸气用量，既有

24、利于提高co的变换率又有利 于提高变换反应速度*同时抑制副反应。但水碳比过 高，能耗增加* co浓度降低及接触时间减少。实际生产中水碳比控制在57左右。|/ Z/|/ /co变换催化剂铁辂系V铜锌系F 勺36232。（）3CuO-ZnO-Al2O3Co-lVIo-AO高（中）温变换催化剂低温变换催化剂耐硫变换催化剂本实验就是通过选定某种催化剂，例 如B205型，改变原料气与水蒸汽的比例 （汽气比八改变反应温度测定反应后 气体组成（一氧化碳的浓度），了解和 验证汽气比以及反应温度对变换反应的 影响。1010V 4111-冈瓶；2-净化器；口:急压器；4-:惋里计；d-混合盎；4脱氧槽；7-饱和器

25、；反应器：4熱电偶：10-分离器.；11-气相色谱仪实验步骤和操作要点开车1）检查系统是否处于正常状态（中变尾气阀门关闭、低变尾气阀门打开；N2 CO稳压阀门打开，比、CO2稳压阀门关闭）；2）接通电源，设定保温带控温为120C.预热器控温为150C, 开启加热；设定饱和器控温至预定温度，开启加热；设定中变、 低变反应器加热炉控温程序，开启加热，开启搅拌（转速 420rpm左右）；3）待中变、低变反应器床层温度升至150C时（观察温度巡检表 对应值），打开冷却水，开氮气钢瓶总阀（减压阀0.2-0.3MPa）, 通过微调阀调节流量为20mL/min;4）待中、低变反应器、水饱和器温度（观察温度巡检表对应 值）到达实验条件后，关闭氮气钢瓶总阀、减压阀，关闭氮 气流量微调阀。开启CO钢瓶总阀（减压阀0.2-0.3MPa）,通