固定床乙醇反应脱水

实验四固定床乙醇脱水反应实验研究一、实验目的

1.

掌握乙醇脱水实验的反应过程和反应机理、特点，了解针对不同目的产物的反应条件对正、副反应的影响规律和生成的过程。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，掌握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.

学习动态控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小，怎样控制床层温度分布。

4.

学习气体在线分析的方法和定性、定量分析，学习如何手动进样分析液体成分。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。

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、

实验原理

乙醇脱水生成乙烯，是一个吸热、分子数增不变的可逆反应。提高反应温度、降低反应压力，都能提高反应转化率。乙醇脱水可生成乙烯和乙醚，但高温有利于乙烯的生在，较低温度时主要生成乙醚。乙醇在催化剂存在下受热发生脱水反应，既可分子内脱水生成乙烯，也可分子间脱水生成乙醚。现有的研究报道认为，乙醇分子内脱水可看成单分子的消去反应，分子间脱水一般认为是双分子的亲核取代反应，这也是两种相互竞争的反应过程，具体反应式如下：

C2H5OH

→

C2H4

+

H2O

(1)C2H5OH

→

C2H5OC2H5

+H2O

(2)目前，在工业生产方面，乙醚绝大多数是由乙醇在浓硫酸液相作用下直接脱水制得。但生产设备会受到严重腐蚀，而且排出的废酸会造成严重的环境污染。因此，研究开发可以取代硫酸的新型催化体系已成为当代化工生产中普遍关注的问题。目前，在这方面的探索性研究已逐渐引起人们的注意，大多致力于固体酸催化剂的开发，主要集中在分子筛上，特别是ZSM-5分子筛。

研究发现，通过对反应热力学函数的计算分析可了解到乙醇脱水制乙烯、制乙醚是热效应相反的两个过程，升高温度有利于脱水制乙烯（吸热反应），而降低温度对脱水制乙醚更为有利（微放热反应），所以要使反应向要求的方向进行，必须要选择相适应的反应温度区域，另外还应该考虑动力学因素的影响。

本实验采用ZSM－5分子筛为催化剂，在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究，反应产物随着反应温度的不同，可以生成乙烯和乙醚。温度越高，越容易生成乙烯，温度越低越容易生成乙醚。实验中，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，可以得到反应温度下的最佳工艺条件和动力学方程，反应机理如下：

主反应：C2H5OH

→

C2H4

+

H2O

(1)

副反应：C2H5OH

→

C2H5OC2H5

+H2O

(2)

在实验中，由于两个反应生成的产物乙醚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。

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。三、实验流程及仪器设备

乙醇脱水固反应器，气相色谱及计算机数据采集和处理系统，精密微量液体泵，蠕动泵。

ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，蒸馏水。

1、原料无水乙醇；

2、乙醇进料泵；

3、湿式流量计；

4、催化剂床层温度

控制显示仪表；5、预热器加热温度控制显示仪表；

6、反应器加热温度控制

显示仪表；7、反应器；

8、产物空气冷却器；

9、产物气液分离器；10、ZSM－5分子筛催化剂；11、样品采出阀图1

实验装置流程图六、实验数据处理及作图1.计算乙醇相对校正因子：两次标准色谱结果峰面积比例：A水1=39.34%A醇1=60.66%A水2=39.58%A醇2=60.42%根据标准溶液的配比及公式ωi36.97%=36.97%=其中f解方程得到f醇1乙醇相对校正因子为f表5质量相对因子校正表物质水乙醇乙醚质量相对校正因子1.001.111.052.不同流速下组分的质量分数（以0.90ml/min流速为例）：先求取峰面积比例平均值A水=23.38%，A醇=59.69%，A醚=16.93%根据公式ωω水=1.00×23.381.00×23.38+1.11×59.69+1.05×16.93ω表6样品各组分质量分数表进样速率ml/min组分峰面积比例/%质量分数12平均值0.6水28.4752.8352.8329.2328.850.270乙醇52.8352.2552.540.547乙醚18.718.5218.610.1830.9水23.2423.5123.380.218乙醇59.5459.8559.690.617乙醚17.2216.6416.930.1651.2水18.8519.5119.180.178乙醇62.1861.6861.930.638乙醚18.9718.8118.890.1843.乙烯的收率，乙醇的转化率，副产物乙醚的收率（以0.90ml/min流速为例）表7各物质物性参数物质密度/g/mL摩尔质量/g/mol水0.998218.02乙醇0.78946.07乙醚0.713574.12乙醇体积含量为95%，进料30min则流速为0.90ml/min时，进料量为n湿式流量计测得产物乙烯体积为V乙烯物质的量为n根据上面算出的质量分数，可以算出流出液中各组分含量nnn乙醇转化率为X乙烯收率Y乙醚收率Y乙烯选择性S=各流速进料结果如下表表8进料流量变化与转化率、收率、选择性关系表进料流速ml/min乙醇转化率乙烯收率乙醚收率乙烯选择性0.60.5320.2210.1950.4160.90.4060.1580.1980.3901.20.3230.1090.2430.338七.实验结果讨论：讨论原料乙醇的转化率，产物乙烯收率，副产物乙醚含量，乙烯的选择性等参数随进料速率变化的规律，并作上图表示。

随进料流速增加，乙醇转化率、乙烯收率和乙烯选择性下降；而副产物乙醚收率则上升。随着流速增加，单位时间单位体积催化剂处理的气体量增加，因为催化剂处理量有限，不能完全催化进料，导致随进料量增加，乙醇转化率不断降低。乙醇分子内脱水与分子间脱水两个反应相互竞争。在进料流率较低的情况下，乙醇分压较低，容易发生单分子反应，此时以主反应即乙醇脱水反应为主。随着进料流量的增加，反应器内乙醇分压上升，此时乙醇分子间反应加剧，导致乙烯收率和选择性下降，乙醚含量上升。八、思考题1、

改变哪些实验条件，可以提高乙醇的反应转化率？

答：改变反应温度，反应空速及进料乙醇的浓度、流量、反应压力、工艺过程、催化剂的选择等条件，能达到提高乙醇反应转化率的要求。

2、怎样使反应的平衡向有利于产物乙烯生成的方向发展？

答：可以通过提高温度和筛选最优催化剂种类来使平衡向有利于乙烯生成的方向发展。

3、试论述釜式和管式反应器合成乙烯的区别？两者各有什么优点？

答：管式反应器合成乙烯是平推流，而釜式反应器合成乙烯是全混流。管式反应器的优点是从热力学角度而言的，合成乙烯是吸热反应，管式反应器储热能力更高；釜式反应器的优点是反应物在其中停留时间更长，有利于反应更彻底

4、结合本实验的内容，叙述怎样确定最适宜的分析条件？

答：柱箱温度是一个重要的操作参数，它能直接影响分离效能和分析速度。提高柱温可以加快传质，缩短分析时间，提高柱效；降低柱温可以使色谱柱选择性增大，有利于组分的分离和色谱柱稳定性的提高。实际工作中，试样的沸点是选择柱温的主要依据，选择柱温时应考虑混合物的沸点范围，固定液的配比和鉴定器的灵敏度等，采用等于或高于数十度于样品的平均沸点的柱温较为合适，对易挥发样用低柱温，不易挥发的样品采用高柱温。

5、怎样对液体产物进行定性和定量分析？

答：根据色谱图中各组分色谱峰的出峰时间，可进行定性分析；根据峰面积或峰高，可进行定量分析。

6、怎样对整个反应过程进行物料恒算？应该注意哪些问题？

答：根据反应方程式，利用求出的乙烯和乙醚的质量可以算出反应所需的乙醇的总量，利用下面表达式对乙醇进行物料恒算：

液体产物中乙醇质量

+

生成反应物消耗的乙醇质量

-

乙醇进量

若上式等于零，则表明物料守恒。

要进行物料衡算应该注意下述条件：1）保证反应过程应达到稳态。这可以根据设备仪表的读数是否稳定在目标温度确定；

2）确保色谱读数可靠。实验中，通过完成两次色谱测定，只有当两次色谱结果相对误差不超过1%，才能确保色谱操作可信。

3）确保每次称量液体产品前，都要对三角锥瓶进行称重，不能以第一次结果进行测量。因为每次实验都要对容器进行彻底地清洗。

4）最好保证实验的时间控制精确到秒。这是因为乙醇进量是根据流量乘以时间求出，相差几十秒对实验衡算结果影响也是不小的。

7、实验中，哪些简化的处理方法可能造成实验误差？应怎样进一步改进？

答：在实验