實驗3乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應(yīng)速率的測定題庫

1、驗三簡易內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)（乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應(yīng)速率的測定）驗目的.鞏固所學有關(guān)反應(yīng)動力學方面的知識。掌握測取宏觀反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)的手段和方法。學會實驗數(shù)據(jù)的處理方法，并能根據(jù)動力學方程求出相關(guān)的動力學參數(shù)值。.了解內(nèi)循環(huán)式無梯度反應(yīng)器的特點及其使用方法。驗原理反學動力學描述了化學反應(yīng)速率與各種因素如濃度、溫度、壓力、催化劑等之間的定量關(guān)系。動力學在反應(yīng)過程開發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計過要的作用。它也是反應(yīng)工程學科的重要組成部分。氣固相催化反應(yīng)是一個多步驟的反應(yīng)，它包括以下七個步驟:反應(yīng)物分子由氣流主體向催化劑的外表面擴散（外擴散）；反應(yīng)物分子由催化劑外表面向催化劑微孔內(nèi)表面擴散（內(nèi)擴散）；反應(yīng)物分子在

2、催化劑微孔內(nèi)表面上被吸附（表面吸附）；吸附的反應(yīng)物分子在催化劑的表面上發(fā)生化學反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物分子（表面反應(yīng)）；產(chǎn)物分子從催化劑的內(nèi)表面上脫附下來（表面脫附）；脫附下來的產(chǎn)物分子從微孔內(nèi)表面向催化劑外表面擴散（內(nèi)擴散）；產(chǎn)物分子從催化劑的外表面向氣流主體擴散。這七個步驟可分為物理過程和化學過程。其中步驟1、2、6、7為物理擴散過程，步驟3、4、5為化學過程。在化學過程中，步驟3、為化學吸附和化學脫附過程，步驟4為表面化學反應(yīng)過程。整個反應(yīng)的總速率取決于這7個步驟中阻力最大的一步，該步驟稱為反步驟。如果步驟1或7為控制步驟，稱反應(yīng)為外擴散控制反應(yīng)；如果步驟2或6為控制步驟，稱反應(yīng)為內(nèi)擴散控制反應(yīng)

3、；如果步驟任何一步為控制步驟，稱反應(yīng)過程為反應(yīng)控制或動力學控制。在考慮以上所有步驟的影響的反應(yīng)速率為為宏觀反應(yīng)速率，在消除了括熱量傳遞和質(zhì)量傳遞）的影響的理想情況下，測得的化學反應(yīng)的反應(yīng)速率為相應(yīng)反應(yīng)的本征反應(yīng)速率。在實際反應(yīng)過程中，由于固體催化劑一般都具有很大的內(nèi)表面，反應(yīng)物質(zhì)通過擴散達到催化劑內(nèi)部的不同深度進行反應(yīng)，因而導致常梯度和溫度梯度，而這個濃度梯度和溫度梯度對催化反應(yīng)影響一般很大，因此需要了解催化劑顆粒內(nèi)表面的濃度和溫度梯度，即內(nèi)速率的影響。在消除外擴散的影響的條件下，測出宏觀反應(yīng)速率，再和本征反應(yīng)速率比較，即可得出內(nèi)擴散對總反應(yīng)速率的影響。內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器來測定內(nèi)擴散對總反應(yīng)速

4、率的影響。圖-18-1為實驗室用內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器的示意圖。該反應(yīng)器中催化劑固定不動，采用渦輪攪拌器實現(xiàn)反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流 只有少量的反應(yīng)氣從進口加入補充和少量的反應(yīng)氣從出口離開反應(yīng)器，而有由大量氣體在反應(yīng)器進、出口處循環(huán)流動，并和補充的 通過催化劑床層。當循環(huán)氣流量和原料氣流量之比足夠大時，反應(yīng)氣體的組成在催化劑床層進出口處變化甚微，此時反應(yīng)器內(nèi)就不 ，即可以用反應(yīng)物出口濃度計算反應(yīng)速率。同時通過合理設(shè)計反應(yīng)器的溫度保溫與控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)反應(yīng)器中溫度無梯度。這應(yīng)氣體中濃度和溫度梯度。變?nèi)~化 捌見11 丫I 管1 &圖3-18-1無梯度反應(yīng)器示意圖設(shè)反應(yīng)氣進口流量為qvo,反應(yīng)原料A

5、濃度為CA0；反應(yīng)氣出口流量為qv1，反應(yīng)原料A濃度為ca1，循環(huán)氣體的流量為qc，反應(yīng)器進口處循環(huán)氣剛混合時反應(yīng)原料 A的濃度為CAi,則有:(3qvtCAo + qcCA1= ( qvo+ qc) c Ai比Rd = qc / qvo, 上式可變換為:(3很大時，CAi= ca1，此時反應(yīng)器內(nèi)原料濃度處處相等。一般來說當FC25時，無梯度反應(yīng)器實質(zhì)上是全混流反應(yīng)器，反應(yīng)速率可以簡單(3-1式中，Vr為催化劑床層的體積。當反應(yīng)過程中氣體體積無變化時，上式可寫為:(3因而，在某一反應(yīng)條件下，只要測得進、出氣體的流量和進、出口氣體原料的濃度，就可以反應(yīng)在該條件下的宏觀反應(yīng)速率。按參數(shù)的實驗設(shè)計方

6、法設(shè)計并進行實驗，測得在不同反應(yīng)溫度和濃度條件下的宏觀反應(yīng)速率，通過計算便可求得宏觀動力學方程。本實驗是測定乙醇脫水是制備純凈乙烯的宏觀動力學方程。所用催化劑，該催化劑的優(yōu)點是乙烯收率高，反應(yīng)溫度較低（約300 乙醇脫水屬于平行反應(yīng)，既可以進行分子內(nèi)脫水生成乙烯，又可以進行分子間脫水生成乙醚。一般而言，較高的溫度有得于生成乙烯溫度有利于生成乙醚。因此，對于乙醇脫水這樣一個復合反應(yīng)，隨著反應(yīng)條件的變化，脫水過程的機理也會有所不同。借鑒前人在工作，將乙醇在分子篩催化劑作用下的脫水過程描述成:2C2H5OH?C2H5O(2H5+HbOC2H5OHPC2H4+H2O）你的位置：第三章實驗部分- 實驗十

7、八乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應(yīng)速率的測定（2/2）三、實驗裝置與流程圖3-18-2為實驗流程示意圖。原料乙醇經(jīng)微量進料泵1計量后，進入汽化器 2汽化，然后通過六通閥3進入無梯度反應(yīng)器 5,反應(yīng)氣體離冷凝器7冷凝后放空。通過旋轉(zhuǎn)六通閥 3或4向氣相色譜儀6進樣后，分析出反應(yīng)器進口和出口的氣體的組成。四、實驗步驟開始實驗之前，需熟悉流程中所有設(shè)備、儀器、儀表的性能及使用方法。然后才可按實驗步驟進行實驗。1 .在反應(yīng)器中加入 3.0g粒度為6080目的分子篩催化劑。2 打開Ha鋼瓶高速色譜儀的柱前壓力至0.05MPa。確認色譜檢測器有載氣通過反啟動色譜儀。調(diào)整柱溫到定后，打開熱導池的開關(guān)，并調(diào)整橋電流

8、至150mA3 .在色譜儀升溫的同時，打開閥恒溫箱和管路加熱器開關(guān)，使之升溫到110C。4 .打開反應(yīng)器溫度控制器的電源開頭使反應(yīng)器加熱升溫。同時向反應(yīng)器的冷卻水夾套中通入冷卻水。5.打開微量進料泵，以小流量向汽化器內(nèi)通入原料乙醇。6 .待所有條件穩(wěn)定后，用閥箱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)六通閥取樣分析反應(yīng)產(chǎn)生的組成。7 .在260380弋之間選擇34個溫度，在各個溫度下改變5次乙醇的進料速率，測定出不同條件下的數(shù) 8.停止實驗。9TIC-控溫;TT-熱電偶；PI-壓力計；1-調(diào)壓閥；2-轉(zhuǎn)子流量計；3-干燥器；4-三通閥；5-預熱器；6-預熱爐；7-反應(yīng)器; 8-反應(yīng)爐；9-馬達;10-直管冷凝器;11-氣液分

9、離器；12-取樣器;13-濕式氣體流量計;14-緩沖罐；15-加料泵；16-加料罐平頂山學院 內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)實驗裝置流程示意圖五、數(shù)據(jù)處理3-18-1。實驗過程中，應(yīng)將有用的數(shù)據(jù)及時、準確地記錄下來，所有數(shù)據(jù)記入表表3-18-1數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果表實驗號反應(yīng)溫度C乙醇進料(ml h -1)產(chǎn)物組成（mol%）原料乙醇濃度Ca乙醇轉(zhuǎn)化 率x乙烯收率y反應(yīng)速率r反應(yīng)速率常數(shù)k乙醇水乙醇乙醚計算說明:乙醇的轉(zhuǎn)化率=反應(yīng)掉的乙醇摩爾數(shù)/原料中乙醇地摩爾數(shù) 乙烯的收率=生成乙烯的摩爾數(shù)/原料中乙醇的摩爾數(shù) 乙醇的進料速率=乙醇液的體積流量X 0.7893 （乙醇的密度）/46.07 （乙醇的分子量）乙醇進料速度迄烯收率催化劑用量反應(yīng)器內(nèi)乙醇的濃度:式中，PA為乙醇的分壓，反應(yīng)的總壓為0.1M Pa,可以將反應(yīng)器內(nèi)的混合氣視為理想氣體。k可能通過下式求出:由于脫氫反應(yīng)為一級反應(yīng)，則生成乙烯的反應(yīng)速率的常數(shù)k=r/c A根據(jù)阿累尼烏斯方程k=koexp( E/RT)，將Ink對1/T作圖，即可求出k。和E。在低溫有乙醚生成的情況下，參照上述計算過程，求出乙醇的消耗速率常數(shù)和相應(yīng)的活化能。在此，同樣六、思考題1.用無梯反應(yīng)測定化學反應(yīng)動力學的優(yōu)、缺點是什么?2 .要想證明測定的是本征動力學數(shù)據(jù)，還需要補充哪些驗