實(shí)驗(yàn)八 催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)八 催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x “多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象”是反應(yīng)工程課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解內(nèi)、外擴(kuò)散過(guò)程及其對(duì)反應(yīng)的影響；掌握催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念及其實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法；了解本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理 1苯加氫氣固相催化反應(yīng)方程式 在固體催化劑作用下，苯加氫反應(yīng)方程式為： 此反應(yīng)為單一不可逆放熱反應(yīng)。在氫氣大大過(guò)量情況下可視為擬一級(jí)反應(yīng)。 2內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測(cè)定在外擴(kuò)散影響已消除的基礎(chǔ)上測(cè)定催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于本體系所使用的氫氣大大過(guò)量，因此在實(shí)驗(yàn)溫度、流量范圍內(nèi)，外擴(kuò)散的影響均已消除。本實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)管內(nèi)裝填1

2、028目范圍內(nèi)的粒子(假定為球形顆粒)、質(zhì)量為W(g)的催化劑。在某一床層溫度（如150左右）下，通過(guò)改變苯和氫氣的進(jìn)料流量，測(cè)定相應(yīng)的出口轉(zhuǎn)化率xA，得到xA/FA0曲線。曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對(duì)應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反應(yīng)速率（RA）。對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，宏觀反應(yīng)速率又可寫成： (1)式中： CAGCA0（1xA）所以： (2)由于本征反應(yīng)速率常數(shù)kP值未知，故不能直接由式（2）求出內(nèi)擴(kuò)散有效因子。根據(jù)： (3)式中：為大西勒（Thiele）模數(shù);為球形顆粒一級(jí)反應(yīng)時(shí)的西勒（Thiele）模數(shù)。R為催化劑顆粒半徑、DeA為氣態(tài)苯在催化劑顆粒內(nèi)部的有效擴(kuò)散系數(shù)、（RA）為宏觀反應(yīng)速率、CAG為轉(zhuǎn)化

3、率為xA時(shí)苯的摩爾濃度，均可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，故由式（3）就可直接求出（即）值。而 (4)所以可先假設(shè) 代入式(4) 此時(shí)判斷得到的值是否等于由式（3）求得的值？若不等，重新假設(shè)值，反復(fù)計(jì)算，直到相等。若相等，此時(shí)的值即為所求。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖1、 實(shí)驗(yàn)裝置：該裝置由反應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成：反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)器為管式，不銹鋼材質(zhì)。反應(yīng)管內(nèi)徑：20mm； 長(zhǎng)度：550mm。管內(nèi)有直徑為3mm的不銹鋼管穿過(guò)反應(yīng)管的上下兩端，以便在3mm管內(nèi)插入直徑為1mm的塏裝式熱電偶，通過(guò)上下拉動(dòng)熱電偶可測(cè)出床層內(nèi)不同高度處的反應(yīng)溫度。預(yù)熱器直徑：10mm； 長(zhǎng)度：250mm；加熱功率：0.5kW。反應(yīng)加熱爐采用三段

4、加熱控溫方式，加熱爐直徑：220mm；長(zhǎng)度：550mm；各段加熱功率：1kW。上下段溫度控制靈活，恒溫區(qū)較寬?？販嘏c測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均數(shù)字顯示。2實(shí)驗(yàn)裝置流程圖15氫氣鋼瓶 穩(wěn)壓閥 調(diào)節(jié)閥 苯計(jì)量泵 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 壓力表 預(yù)熱器 床層測(cè)溫?zé)犭娕?反應(yīng)管 催化劑/填料復(fù)合床層 、加熱爐上、中、下三段熱電偶苯儲(chǔ)罐 氣相色譜儀圖1. 實(shí)驗(yàn)流程示意圖四、實(shí)驗(yàn)操作步驟 1準(zhǔn)確稱取2克1028目的催化劑，并量出該催化劑的體積，記為VP mL；再稱取20克相同目數(shù)的瓷粒子，然后均勻混合，并用量筒量取其體積，將其裝入反應(yīng)管中，記錄床層高度和床層位置。再將反應(yīng)器固定在反應(yīng)加熱爐中。通氣體進(jìn)行試漏，直至不漏。 2催化劑活化

5、。催化劑床層溫度以25/h的升溫速率從室溫升到180,控制合適的氫氣流量（300mL/min左右）通入反應(yīng)器。在180恒溫2h,然后以25/h的降溫速率降溫，到50以下時(shí)關(guān)閉氣源和電源。 3計(jì)量泵苯流量的標(biāo)定。（上述三步由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師預(yù)先完成）。 4打開(kāi)氫氣鋼瓶減壓表，開(kāi)啟氣相色譜儀，分析條件為：柱室80，進(jìn)樣器150，橋流150MA,柱前壓力0.15MPa。5. 打開(kāi)氫氣鋼瓶減壓表，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥，控制合適的氫氣流量（400mL/min左右），通入反應(yīng)器，目的是床層溫度升高時(shí)使床層溫度均勻，同時(shí)氫氣又是反應(yīng)原料氣。6開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，設(shè)置好預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別為150、

6、110、140、110左右。7調(diào)節(jié)預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的電流給定旋鈕，預(yù)熱器電流不超過(guò)1A，反應(yīng)器加熱爐上、中、下段不超過(guò)2，電流表有電流指示表明已開(kāi)始加熱。8待預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別達(dá)到所設(shè)定的溫度時(shí)，開(kāi)啟計(jì)量泵，泵入苯，苯的流量根據(jù)停留時(shí)間的要求控制在某一適當(dāng)?shù)牧髁浚ū降牧髁靠煽刂圃?.21g/min），并要求苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比維持在1：6，根據(jù)此摩爾配比調(diào)節(jié)氫氣的流量。9苯在預(yù)熱器汽化并與氫氣混合后進(jìn)入催化劑床層發(fā)生反應(yīng)。由于是放熱反應(yīng)，反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度均會(huì)升高，待操作一段時(shí)間，溫度穩(wěn)定后，拉動(dòng)床層測(cè)溫?zé)犭娕迹瑱z測(cè)整個(gè)床層的溫度分布

7、是否在150左右且各處是否接近等溫。否則需要對(duì)加熱爐中段給定溫度稍作調(diào)整。10當(dāng)反應(yīng)器床層溫度達(dá)到所要求的溫度，且加熱爐上、中、下三段的溫度均穩(wěn)定不變時(shí)，用2mL玻璃注射器對(duì)反應(yīng)器出口氣體進(jìn)行取樣，注入到色譜儀中進(jìn)行熱導(dǎo)分析，得到反應(yīng)器出口氣體的組成結(jié)果。11改變苯進(jìn)料流量，同時(shí)相應(yīng)改變氫氣進(jìn)料流量，保持苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比不變，仍為1：6。重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟910。12共進(jìn)行了5個(gè)流量時(shí)，可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉苯計(jì)量泵，關(guān)閉加熱電源。繼續(xù)通入氫氣，待床層溫度降至100以下可關(guān)閉氫氣鋼瓶，以防止溫度過(guò)高造成催化劑失活。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：氣溫： 大氣壓： MPa 實(shí)驗(yàn)日期： 表1催化劑目數(shù)催化劑(g)催化

8、劑(mL)填料(g)稀釋比總體積(mL)床層高(cm)表2序號(hào)氫氣流量(mL/min)苯流量(mL/min)上段溫度()中段溫度()下段溫度()設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)12345表3序號(hào)床層溫度分布情況1床層長(zhǎng)度（cm）實(shí)測(cè)溫度()2床層長(zhǎng)度（cm）實(shí)測(cè)溫度()3床層長(zhǎng)度（cm）實(shí)測(cè)溫度()4床層長(zhǎng)度（cm）實(shí)測(cè)溫度()5床層長(zhǎng)度（cm）實(shí)測(cè)溫度()表4 分析結(jié)果 數(shù)據(jù)序號(hào) (%)(%)(%)(%)W/FA0(g.h/mol)12345六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 設(shè)苯的流量為(mol/h)，反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率為，出口氣體中，苯的質(zhì)量百分含量為，環(huán)己烷的質(zhì)量百分含量為（不考慮其中氫

9、氣的質(zhì)量百分含量），即。 由化學(xué)方程式： 反應(yīng)前：() 0 反應(yīng)后：() 即：() (5) (6) 化簡(jiǎn)得: 或 (7)y1和y2可通過(guò)氣相色譜分析反應(yīng)器出口氣體組成而得。因此可通過(guò)式(7)計(jì)算出口轉(zhuǎn)化率。2反應(yīng)速率（RA）的計(jì)算由實(shí)測(cè)的xAVP/FA0曲線，可用多項(xiàng)式擬合，然后求導(dǎo)，任何一個(gè)xA所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值就是該點(diǎn)的反應(yīng)速率值。3有效擴(kuò)散系數(shù)DeA值苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)可取0.2cm2/s。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 實(shí)驗(yàn)前，一定要檢查管路的氣密性，尾氣要接到室外；2 實(shí)驗(yàn)操作一定要按步驟進(jìn)行，防止催化劑失活；3 實(shí)驗(yàn)中要注意保持氫氣、苯流量的穩(wěn)定；4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，檢查水、電、氣的閥門，關(guān)閉后才能離開(kāi)。八、思考題1 外擴(kuò)散阻力如何消除？2本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如何測(cè)定？九、參考文獻(xiàn)1 陳甘棠主編.化學(xué)反應(yīng)工程第一版,166170?；瘜W(xué)工業(yè)出版社：