固定床乙醇反應(yīng)脫水

實(shí)驗(yàn)四固定床乙醇脫水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.

掌握乙醇脫水實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理、特點(diǎn)，了解針對不同目的產(chǎn)物的反應(yīng)條件對正、副反應(yīng)的影響規(guī)律和生成的過程。2.

學(xué)習(xí)氣固相管式催化反應(yīng)器的構(gòu)造、原理和使用方法，學(xué)習(xí)反應(yīng)器正常操作和安裝，掌握催化劑評價(jià)的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步驟和方法。3.

學(xué)習(xí)動態(tài)控制儀表的使用，如何設(shè)定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床層溫度分布。

4.

學(xué)習(xí)氣體在線分析的方法和定性、定量分析，學(xué)習(xí)如何手動進(jìn)樣分析液體成分。了解氣相色譜的原理和構(gòu)造，掌握色譜的正常使用和分析條件選擇。

5.

學(xué)習(xí)微量泵和蠕動泵的原理和使用方法，學(xué)會使用濕式流量計(jì)測量流體流量。

二、

實(shí)驗(yàn)原理

乙醇脫水生成乙烯，是一個(gè)吸熱、分子數(shù)增不變的可逆反應(yīng)。提高反應(yīng)溫度、降低反應(yīng)壓力，都能提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時(shí)主要生成乙醚。乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應(yīng)，既可分子內(nèi)脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚?，F(xiàn)有的研究報(bào)道認(rèn)為，乙醇分子內(nèi)脫水可看成單分子的消去反應(yīng)，分子間脫水一般認(rèn)為是雙分子的親核取代反應(yīng)，這也是兩種相互競爭的反應(yīng)過程，具體反應(yīng)式如下：

C2H5OH

→

C2H4

+

H2O

(1)C2H5OH

→

C2H5OC2H5

+H2O

(2)目前，在工業(yè)生產(chǎn)方面，乙醚絕大多數(shù)是由乙醇在濃硫酸液相作用下直接脫水制得。但生產(chǎn)設(shè)備會受到嚴(yán)重腐蝕，而且排出的廢酸會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，研究開發(fā)可以取代硫酸的新型催化體系已成為當(dāng)代化工生產(chǎn)中普遍關(guān)注的問題。目前，在這方面的探索性研究已逐漸引起人們的注意，大多致力于固體酸催化劑的開發(fā)，主要集中在分子篩上，特別是ZSM-5分子篩。

研究發(fā)現(xiàn)，通過對反應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應(yīng)相反的兩個(gè)過程，升高溫度有利于脫水制乙烯（吸熱反應(yīng)），而降低溫度對脫水制乙醚更為有利（微放熱反應(yīng)），所以要使反應(yīng)向要求的方向進(jìn)行，必須要選擇相適應(yīng)的反應(yīng)溫度區(qū)域，另外還應(yīng)該考慮動力學(xué)因素的影響。

本實(shí)驗(yàn)采用ZSM－5分子篩為催化劑，在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行乙醇脫水反應(yīng)研究，反應(yīng)產(chǎn)物隨著反應(yīng)溫度的不同，可以生成乙烯和乙醚。溫度越高，越容易生成乙烯，溫度越低越容易生成乙醚。實(shí)驗(yàn)中，通過改變反應(yīng)的進(jìn)料速度，可以得到不同反應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對氣體和液體產(chǎn)物的分析，可以得到反應(yīng)溫度下的最佳工藝條件和動力學(xué)方程，反應(yīng)機(jī)理如下：

主反應(yīng)：C2H5OH

→

C2H4

+

H2O

(1)

副反應(yīng)：C2H5OH

→

C2H5OC2H5

+H2O

(2)

在實(shí)驗(yàn)中，由于兩個(gè)反應(yīng)生成的產(chǎn)物乙醚和水留在了液體冷凝液中，而氣體產(chǎn)物乙烯是揮發(fā)氣體，進(jìn)入尾氣濕式流量計(jì)計(jì)量總體積后排出。

對于不同的反應(yīng)溫度，通過計(jì)算不同的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率，可以得到不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，并得到溫度的關(guān)聯(lián)式。三、實(shí)驗(yàn)流程及儀器設(shè)備

乙醇脫水固反應(yīng)器，氣相色譜及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動泵。

ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。

1、原料無水乙醇；

2、乙醇進(jìn)料泵；

3、濕式流量計(jì)；

4、催化劑床層溫度

控制顯示儀表；5、預(yù)熱器加熱溫度控制顯示儀表；

6、反應(yīng)器加熱溫度控制

顯示儀表；7、反應(yīng)器；

8、產(chǎn)物空氣冷卻器；

9、產(chǎn)物氣液分離器；10、ZSM－5分子篩催化劑；11、樣品采出閥圖1

實(shí)驗(yàn)裝置流程圖六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及作圖1.計(jì)算乙醇相對校正因子：兩次標(biāo)準(zhǔn)色譜結(jié)果峰面積比例：A水1=39.34%A醇1=60.66%A水2=39.58%A醇2=60.42%根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的配比及公式ωi36.97%=36.97%=其中f解方程得到f醇1乙醇相對校正因子為f表5質(zhì)量相對因子校正表物質(zhì)水乙醇乙醚質(zhì)量相對校正因子1.001.111.052.不同流速下組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以0.90ml/min流速為例）：先求取峰面積比例平均值A(chǔ)水=23.38%，A醇=59.69%，A醚=16.93%根據(jù)公式ωω水=1.00×23.381.00×23.38+1.11×59.69+1.05×16.93ω表6樣品各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表進(jìn)樣速率ml/min組分峰面積比例/%質(zhì)量分?jǐn)?shù)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，乙醇的轉(zhuǎn)化率，副產(chǎn)物乙醚的收率（以0.90ml/min流速為例）表7各物質(zhì)物性參數(shù)物質(zhì)密度/g/mL摩爾質(zhì)量/g/mol水0.998218.02乙醇0.78946.07乙醚0.713574.12乙醇體積含量為95%，進(jìn)料30min則流速為0.90ml/min時(shí)，進(jìn)料量為n濕式流量計(jì)測得產(chǎn)物乙烯體積為V乙烯物質(zhì)的量為n根據(jù)上面算出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以算出流出液中各組分含量nnn乙醇轉(zhuǎn)化率為X乙烯收率Y乙醚收率Y乙烯選擇性S=各流速進(jìn)料結(jié)果如下表表8進(jìn)料流量變化與轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性關(guān)系表進(jìn)料流速ml/min乙醇轉(zhuǎn)化率乙烯收率乙醚收率乙烯選擇性0.60.5320.2210.1950.4160.90.4060.1580.1980.3901.20.3230.1090.2430.338七.實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：討論原料乙醇的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物乙烯收率，副產(chǎn)物乙醚含量，乙烯的選擇性等參數(shù)隨進(jìn)料速率變化的規(guī)律，并作上圖表示。

隨進(jìn)料流速增加，乙醇轉(zhuǎn)化率、乙烯收率和乙烯選擇性下降；而副產(chǎn)物乙醚收率則上升。隨著流速增加，單位時(shí)間單位體積催化劑處理的氣體量增加，因?yàn)榇呋瘎┨幚砹坑邢蓿荒芡耆呋M(jìn)料，導(dǎo)致隨進(jìn)料量增加，乙醇轉(zhuǎn)化率不斷降低。乙醇分子內(nèi)脫水與分子間脫水兩個(gè)反應(yīng)相互競爭。在進(jìn)料流率較低的情況下，乙醇分壓較低，容易發(fā)生單分子反應(yīng)，此時(shí)以主反應(yīng)即乙醇脫水反應(yīng)為主。隨著進(jìn)料流量的增加，反應(yīng)器內(nèi)乙醇分壓上升，此時(shí)乙醇分子間反應(yīng)加劇，導(dǎo)致乙烯收率和選擇性下降，乙醚含量上升。八、思考題1、

改變哪些實(shí)驗(yàn)條件，可以提高乙醇的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率？

答：改變反應(yīng)溫度，反應(yīng)空速及進(jìn)料乙醇的濃度、流量、反應(yīng)壓力、工藝過程、催化劑的選擇等條件，能達(dá)到提高乙醇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的要求。

2、怎樣使反應(yīng)的平衡向有利于產(chǎn)物乙烯生成的方向發(fā)展？

答：可以通過提高溫度和篩選最優(yōu)催化劑種類來使平衡向有利于乙烯生成的方向發(fā)展。

3、試論述釜式和管式反應(yīng)器合成乙烯的區(qū)別？兩者各有什么優(yōu)點(diǎn)？

答：管式反應(yīng)器合成乙烯是平推流，而釜式反應(yīng)器合成乙烯是全混流。管式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是從熱力學(xué)角度而言的，合成乙烯是吸熱反應(yīng)，管式反應(yīng)器儲熱能力更高；釜式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)物在其中停留時(shí)間更長，有利于反應(yīng)更徹底

4、結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，敘述怎樣確定最適宜的分析條件？

答：柱箱溫度是一個(gè)重要的操作參數(shù)，它能直接影響分離效能和分析速度。提高柱溫可以加快傳質(zhì)，縮短分析時(shí)間，提高柱效；降低柱溫可以使色譜柱選擇性增大，有利于組分的分離和色譜柱穩(wěn)定性的提高。實(shí)際工作中，試樣的沸點(diǎn)是選擇柱溫的主要依據(jù)，選擇柱溫時(shí)應(yīng)考慮混合物的沸點(diǎn)范圍，固定液的配比和鑒定器的靈敏度等，采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點(diǎn)的柱溫較為合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫。

5、怎樣對液體產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析？

答：根據(jù)色譜圖中各組分色譜峰的出峰時(shí)間，可進(jìn)行定性分析；根據(jù)峰面積或峰高，可進(jìn)行定量分析。

6、怎樣對整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)行物料恒算？應(yīng)該注意哪些問題？

答：根據(jù)反應(yīng)方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質(zhì)量可以算出反應(yīng)所需的乙醇的總量，利用下面表達(dá)式對乙醇進(jìn)行物料恒算：

液體產(chǎn)物中乙醇質(zhì)量

+

生成反應(yīng)物消耗的乙醇質(zhì)量

-

乙醇進(jìn)量

若上式等于零，則表明物料守恒。

要進(jìn)行物料衡算應(yīng)該注意下述條件：1）保證反應(yīng)過程應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設(shè)備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標(biāo)溫度確定；

2）確保色譜讀數(shù)可靠。實(shí)驗(yàn)中，通過完成兩次色譜測定，只有當(dāng)兩次色譜結(jié)果相對誤差不超過1%，才能確保色譜操作可信。

3）確保每次稱量液體產(chǎn)品前，都要對三角錐瓶進(jìn)行稱重，不能以第一次結(jié)果進(jìn)行測量。因?yàn)槊看螌?shí)驗(yàn)都要對容器進(jìn)行徹底地清洗。

4）最好保證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間控制精確到秒。這是因?yàn)橐掖歼M(jìn)量是根據(jù)流量乘以時(shí)間求出，相差幾十秒對實(shí)驗(yàn)衡算結(jié)果影響也是不小的。

7、實(shí)驗(yàn)中，哪些簡化的處理方法可能造成實(shí)驗(yàn)誤差？應(yīng)怎樣進(jìn)一步改進(jìn)？

答：在實(shí)驗(yàn)