乙苯氣固相催化脫氫反應(yīng)試驗(yàn)

乙苯氣固相催化脫氫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)武漢工程大學(xué)環(huán)境與化工清潔生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2009年5月乙苯氣固相催化脫氫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)武漢工程大學(xué)環(huán)境與化工清潔生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握乙苯脫氫實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理、特點(diǎn)，了解副反應(yīng)的發(fā)生和生產(chǎn)副產(chǎn)物的過程。(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)器的正常操作和安裝，掌握催化劑評(píng)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)自動(dòng)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(dòng)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)微量泵的原理和使用方法，學(xué)會(huì)使用濕式流量計(jì)測(cè)量流體流量。（6）掌握由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得反應(yīng)器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基本方法，和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握乙苯脫氫實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理、特點(diǎn)，2實(shí)驗(yàn)任務(wù)1）獲得該實(shí)驗(yàn)裝置乙苯氣固脫氫反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率、生成苯乙烯收率和選擇性；2）動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得主副反應(yīng)反應(yīng)速率和反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)1）獲得該實(shí)驗(yàn)裝置乙苯氣固脫氫反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率、3實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)仍然采用一步反應(yīng)，即乙苯脫氫生成苯乙烯。該反應(yīng)所用催化劑為Fe2O3系列。乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯，在水蒸氣存在下，主要有以下反應(yīng)：（1）（2）（3）實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)仍然采用一步反應(yīng)，即乙苯脫氫生成苯乙烯。4實(shí)驗(yàn)原理不同反應(yīng)溫度下，反應(yīng)(1)、(2)、(3)的反應(yīng)熱可以用下式估算：(7)主反應(yīng)乙苯脫氫的化學(xué)平衡方程可以用下式來表示：(6)(5)(4)實(shí)驗(yàn)原理不同反應(yīng)溫度下，反應(yīng)(1)、(2)、5實(shí)驗(yàn)原理乙苯脫氫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型可以用Carra雙曲模型:

(mol/kg.s)分別表示苯乙烯、苯和甲苯生成速度。(kPa)分別表示混合氣中乙苯、苯乙烯、氫氣的分壓。式中：(8)(9)(10)實(shí)驗(yàn)原理乙苯脫氫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型可以用Carra雙曲模型:式6實(shí)驗(yàn)原理對(duì)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)k，并得到與溫度T的關(guān)聯(lián)式:（11）實(shí)驗(yàn)原理對(duì)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)7實(shí)驗(yàn)條件1）苯乙烯收率實(shí)驗(yàn)：反應(yīng)溫度：650℃進(jìn)料速率：0.5ml/min.水油比（體積比）1∶1反應(yīng)時(shí)間：1h2）動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn):溫度590℃、610℃、630℃、650℃、670℃每個(gè)溫度下反應(yīng)20min，其余條件不變。實(shí)驗(yàn)條件1）苯乙烯收率實(shí)驗(yàn)：8實(shí)驗(yàn)步驟1.在反應(yīng)器底部放入少量巖棉，然后放入10～20cm高的瓷環(huán)，準(zhǔn)確量取瓷環(huán)高度并記錄，瓷環(huán)應(yīng)預(yù)先在稀鹽酸中浸泡，并經(jīng)過水洗、高溫?zé)Y(jié)，以除去催化活性。2.用量筒量取20ml催化劑，然后用天平稱量出催化劑重量，并記錄。3.將稱好的催化劑緩慢加入到反應(yīng)器中，并輕微震動(dòng)，然后記錄催化劑高度，確定催化劑在反應(yīng)器內(nèi)的填裝高度。4.在催化劑上方繼續(xù)加入瓷環(huán)，一直到反應(yīng)管頂部，然后將反應(yīng)器頂部密封。

實(shí)驗(yàn)步驟1.在反應(yīng)器底部放入少量巖棉，然后放入10～20c9實(shí)驗(yàn)步驟5.將反應(yīng)器放入到加熱爐中，連接乙苯和水的進(jìn)口，擰緊卡套。連接好空氣冷凝器和反應(yīng)器的接口，并把玻璃收集瓶和冷凝器連接好。使冷凝的產(chǎn)物用收集瓶收集，沒有冷凝的氫氣和甲烷、乙烯則經(jīng)過尾氣濕式氣體流量計(jì)進(jìn)入到六通閥內(nèi)進(jìn)行分析。6.按照實(shí)驗(yàn)要求，將反應(yīng)器加熱溫度設(shè)定為590～670℃，預(yù)熱器溫度設(shè)定為400℃。在反應(yīng)溫度達(dá)到400℃時(shí)開始進(jìn)水10min，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)溫度時(shí)，開始進(jìn)乙苯。乙苯加料速度為0.5ml/min，水的進(jìn)料速率是0.5ml/mol。實(shí)驗(yàn)步驟5.將反應(yīng)器放入到加熱爐中，連接乙苯和水的進(jìn)口，擰10實(shí)驗(yàn)步驟7.反應(yīng)進(jìn)行20分鐘后，正式開始實(shí)驗(yàn)。先換掉反應(yīng)器下的吸收瓶，并換上清洗干凈的新瓶，檢查升降臺(tái)的高度。記錄濕式流量計(jì)讀數(shù)，應(yīng)每隔一段時(shí)間記錄反應(yīng)溫度等實(shí)驗(yàn)條件。8.每個(gè)溫度反應(yīng)30～60min，可以由每組學(xué)生自己確定。然后取下玻璃瓶，用分液漏斗將收集的產(chǎn)物分出，再對(duì)所收集的產(chǎn)物進(jìn)行色譜分析。9.改變反應(yīng)溫度，每次提高20～30℃，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，則得到不同反應(yīng)溫度下的原料轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物苯乙烯收率、副產(chǎn)物苯和甲苯生成速率等。實(shí)驗(yàn)步驟7.反應(yīng)進(jìn)行20分鐘后，正式開始實(shí)驗(yàn)。先換掉反應(yīng)器11實(shí)驗(yàn)步驟10.檢查色譜儀是否完好。11.將色譜儀的載氣H2打開，待表壓達(dá)到0.3MPa時(shí)，打開色譜儀電源，設(shè)置參數(shù)。柱溫100℃，進(jìn)樣器溫度160℃，檢測(cè)器溫度180℃。待設(shè)定溫度達(dá)到以后，調(diào)節(jié)基線，使其平穩(wěn)。12.將所得產(chǎn)品用氣相色譜進(jìn)行分析。13.分析完后，將溫度都設(shè)置成30℃，將量程設(shè)為0，待溫度都降到80℃以下時(shí)，關(guān)閉電源開關(guān)，再關(guān)閉載氣。實(shí)驗(yàn)步驟10.檢查色譜儀是否完好。12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

1.在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)每隔一定時(shí)間記錄反應(yīng)器和預(yù)熱器加熱溫度、催化劑床層溫度。如有必要，也可以輕輕拉動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)的測(cè)溫?zé)犭娕?，測(cè)定催化劑床層的溫度分布。2.每次完成一個(gè)溫度下的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)記錄實(shí)驗(yàn)前后尾氣流量計(jì)的體積，同時(shí)稱量反應(yīng)時(shí)間內(nèi)得到的液體產(chǎn)物的重量，并用氣相色譜進(jìn)行分析。3.至少分析兩次所得液體產(chǎn)物的組成，并用校正因子校正所得的含量，對(duì)液體進(jìn)行物料衡算。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1.在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)每隔一定時(shí)間記錄反應(yīng)器和預(yù)熱13數(shù)據(jù)處理1轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性計(jì)算

設(shè)乙苯加入質(zhì)量為1，將摩爾分?jǐn)?shù)帶入下式計(jì)算:(14)(13)(12)數(shù)據(jù)處理1轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性計(jì)算(14)(13)(1214實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理2.動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算

計(jì)算不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)平衡常數(shù)，并按照上面所述反應(yīng)模型，計(jì)算出各步反應(yīng)的反應(yīng)速率和反應(yīng)速率常數(shù)，并畫圖得到溫度和反應(yīng)速率常數(shù)的關(guān)系。(15)（16）式中：Pi－各物質(zhì)的分壓,kPa；ni－各物質(zhì)的摩爾數(shù)；p0－大氣壓,kPa；ri－產(chǎn)物的生成速率,mol/kg.s；v0－乙苯的進(jìn)料速率,ml/min；xi－產(chǎn)物的收率.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理2.動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算(15)（16）式中：15實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

1.討論原料乙苯的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物