乙醇脫水實驗報告.doc

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化工專業(yè)實驗報告 實驗名稱： 乙醇脫水反應研究實驗 實驗人員： xxxx 同組人： xxx xxx 實驗地點：天大化工技術實驗中心 630 室 實驗時間： 2014年4月25日 班級/學號： 11 級 化材 班 2 組 xxxxxxxxxxx號 實驗成績： 乙醇脫水反應研究實驗 一、實驗目的 1. 掌握乙醇脫水實驗的反應過程和反應機理、特點，了解針對不同目的產 物的反應條件對正、副反應的影響規(guī)律和生成的過程； 2. 學習氣固相管式催化反應器的構造、原理和使用方法，學習反應器正常 操作和安裝，掌握催化劑評價的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步 驟和方法； 3. 學習動態(tài)控制儀表的使用，如何設定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床 層溫度分布； 4. 學習氣體在線分析的方法和定性、定量分析，學習如何手動進樣分析液 體成分。了解氣相色譜的原理和構造，掌握色譜的正常使用和分析條件 選擇； 5. 學習微量泵和蠕動泵的原理和使用方法，學會使用濕式流量計測量流體 流量。 二、實驗儀器和藥品 乙醇脫水氣固反應器，氣相色譜及計算機數(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。 三、實驗原理 乙烯是重要的基本有機化工產品。乙烯主要來源于石油化工，但是由乙醇脫水制乙烯在南非、非洲、亞洲的一些國家中仍占有重要地位。 乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個吸熱、分子數(shù)增多的可逆反應。提高反應溫度、降低反應壓力，都能提高反應轉化率。乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時主要生成乙醚，有人解釋這大概是因為反應過程中生成的碳正離子比較活潑，尤其在高溫，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時已經失去質子變成乙烯．而在較低溫度時，碳正離子存在時間長些，與乙醇分子相遇的機率增多，生成乙醚。有人認為在生成產物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂C—H 鍵，需要的活化能較高，所以要在高溫才有和于乙烯的生成。 乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應，既可分子內脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚?，F(xiàn)有的研究報道認為，乙醇分子內脫水可看成單分子的消去反應，分子間脫水一般認為是雙分子的親核取代反應，這也是兩種相互競爭的反應過程，具體反應式如下： C2H5OH → C2H4 + H2O (1) C2H5OH → C2H5OC2H5 +H2O (2) 目前，在工業(yè)生產方面，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。但生產設備會受到嚴重腐蝕，而且排出的廢酸會造成嚴重的環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)，通過對反應熱力學函數(shù)的計算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應相反的兩個過程，升高溫度有利于脫水制乙烯(吸熱反應)，而降低溫度對脫水制乙醚更為有利(微放熱反應)，所以要使反應向要求的方向進行，必須要選擇相適應的反應溫度區(qū)域，另外還應該考慮動力學因素的影響。 本實驗采用ZSM－5分子篩為催化劑，在固定床反應器中進行乙醇脫水反應研究，反應類型為氣固相催化反應。其反應過程可以分為以下三個過程: 1) 反應物分子有氣相主體擴散到催化劑顆粒外表面； 2) 分子由顆粒外表面向孔內擴散，到達可進行吸附/反應的活性中心； 3) 5) 依次進行的吸附，在表面上的反應生成 產物分子，產物分子自表面解吸，這個過程稱為表面反應過程； 6) 產物分子由顆粒內表面擴散到外表面； 7) 產物分子由外表面擴散到氣相主體； 從以上過程可以看出，氣固相催化反應的反應速率由以下三個方面共同 決定: 1) 外擴散速率：可用費克第一定律描述，與氣相主體和顆粒表面的濃度差和分子擴散系數(shù)有關； 2) 內擴散速率：與內擴散有效因子，顆粒表面與活性中心處的濃度差有關； 3) 表面反應速率：由反應本征動力學決定； 對于不同的催化劑，可以通過計算內擴算有效因子、外擴散有效因子 及總有效因子得到擴散對反應速率的影響。當空速較小時，氣相主體濃度 較低，內、外擴散都有影響，反應速率低；當空速 (本實驗中通過乙醇流速 反應) 增大時，外擴散影響逐漸減少，內擴散其主要作用；當空速進一步增 大時，內外擴散影響均可忽略，反應本征動力學是主要作用，因此，增大空 速，對反應速率的影響較小，只能通過改變溫度、壓力才能使轉化率進一步 提高。 反應機理如下： 主反應：C2H5OH → C2H4 + H2O (1) 副反應：C2H5OH → C2H5OC2H5 +H2O (2) 在實驗中，由于兩個反應生成的產物乙醚和水留在了液體冷凝液中，而氣體產物乙烯是揮發(fā)氣體，進入尾氣濕式流量計計量總體積后排出。 對于在相同的反應溫度，不同的進樣量下，穩(wěn)態(tài)反應30分鐘，研究進樣量對反應轉化率，收率及選擇性的影響，為工程實踐中選擇合適的空時(或空速)提供依據(jù)。 四、實驗流程圖 五、實驗步驟 1. 按照實驗要求，將反應器加熱溫度設定為270℃。設置乙醇的加料速度為1.2ml/min，開始加入乙醇； 2. 反應進行30分鐘后，正式開始實驗。打開氣液分離器旋塞，放出液體倒入回收瓶，記錄濕式流量計讀數(shù)，而后關閉旋塞。每隔10min記錄反應溫度、預熱溫度和爐內溫度等實驗條件； 3. 每個加料速度下反應30分鐘。反應終止后，打開旋塞，用洗凈的三角錐瓶接收液體產物，并用天平對液體產物準確稱重（注意接收液體產物前應先稱出錐形瓶的重量），并且記下此刻濕式流量計的讀數(shù)； 4. 改變加料速率，依次為0.9ml/min、0.6ml/min, 重復上述實驗步驟。 原始數(shù)據(jù)表見附表1，附表2，附表4。 六、實驗數(shù)據(jù)處理 1．計算舉例： 1) 計算乙醇的相對質量校正因子： 其中：A1=26550，A2=51699； f1=1.00,W1=0.28 代入數(shù)據(jù)可解的f2=1.30。同理可求得f2’=1.28 由此可知乙醇的相對質量矯正因子f2=1.29。 有相對保留時間可知：第一個峰是水，第二個峰是乙醇，第三個峰是乙醚。 2) 以加料速率為0.6ml/min時的乙醇轉化率，乙烯收率及選擇性： 第一次進樣液體產物中水質量分數(shù)為 液體產物中乙醇質量分數(shù)為 液體產物中乙醚質量分數(shù)為 兩次進樣結果平均后歸一化可得其質量分數(shù)分別為： 乙烯生成物質的量為(實驗氣溫為20℃) 原料的進量為（乙醇26℃密度為780kg/m3） 原料乙醇的轉化率為 乙烯的收率為 乙醚收率為 乙烯的選擇性為 綜上所述，實驗結果如下表所示： 表1 實驗數(shù)據(jù)處理整理表 進料速率/(ml/min) 水質量分數(shù)ω1 乙醇質量分數(shù)ω2 乙醚質量分數(shù)ω3 乙醇轉化率Xa 乙烯收率Y 乙烯選擇性S 乙醚的收率Y 0.6 0.1910 0.5518 0.2573 0.548 0.169 0.308 0.131 0.9 0.1313 0.5747 0.2201 0.444 0.114 0.256 0.132 1.2 0.1300 0.8462 0.2309 0.348 0.078 0.225 0.111 2. 實驗結果討論 討論原料乙醇的轉化率，產物依稀的收率，副產物乙醚的收率，乙烯的選擇性等參數(shù)隨反應進料速率變化的規(guī)律，并列表，作圖表示。 表2 實驗數(shù)據(jù)處理整理表 進料速率/(ml/min) 水質量分數(shù)ω1 乙醇質量分數(shù)ω2 乙醚質量分數(shù)ω3 乙醇轉化率Xa 乙烯收率Y 乙烯選擇性S 乙醚的收率Y 0.6 0.1910 0.5518 0.2573 0.548 0.169 0.308 0.131 0.9 0.1313 0.5747 0.2201 0.444 0.114 0.256 0.132 1.2 0.1300 0.8462 0.2309 0.348 0.078 0.225 0.111 圖2 各參數(shù)隨進料速率的變化曲線 乙醇流速的加快表明反應器空速加快。通過對表1中的數(shù)據(jù)進行分析，可以看出隨著空速的加快，乙醇的轉化率降低，乙烯的收率降低，反應對乙烯的選擇性也在降低，乙醚的收率有輕微的減小。 從反應過程分析得到相同的結論，乙醇流速增加，乙醇在催化劑內的停留時間減少，反應時間減少，所以轉化率降低。生成乙烯的反應是可逆吸熱反應，而生成乙醚的反應是微放熱反應，在相同的加熱電流下，流速增大反應器內溫度下降，正如實驗中所測的反應溫度是下降的，這就導致反應速率總體下降，而主反應下降較多，更有利于副反應的發(fā)生。所以乙醇的轉化率，乙烯的收率和選擇性都顯著下降，這也體現(xiàn)了溫度是化學反應一個最敏感的參數(shù)，稍有變化也會對反應產生很大影響。 溫度的稍微抑制了主反應，刺激了副反應，但是隨著反應溫度的降低，反應速率減慢，在兩者的綜合作用下副反應產物乙醚的收率稍有減小。 7、 問答題 1． 改變哪些實驗條件，可以提高乙醇的反應轉化率？ 乙醇反應轉化率的提高和空速、反應溫度、進料乙醇濃度等因素有關。空速直接關系到反應停留時間長短。反應停留時間越長，反應越徹底，乙醇的轉化率也就越高。反應溫度關系到反應常數(shù)，反應溫度越高，反應常數(shù)越大，因而反應速率提高，轉化率也就跟著提升。而進料乙醇的濃度越高，從氣體反應的碰撞理論上來看，反應器內分子碰撞次數(shù)也隨之提高，因而反應速率提高，轉化率提高。 2． 怎樣使反應的平衡向有利于產物乙烯生成的方向發(fā)展？ 乙醇生成乙烯的反應是一個分子數(shù)增大的吸熱反應，提高反應溫度和減小壓強均有利于產物乙烯的生成；從氣體反應的碰撞理論來看，進料乙醇的濃度越低，反應器內分子碰頻率也隨之降低，因而有利于乙烯的生成而抑制副產物乙醚的生成；空速越大，流股帶走的熱量越少，乙醇分子碰撞頻率降低，有利于乙烯的生成。 綜上所述：提高反應溫度，減小壓強，低濃度進料，高空速均有利于產物乙烯的生成。 3． 試論述釜式和管式反應器合成乙烯的區(qū)別？兩者各有什么優(yōu)點？ 釜式反應器內混合均勻，且濃度較低，攪拌使釜內乙醇分子的碰撞頻率增加；管式反應器中流體是平推流，碰撞頻率較低。 釜式反應器內乙醇的濃度低，流體壓降小；管式反應器無反混，較釜式反應器乙醇碰撞頻率低，有利于主反應而抑制副反應。 4． 結合本實驗的內容，敘述怎樣確定最適宜的分析條件？ 柱溫是一個重要的操作變數(shù)，選擇柱溫的根據(jù)是混合物的沸點范圍，固定液的配比和鑒定器的靈敏度。一般采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點的柱溫為較合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫。 5． 怎樣對液體產物進行定性和定量分析？ 　　定性分析：可以利用相對保留值對液體產物進行定性分析。選擇水作為基準物，液體產物各組分的相對保留值可以通過下式求出，將實驗測得的待測組分對標準物質的相對保留值與文獻記載的相對保留值進行對照，即可定性。 定量分析：根據(jù)氣相色譜峰面積比值和所得相對校正因子，利用下面公式即可以得到液體產物的組成。 6． 怎樣對整個過程進行物料衡算，應注意哪些問題？ 根據(jù)反應方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質量可以算出反應所需的乙醇的總量，利用下面表達式對乙醇進行物料恒算： 液體產物中乙醇質量 + 生成反應物消耗的乙醇質量=乙醇進量 若上式等于零，則表明物料守恒。 要進行物料衡算應該注意下述條件： 保證反應過程應達到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標溫度確定； 確保色譜讀數(shù)可靠。實驗中，通過完成兩次色譜測定，只有當兩次色譜結果各值差距不超過1時，才能確保色譜操作可信。 確保每次稱量液體產品前，都要對三角錐瓶進行稱重，不能以第一次結果進行測量。因為每次實驗都要對容器進行徹底地清洗，凡士林不能保證每次涂抹量一樣。 最好保證實驗的時間控制精確到秒。這是因為乙醇進量是根據(jù)流量乘以時間求出，相差幾十秒對實驗衡算結果影響也是不小的。 7． 實驗中，哪些簡化的處理方法可能造成實驗誤差？應怎樣進一步改進？ 反應器出口物料經空氣冷凝器，其中的水蒸氣，乙醇和乙醚不完全冷凝而被乙烯氣體帶出，使得液體產物的總量減少，氣體產物的總量增加?？蓪⒖諝饫淠鲹Q成以水做冷介質的冷凝器，使過程冷凝充分。 8． 談談在實驗中得到的一些體會和對實驗的建議。 本次實驗是對氣相色譜定量分析的一次比較全面的總結。實驗中，學生除了需要掌握根據(jù)氣相色譜峰值分析混合物中各組分的含量，還必須熟悉對未知校正因子的求算方法；同時也向學生們展示了檢驗催化劑效率的實驗方法，通過對本次實驗的全局回顧，學生可以舉一反三，采用相同的機制，對其他類似的反應進行相同方面的研究；本次實驗也極大地提高了學生的動手實踐能力，通過積極參與實驗操作，學生可以了解并熟悉到很多設備的基本操作，并且可以總結出一系列的準則。 但是本次實驗在設計中確實也存在一些問題值得改進。由于只研究了空速對反應的影響，所以實驗無法讓學生可以完整了重復前人研究反應動力學方程的流程?？梢栽鲈O選作實驗，完成反應溫度和催化劑對該實驗動力學的影響，并測定動力學參數(shù)。