實驗日期2013年4月20日成績同組人:A組1、2、3、19、20、21、36、37、38漳州師范學院應用化學專業實驗報告題目：乙醇氣固催化脫水制乙烯10應化1葉再妹100604103前言：乙烯是化工產品的重要原料,主要來源于石油,隨著石油資源的不斷枯竭，尋求新的乙烯生產工藝勢在必行。乙醇來源豐富,可以利用天然發酵法生產,由乙醇脫水制乙烯的工藝會成為以后乙烯生產的主要工藝。一實驗目的1、掌握乙醇脫水實驗的反應過程、實驗流程和操作。2、掌握乙醇氣相脫水操作條件對產物收率的影響，學會獲取穩定的工藝條件的方法。3、了解固定床反應器的構造、原理和使用方法，學習反應器的正常操作和安裝。4、學習氣相色譜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、學習微量泵的使用方法，學會使用濕式流量計測量流體流量。二、實驗原理乙醇脫水屬于平行反應，即可進行分子內脫水生成乙烯，又可進行分子間脫水生成乙醚。一般而言，較低的溫度有利于生成乙醚，因此該復合反應條件改變，脫水機理也有不同。采用濃硫酸、氧化鋁和分子篩催化劑可以有下列反應過程產生：濃硫酸：2C2H5－OH→C2H5OC2H5＋H2O（140℃）C2H5OH→C2H4＋H2O（170℃氧化鋁：C2H5OH→C2H4＋H2O（360℃）分子篩：C2H5OH→C2H4＋H2O（300℃）隨著溫度升高，反應可得到足夠多的乙烯轉化，而乙醚的生成量較少。乙烯是世界上產量最大的化學產品之一，乙烯工業是石油化工產業的核心，乙烯產品占石化產品的70%以上，在國民經濟中占有重要的地位。世界上已將乙烯產品作為衡量一個國家石油化工生產水平的重要標志之一。主要用于制聚乙烯、聚氯乙烯、醋酸、高級醇等，還可用來催熟水果。三、實驗裝置及流程圖1乙醇氣固催化制備乙烯實驗流程圖本實驗選用固定床反應器，凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。固定床反應器的優點可歸納為：（1）催化劑在床層內不易磨損；2）床層內流體的流動接近于平推流，與返混式反應器相比，用較少的催化劑和較小的反應器容積來獲得較大的生產能力；（3）結構簡單。固定床反應器的缺點是：（1）、傳熱較差。反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現飛溫（當某一參數變化到一定程度時就可能使床層溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍，這種現象俗稱飛溫）（2）操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應一般不宜使用。實驗流程：無水乙醇由進口泵泵入預熱器后，進入填裝有催化劑的固定床反應器中反應，反應產物經冷凝后，冷凝液流入收集器，不凝氣體經濕式流量計計量后排空。反應產物由氣相色譜儀進行分析。四、實驗步驟及方法1、催化劑的填裝松開反應器的下部熱電偶套管密封件，拆去下部出口與分離器連接接頭和上部與預熱器連接接頭，卸開大螺帽將反應器從加熱爐上部拉出，再卸下反應器上部大螺帽，上部朝下用鐵絲拉出玻璃棉，倒出催化劑，取出套管和支撐架，用丙酮或乙醇清洗干凈后吹干，再插入測溫套管及催化劑支撐架和不銹鋼支撐網后，連接下部大螺帽（從套管中穿過，用手擰緊螺帽再擰緊反應器的下部熱電偶套管密封件，使套管不能移動）最后裝入新催化劑，催化劑裝填量為20ml。注意：裝催化劑要將套管放在反應器中心位置，要用小直徑的長棍測量催化劑的床層高度，最好使催化劑床層處于加熱爐的中部。將上蓋大螺帽通過測溫套管安裝好，用扳手擰緊后再卸下下部大螺帽，重新插入爐內，在擰緊上預熱器后、用板手擰緊反應器下部大螺帽，再連接好分離器接頭，插入測溫熱電偶。2、系統試漏通過穩壓閥和調節閥進入空氣或氮氣，堵塞出口和液體進口，加壓至0.1MPa，5分鐘不下降為合格。試漏合格后打開被堵塞的管路，可進行實驗操作。3、微量泵的運行準備工作將微量泵進料管浸于乙醇中，旋松中間吸液口，用針筒將甲醇吸出排氣，旋緊中間吸液口，抽出針筒將針筒內的乙醇打入試劑瓶中。打開泵電源，設定值調為0.5ml/min，三通閥旋向“排空”位置，將原料瓶移至排空口，按“Run/Stop”，啟動泵抽液，直到排空口出現連續均勻液滴時。先按“Run/Stop”，停泵，再將三通閥旋向“預熱”位置，此時泵的運行準備工作完畢。4、升溫與溫度控制升溫前必須檢查熱電偶和加熱電路接線是否正確，檢查無誤后方可開啟電源總開關和分開關，此時控溫儀表有溫度數值顯示出來。順時針方向調節電流給定旋鈕，電流表有電流指示表明已開始加熱。電流給定值最好反應器不超過2A，預熱器不超過1A。然后將反應器上下段溫度設定為330℃，中段溫度設置為350℃。預熱器溫度設定為110℃。5、進料與反應在溫度達到設定值后，繼續穩定10～20min，然后開始加入無水乙醇，乙醇的加料速度為0.6ml/min，正式開始實驗。分別在氣液分離器下放置干凈的采樣瓶。記錄濕式流量計讀數，應每隔一定時間記錄反應溫度等實驗條件。反應時間為20～30min。6、分析反應約20~30min時將進料泵停下，記錄濕式流量計的計量即為產生的乙烯體積。當反應結束后將分離器內液體取出稱量，通過蒸餾手段，除去實驗中可能產生的副產物乙醚，然后對液體進行氣相色譜分析。7、改變反應條件改變進料速率，每次提高0.8ml/hr，重復上述實驗步驟，則得到不同進料速率下的原料轉化率和產物收率。8、結束實驗停止加料（液體）停止加熱，將反應器各段的溫度設定為室溫后關閉電源。關閉色譜（待柱溫降至室溫后，關閉色譜電源，最后停止通載氣）停下實驗。五、實驗數據處理5.1原始數據表350進料流量qv/（ml/min）0.60.8反應時間（min）2020取樣瓶質量(g)35.453931.3255蒸餾前稱重質量/g41.632739.1881蒸餾后稱重質量/g37.454934.2112反應開始時濕式流量計讀數(m3/h)0.2321.864反應結束時濕式流量計讀數(m3/h)1.8641.584乙烯總體積（m3/h）3.6323.720色譜各分析組分比例水%98.3587.11乙醇%1.59512.835.2數據處理舉例（流量為0.8ml/min）乙醇進料體積：20*0.8=16.0ml乙醇密度：0.816g/cm3乙醇進料的質量：16.0*0.816=13.056g因為C2H5OHC2H4＋H2O，則乙烯的理論產量=13.056*28/46=7.95g未蒸前產品質量:39.1881-31.3255=7.8626乙醚質量：39.1881-34.2112=4.9769g乙醇加水質量:7.8626-4.9769=2.8857g水的質量：2.8857*0.8711=2.514g乙醇反應后剩余的質量：2.8857*0.1283=0.37g乙醇的轉化率：[(13.056-0.37)/13.056]*100%=97.2%乙烯密度：1.25g/L乙烯質量：1.25*3.720=4.65g乙烯收率：4.65/7.95*100％=58.5％乙烯選擇性：58.5％/97.2%=60.19%5.3數據處理結果匯總序號12進料量qv/(mL/min)0.60.8乙醇的進料質量/g9.79213.056產物乙烯的質量/g4.544.65產物水的質量/g2.0002.514副產物乙醚的質量/g4.17784.9769反應后乙醇的剩余質量/g0.0320.37乙醇的轉化率99.797.2乙烯的理論產量/g5.967.947乙烯的收率/％76.258.5乙烯的選擇性76.4360.19六、結果與討論表1進料流量與轉化率、收率、選擇性的關系乙醇進料流量ml/min乙醇轉化率%乙烯收率%乙烯選擇性%0.699.776.276.430.897.258.560.19由上表可得隨著流量的增大乙醇的轉化率、乙烯的收率及乙烯的選擇性隨之降低。這是由于乙醇的流速增大表明了反應器中的空速加快，從而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。生成乙烯的反應時可逆吸熱反應，而生成乙醚的反應是微放熱反應，在相同加熱溫度下，流速增大反應器內溫度下降，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生，所以收率和選擇性都應下降。誤差分析：本次實驗由于在出去乙醚的過程中水浴溫度過高高導致乙醇和水也隨之蒸餾出去，這樣計算所得乙醚的產量與乙醚實際產量偏大，導致較大的誤差。實驗過程中由于儀器以使用多年已出現老化不太穩定，因而導致實驗出現誤差。七、思考題4、反應轉化率的提高和哪些因素有關？答：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，反應溫度越高，反應常數越大，因而反應速率提高，轉化率也就跟著提高。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也隨之提高，因此反應速率提高，轉化率提高。5、固定床反應器的特點？答：固定床反應器的優點：1、返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應有副反應時可得到較高選擇性。2、催化劑機械損耗小。3、結構簡單。固定床反應器的缺點：1、傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現飛溫（反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。2、操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生反應一般不宜使用，常代之以流化床反應器或移動床反應器。色譜分析附圖如下：進料速率為0.6ml/min分析報告───────────────────────────序號保留時間名稱峰面積%峰面積───────────────────────────10.0120.0014355020.1520.0010493630.2450.0005872040.3020.03522122150.5020.0019136660.6470.00093393270.7410.001455080.8570.0018436490.9450.004101142101.15698.353409518113.1980.00544189123.8271.59555295───────────────────────────總計1003466683進料速率為0.8ml/min分析報告───────────────────────────序號保留時間名稱峰面積%峰面積───────────────────────────10.3190.037611371