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1、实验三乙醇气相脱水制乙烯反应动力学（简易无梯度内循环）反应动力学描述了化学反应速度与各种因素如浓度、温度、压力、催化剂等之间的定量关系。动力学在反应过程开发和反应器设计过程中起着重要的作用。它也是反映工程学科的重要组成部分。 在实验室中，乙醇脱水式制备纯净乙烯的最简单方法。常用的催化剂有：催化剂 反应 温度浓硫酸 液相反应 170三氧化二铝 气固反应 360分子筛催化剂 气固反应 300其中，分子筛催化剂的突出优点是乙烯收率高，反应温度较低。故选用分子筛作为本实验的催化剂。 一实验目的 1巩固所学有关反应动力学方面的知识。 2掌握获得反应动力学数据的手段和方法。 3熟悉内循环式无剃度反应器的特
2、点及其它有关设备的使用方法，提高实验技能。 二实验原理 乙醇脱水属于平行反应，既可以进行分子内脱水生成乙烯，又可以进行分子间脱水生成乙醚。一般而言，较高的温度有利于生成乙烯，而较低的温度有利于生成乙醚。因此，对于乙醇脱水这样一个复合反应，随着反应条件的变化，脱水过程的机理也会有所不同。借鉴前人在这方面所做的工作，将乙醇在分子筛催化剂作用下的脱水过程描述成： 2C 2H5OHC 2H5OC2H5+H2OC 2H5OHC 2H4+H2O三装置、流程及试剂 1装置 本实验装置由三部分构成。 第一部分是由微量进料泵、氢气钢瓶、汽化器和取样六通阀组成的进料系统。 第二部分是反应系统，它是由一台内循环式无
3、剃度反应器、温度控制器和显示仪表组成。反应器的结构如图 51 所示。图 5-1无梯度反应器结构图 1直流电机；2磁钢固定片；3磁钢；4上法兰；5磁钢；6磁钢固定片；7轴承；8密封垫片；9冷却水夹套；10反应器上部；11轴承；12密封垫片；13密封垫片；14反应器下部；15旋转轴：16反应器外壁；17旋转叶片；18催化剂及固定框；19加热电炉；20热电偶套管；21进气口；22出气口 第三部分是取样和分析系统。包括取样六通阀、产品收集器和在线气相色谱仪。 整套实验装置安装在一个实验柜中，操作方便。 2流程实验流程见图 52图 52实验流程简图 1微量进料泵；2氢气钢瓶；3记录仪；4气相色谱仪；5汽
4、化器；6六通阀；7冷凝器；8温度控制仪；9反应器；10电机调速器；11数字化温度显示器；12恒温阀箱；13色谱处理器 3试剂和催化剂：无水乙醇，优级纯；分子筛催化剂，6080 目，重 3.0 克。 四实验步骤 开始实验之前，需熟悉流程中所有设备、仪器、仪表的性能及使用方法。然后才可以按步骤进行实验。 1打开 H2 钢瓶调整色谱仪的柱前压力至 0.05MPa。确认色谱检测器有载气通过后启动色谱仪。调整柱温到 85，检测室到 95，待温度稳定后，打开热导池微电流放大器的开关，并调整桥电流至 150Ma.2在色谱仪升温同时，打开阀恒温箱加热器开关，使之升温到 110。管路也保温在110。 3打开反应
5、器温度控制器的电源开关使反应器加热升温，同时向反应器的冷水夹套中通入冷却水。 4打开微量进料泵，以小流量向汽化器内通入原料乙醇。 5待所有条件稳定后，用阀箱内的旋转六通阀取样分析反应产物的组成，并记录色谱处理器打印出的峰面积值。 6在 206380之间选择三到四个温度，在各温度下改变三次乙醇的进料速度，测定出在不同条件下的数据。 五数据处理 实验过程中，应将有用的数据及时、准确地记录下来。记录表格可参见表 2.1产物组成的计算 2产物中各组分的摩尔分率可以按下式求出： xi=Aifi/（ ）（ 1） 式中，xi尾气中组分 i 的摩尔分率； Ai组分 i 的色谱峰峰面积值； f i-组分 i 在
6、热传导池检测器上的校正因子，具体的数值可参见表 1； n-尾气中所含的组分书。 表 1热导池检测器上的 fi（载气 H2）出峰顺序 组分 i 校正因子 fi1 乙烯 2.09*10-22 水 3.05*10-23 乙醇 1.39*10-24 乙醚 9.05*10-2根据实验结果求出乙醇的转化率、乙烯的收率及乙烯的生成速率。然后按一级反应求出生成乙烯这一反应步骤的速率常数和活化能。写清计算过程，并将计算结果填入表 2 中。 计算说明： 乙醇的转化率=反应掉的乙醇摩尔数/原料中乙醇的摩尔数 乙醇的收率=生成乙烯的摩尔数/原料中乙醇的摩尔数 乙醇的进料速度=乙醇液的体积流量0.7893（乙醇的密度）
7、/46.07（乙醇的分子量） 乙烯的生成速度=（乙醇进料速度乙烯的收率）/催化剂用量（g）（mol/g.h ） 反应器内乙醇的浓度： C A=PA/RT(mol/l)（2） 式中 PA 为乙醇的分压；反应的总压为 0.1Mpa。所以可将反应器内的混合气视为理想气体。生成乙烯的反应步骤的速率常数 k 可以通过下式求出， k =r/cA （3） 由阿累尼乌斯方程 k=k0exp(-E/RT),将 lnk 对 1/T 作图，即可求出 k0 和 E。在低温有乙醚生成的情况下，参照上述计算过程，求出乙醇的消费速率常数常数和相应的活化能。在此，同样可以按一级反应处理。 六思考题 1用无梯度反应器测定化学反应动力学的优、缺点是什么？ 2要想证明测定的是本征动力学数据，还需要补充哪些实验内容？ 3分别画出温度和乙醇进料速度与乙醇收率的关系曲线，并对这两类曲线所反映出的规律作出解释。 表 2数据处理结果 产物组成（mol%）实验序号反应温度乙醇进量ml/h乙烯 水 乙醇 乙醚乙醇浓度cA乙醇转化率 X乙烯收率Y反应速率r反应速率常数k
