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1、实验日期 2016.3.18 成绩 同组人 ： 闽南师范大学应用化学专业实验报告 题目：乙醇气固非均相催化制备乙烯 13应化1班 13060901020前言 乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。乙醇来源丰富,可以利用天然发酵法生产,由乙醇脱水制乙烯的工艺会成为以后乙烯生产的主要工艺。乙烯的分离目前常采用的是深冷分离法、液体吸收法、吸附法、膜分离法等。乙醇脱水制乙烯的催化剂报道很多,主要分为液体无机酸、固体酸等。固定床反应器在化工领域应用十分
2、广泛。工业上目前应用较成熟的乙醇脱水催化剂是氧化铝催化剂，他存在反应温度高、要求原料液浓度高等问题基本有机化工中，乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氧制 苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应均在固定床反应器中进行。1固定床反应器床层薄，流速低，床层内的流体轴向流动可看作是理想置换流动，因而化学反应速率较快，完成同样的生产任务所需的催化剂用 量和反应器体积较小，流体停留时间可严格控制， 温度分布可适当调节，有利于提高化学反应的转化率和选择性；固定床中催化剂不易磨损，可在高温 高压下操作。当然，固定床也存在一些缺点，如传 热性能差；不能使用细粒催化剂（不能充分利用催 化剂内表面），催化剂的再生、更换均不方便。其中
3、固定床有并流下行泡沫床，并流上行泡沫床，Monolith固定床反应器和Katapk催化反应器。刘红等制备了用于固定床反应器的负载型Ts-1分子筛催化剂，并以苯酚羟基为探针，研究了载体、钛含量和预处理剂等对负载型Ts-1分子筛催化剂的影响，考察了固定床反应器中苯酚羟基化反应的工艺条件。2本文就研究利用乙醇的气固催化来脱水制乙烯。 本次实验的主要目的： 1、掌握乙醇催化脱水实验的反应过程、实验流程和操作。 2、掌握乙醇非均相催化脱水操作条件对产物收率的影响，学会获取稳定的工艺条件的方法。 3、了解固定床反应器的构造、原理和使用方法，学习反应器的正常操作和安装。 4、学习气相色谱在线分析的方法和定性
4、、定量分析，学习如何手动进样分析液体成分。了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。 5、学习微量泵的使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。1.实验方案1.1.1实验原理：乙醇脱水属于平行反应，即可进行分子内脱水生成乙烯，又可进行分子间脱水生成乙醚。一般而言，较低的温度有利于生成乙醚，因此该复合反应条件改变，脱水机理也有不同。采用浓硫酸、氧化铝和分子筛催化剂可以有下列反应过程产生：浓硫酸： 2C2H5OH C2H5OC2H5H2O（140）C2H5OH C2H4H2O（170）氧化铝： C2H5OH C2H4H2O（360）分子筛： C2H5OH C2H4H2O（300）
5、随着温度升高，反应可得到足够多的乙烯转化，而乙醚的生成量较少。1.1.2实验药品及仪器：95%乙醇固定床反应装置、GC9800型气相色谱仪配有氢火焰检测器、HW-2000色谱工作站、微量进样器、锥形瓶1.1.3实验流程 本实验选用固定床反应器，凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。固定床反应器的优点可归纳为：（1）、催化剂在床层内不易磨损；（2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力；（3）、结构简单。固定床反应器的缺点是：（1）、传热较差。反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（当
6、某一参数变化到一定程度时就可能使床层温度失去控制，急剧上升，超过允许范围，这种现象俗称飞温）。（2）操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用。实验流程：无水乙醇由进口泵泵入预热器后，进入填装有催化剂的固定床反应器中反应，反应产物经冷凝后，冷凝液流入收集器，不凝气体经湿式流量计计量后排空。反应产物由气相色谱仪进行分析。1.2实验流程及步骤（1）催化剂的填装松开反应器的下部热电偶套管密封件，拆去下部出口与分离器连接接头和上部与预热器连接接头，卸开大螺帽将反应器从加热炉上部拉出，再卸下反应器上部大螺帽，上部朝下用铁丝拉出玻璃棉，倒出催化剂，取出套管和支撑架，用丙酮或乙醇清洗干净
7、后吹干，再插入测温套管及催化剂支撑架和不锈钢支撑网后，连接下部大螺帽（从套管中穿过用手拧紧螺帽再拧紧反应器的下部热电偶套管密封件使套管不能移动），最后装入新催化剂，催化剂装填量为20ml。 注意：装催化剂要将套管放在反应器中心位置，要用小直径的长棍测量催化剂的床层高度，最好使催化剂床层处于加热炉的中部。将上盖大螺帽通过测温套管安装好，用扳手拧紧后再卸下下部大螺帽，重新插入炉内，在拧紧上预热器后、用板手拧紧反应器下部大螺帽，再连接好分离器接头插入测温热电偶。 （2）系统试漏 通过稳压阀和调节阀进入空气或氮气，堵塞出口和液体进口，加压至0.1MPa，5分钟不下降为合格。试漏合格后打开被堵塞的管路，
8、可进行实验操作。 （3）微量泵的运行准备工作将微量泵进料管浸于乙醇中，旋松中间吸液口，用针筒将甲醇吸出排气，旋紧中间吸液口，抽出针筒将针筒内的乙醇打入试剂瓶中。打开泵电源，设定值调为0.8ml/min，三通阀旋向“排空”位置，将原料瓶移至排空口，按“Run/Stop”，启动泵抽液，直到排空口出现连续均匀液滴时。先按“Run/Stop”，停泵，再将三通阀旋向“预热”位置，此时泵的运行准备工作完毕 （4）升温与温度控制 升温前必须检查热电偶和加热电路接线是否正确，检查无误后方可开启电源总开关和分开关，此时控温仪表有温度数值显示出来。然后将反应器上下段温度设定为295，中段温度设置为315。预热器温
9、度设定为110。 （5）进料与反应 在温度达到设定值后，继续稳定2030min，然后开始加入无水乙醇，乙醇的加料速度为0.8ml/min，正式开始实验。分别在气液分离器下放置干净的采样瓶。记录湿式流量计读数，应每隔一定时间记录反应温度等实验条件。反应时间为2030min。（6）分析反应约2030min时将进料泵停下，记录湿式流量计的计量即为产生的乙烯体积。当反应结束后将分离器内液体取出称量，通过蒸馏手段，除去实验中可能产生的副产物乙醚，后对液体进行气相色谱分析。 （7）改变反应条件 改变进料速率为0.6ml/min，重复上述实验步骤，则得到不同进料速率下的原料转化率和产物收率。（8）结束实验将
10、反应器各段的温度设定为室温后关闭电源。关闭色谱，待柱温降至室温后，关闭色谱电源，最后停止通载气，停下实验。1.3 分析条件与方法在设定温度不变下，改变进料流量速度。根据反应开始前后时间差，得反应时间，已知乙醇密度，计算得乙醇进料质量分析图谱得乙醇组分比例，得出乙醇反应后剩余质量，再由此算出乙醇的转化率读出乙烯体积，算出乙烯质量，得乙烯的收率乙烯选择性等于乙烯收率与乙醇转化率之比2实验数据处理2.1原始数据 表一 温度记录进料流量Q（ml/min）反应器上段T1（）反应器中断T2（）反应器下端T3（）预热温度T5（）0.62953152951100.8295315295110 表二 样品质量温度
11、/进料流量Q/ml/min湿式流量计读数/L瓶重/g瓶重+样品质量/g3150.63.80826.893830.73960.84.02427.458533.7893 表三 色谱分析温度/进料流量Q/ml/min物质保留时间tR/min峰面积A峰面积平均值3150.6乙醇1.9741876081837901.970179972正丙醇2.370120527011853582.36111654460.8乙醇1.9722995402946111.948289682正丙醇2.3807218007070182.3536922362.2数据处理过程以0.8ml/min的进料流量列举计算过程已知：气相色谱乙醇
12、相对校正因子fi=1.1841 内标物正丙醇的相对校正因子fs=1（1）乙醇转化率X的计算由反应开始前后时间得反应时间=20min，95%乙醇的密度=0.789g/cm3则乙醇进料体积V=20min0.8ml/min=16.0ml，乙醇的进料质量m进=16.0ml0.810g/cm3=12.624g产物中乙醇含量样品质量m样=33.7893-27.4585=6.3308g 乙醇反应后剩余质量m余=6.3303g 24.67%=1.5618g乙醇的转化率（2）乙烯的收率计算乙烯的体积V=4.024L，由PV=nRT得：由反应式C2H5OH C2H4H2O 得：生成乙烯所需的乙醇量=乙烯的收率(3
13、)乙烯的选择性S的计算2.3数据处理汇总乙醇进料流量Q/ml/min0.60.8样品质量/g3.84586.3308乙醇的进料质量/g9.46812.624产物中乙醇含量%9.18 24.67 乙醇反应后剩余质量m余/g0.3530 1.5618 乙醇的转化率X/%96.27 87.63乙烯摩尔量n/mol0.170 0.180 生成乙烯所需的乙醇量/g7.816 8.259 乙烯收率/%82.55 65.42乙烯选择性/%85.74 74.663结果分析与讨论3.1进料流量对转化率、选择性、收率的影响本次实验的改变量是乙醇进料流量，由上图可以看出，随着乙醇进料流量的增大，乙醇的转化率、乙烯收
14、率以及乙烯的选择性都减小了。为此要提高乙烯的收率可适当减少进料流量。3.2实验误差实验中有较大的误差，引起误差的原因有：色谱仪器使用年限过久本身存在着较大的系统误差；因实验仪器灵敏度而产生的读数等系统误差；计算过程中引入了计算误差；色谱分析过程中引起的误差。4对本实验的建议为了减小误差，在时间允许的情况下，变量尽可能分布较多点，以提高实验准确性。5思考题5.1反应转化率的提高和哪些因素有关？ 答：乙醇反应转化率的提高和空速、反应温度、进料乙醇浓度等因素有关。空速直接关系到反应停留时间长短。反应停留时间越长，反应越彻底，乙醇的转化率也就越高。反应温度关系到反应常数，反应温度越高，反应常数越大，因而反应速率提高，转化率也就跟着提高。而进料乙醇的浓度越高，从气体反应的碰撞理论上来看，反应器内分子碰撞次数也随之提高，因此反应速率提高，转化率提高。 5.2固定床反应器的特点？答：固定床反应器的优点：返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应有副反应时可得到较高选择性。催化剂机械损耗小。 结构简单。固定床反应器的缺点：
