固定床乙醇反应脱水

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1、实验四 固定床乙醇脱水反响实验研究一、实验目的1. 掌握乙醇脱水实验的反响过程和反响机理、特点，了解针对不同目的产物的反响条件 对正、副反响的影响规律和生成的过程。2. 学习气固相管式催化反响器的构造、原理和使用方法，学习反响器正常操作和安装 掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。3. 学习动态控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小，怎样控制床层温度分布。4. 学习气体在线分析的方法和定性、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. 学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。二、

2、 实验原理乙醇脱水生成乙烯，是一个吸热、分子数增不变的可逆反响。提高反响温度、降低反响 压力，都能提高反响转化率。乙醇脱水可生成乙烯和乙醚，但高温有利于乙烯的生在，较低 温度时主要生成乙醚。乙醇在催化剂存在下受热发生脱水反响，既可分子内脱水生成乙烯， 也可分子间脱水生成乙醚。现有的研究报道认为，乙醇分子内脱水可看成单分子的消去反响， 分子间脱水一般认为是双分子的亲核取代反响，这也是两种相互竞争的反响过程，具体反响 式如下：c2h5oh 一C2H4 + H2O(1)c2h5oh 一c2H5Oc2H5 +H2O(2)目前，在工业生产方面，乙醚绝大多数是由乙醇在浓硫酸液相作用下直接脱水制得。但 生产

3、设备会受到严重腐蚀，而且排出的废酸会造成严重的环境污染。因此，研究开发可以取 代硫酸的新型催化体系已成为当代化工生产中普遍关注的问题。目前，在这方面的探索性研 究已逐渐引起人们的注意，大多致力于固体酸催化剂的开发，主要集中在分子筛上，特别是ZSM-5 分子筛。研究发现，通过对反响热力学函数的计算分析可了解到乙醇脱水制乙烯、制乙醚是热效 应相反的两个过程，升高温度有利于脱水制乙烯吸热反响，而降低温度对脱水制乙醚更 为有利微放热反响，所以要使反响向要求的方向进行，必须要选择相适应的反响温度区 域，另外还应该考虑动力学因素的影响。本实验采用 ZSM5 分子筛为催化剂，在固定床反响器中进行乙醇脱水反响

4、研究，反 响产物随着反响温度的不同，可以生成乙烯和乙醚。温度越高，越容易生成乙烯，温度越低 越容易生成乙醚。实验中，通过改变反响的进料速度，可以得到不同反响条件下的实验数据 通过对气体和液体产物的分析，可以得到反响温度下的最正确工艺条件和动力学方程，反响 机理如下：主反响：C2H5OH f c2h4 + h2o(1)副反响：C2H5OH f C2H5OC2H5 +H2O (2)在实验中，由于两个反响生成的产物乙醚和水留在了液体冷凝液中，而气体产物乙烯是 挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。对于不同的反响温度，通过计算不同的转化率和反响速率，可以得到不同反响温度下的 反响速率常数，并得

5、到温度的关联式。三、实验流程及仪器设备乙醇脱水固反响器，气相色谱及计算机数据采集和处理系统，精密微量液体泵，蠕动泵。ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，蒸馏水。20211、原料无水乙醇； 2、乙醇进料泵； 3、湿式流量计； 4、催化剂床层温度控制显示仪表 5、预热器加热温度控制显示仪表； 6、反响器加热温度控制显示仪表； 7、反响器；8、产物空气冷却器；9、产物气液别离器；10、ZSM-5分子筛催化剂；11、样品采出阀图 1 实验装置流程图四、实验步骤1、按照实验要求，将反响器加热温度设定为270C，预热器温度设定为150 C。2、在温度到达设定值后，继续稳定 20 分钟，然后开始参

6、加乙醇，加料速度设定 为 0.9ml/min 。3、反响进行10分钟后，正式开始实验。先换掉反响器下的吸收瓶，并换上清洗干净的 新瓶。记录湿式流量计的读数，应每隔10分钟记录反响温度和尾气流 量等实验条件。4、每个流量反响 30 分钟，然后取出吸收瓶中的液体，用天平对液体产物准确称重，并 进行色谱分析。5、在实验期间配制适宜浓度的水、无水乙醇的标准溶液，并对标准溶液进行三次色谱 分析，色谱分析峰面积比例不得相差大于1%，以确定水、无水乙醇的相对校正因子，为后 续的反响残液的定量分析作准备。6、依次改变乙醇的加料速度为0.6ml/min, 1.2ml/min,重复上述实验步骤，那么得到不同加料速

7、度下的原料转化率、产物乙烯收率、副产物乙醚的生成速率等。7、实验结束后，关闭各加热器，翻开尾液收集器阀门，放掉尾液，关闭总电源。五、原始数据记录表表 1 乙醇进料原始数据表加料速 率ml/min时间流量计读数/L预热器温 度/C反响器温 度/C床层温度/C产品质量/g13:56172.72150.0258.8269.90.914:06173.27150.0258.3270.019.5214:16173.81150.0258.0269.914:26174.37150.0258.0270.014:36174.90150.1260.4270.10.614:46175.41150.0260.8270.

8、111.5614:56175.97150.0260.9270.015:06176.44150.0261.0270.115:16176.83146.9256.6269.91.215:26177.31146.5255.8270.028.6715:36177.78148.9255.9270.115:46178.35149.6255.9270.6表2标准液配置数据记录表水乙醇质量/g1.732.95质量百分数/%36.9763.03表3色谱分析条件表载气1柱前压：0.030MPa载气2柱前压：0.025MPa进样量：0.2卩1桥电流： 100mA汽化室温度：100C柱箱温度：125C 检测室温度：10

9、0F相对校正因子表4 气相色谱分析结果加料速率ml/min序号出峰序号保存时间min峰面积峰面积比例标准1水0.24612145839.34乙醇0.56218727060.662水0.24510688639.58乙醇0.56616317360.420.91水0.2586574823.24乙醇0.57216841559.54乙醚1.2934871917.222水0.2736541623.51乙醇0.58816654859.85乙醚1.3104630716.640.61水0.2787746328. 47乙醇0.59914371652.83乙醚1.3135087118.702水0.257909992

10、9.23乙醇0.57516270252.25乙醚1.2845768218. 521.21水0.2644808718.85乙醇0.58015860462.18乙醚1.3024837318. 972水0.2506059019.51乙醇0.56219154761.68乙醚1.2815842318.81六、实验数据处理及作图1. 计算乙醇相对校正因子：两次标准色谱结果峰面积比例：A =39.34% A =60.66%水1 醇1A =39.58% A =60.42%水2醇2根据标准溶液的配比及公式二丁得方程有36.97% =36.97% =/水 X 39.3439.34 + x 60.66/水 X 39

11、.58f水 x39,5B + f醇2 冥 6642解方程得到1；!：乙醇相对校正因子为居=L11表5质量相对因子校正表物质水乙醇乙醚质量相对校正因子1.001.111.052不同流速下组分的质量分数以0.90ml/min流速为例： 先求取峰面积比例平均值 A =23.38%，A =59.69%，A =16.93%水醇醚1.00 X 23.38根据公式亍-1.11 X 59.693土 = 1.00 X 23.33 + 1.11 X 59.69 + 1.05 X 16.93 =叫.=1.00 x 23.33 4 1.11 x 59.69 4 1.05 X 1(x93 =右?1.05 X 16.93

12、叫=1.00 x 23.38 + 1.11 x 59.69 + 1.05 x 16.93 = 165表6样品各组分质量分数表进样速率ml/min组分峰面积比例/%质量分数12平均值0.6水28.4729.2328.850.270乙醇52.8352.2552.540.547乙醚18.718.5218.610.1830.9水23.2423.5123.380.218乙醇59.5459.8559.690.617乙醚17.2216.6416.930.1651.2水18.8519.5119.180.178乙醇62.1861.6861.930.638乙醚18.9718.8118.890.1843乙烯的收率，

13、乙醇的转化率，副产物乙醚的收率以0.90ml/min流速为例表 7各物质物性参数物质密度/g/mL摩尔质量/g/mol水0.998218.02乙醇0.78946.07乙醚0.713574.12乙醇体积含量为 95%，进料 30min那么流速为0.90ml/min时，进料量为46.070.90 x 0,95 x 0790 x 30 -：-0.44 伽川湿式流量计测得产物乙烯体积为1/- 174-37 - 172,72 - L65A乙烯物质的量为PV 101.325 x1.65. - c r r 丿 rc f 0.0696 fllO I RT 8.314 X 289根据上面算出的质量分数，可以算出流出液中各组分含量19.52 X 0.617 它二107二 -261mOf19.52 X 0.165呢乙醍一両一 0 0435 mo19.52 x 0.21818?1木.0k236mo乙醇转化率为乙烯收率0.06960 440 -158乙醚收率n.,0,0435= 0,198乙烯选择性0.06960440 -0.261 = 0 389各流速进料结果如下表表 8 进料流量变化