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1、异丙醇气固相催化脱氢制备丙酮操作说明一、前言丙酮(Acctone)亦称2-丙酮(2-Propanone),无色透明,易燃,易挥发液体,有微香气味。分子式C3Vh6O,结构简式(CH3)2CO,分子量58.08,熔点-94.6,沸点56.5,密度(20)0.7898g/cm3.能与水、甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等混溶,能溶解油脂肪、树脂和橡胶,是制造醋酐、双丙酮醇、氯仿、碘仿、环氧树脂、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯等,是一种重要的溶解原料。在无烟火药、赛璐珞、醋酯纤维、喷漆等工业中做溶剂。生产中,丙酮的制备和来源主要有以下几种途径:1、淀粉发酵;2、丙烯水和成异丙醇,再经催化脱氢或催化氧化;
2、3、异丙苯氧化水解;4、丙烯在钯作催化剂液相氧化。此外,也可从木材干馏而得。实验室中常用乙酸钙干馏制得。本实训采用的反应装置是一种典型的气固相催化脱氢工艺。当市场上异丙醇大量过剩情况下,为寻找出路,它仍有一定的生产意义。因此通过本实训掌握有关脱氢工艺技术还有实用价值。本实训的内容包括掌握气固相固定体催化剂脱氢反应的工艺条件,了解脱氢催化剂的组成作用。测试活性方法,了解固定床反应器的结构与操作使用方法;了解脱氢产物组分的精制方法;了解精馏塔操作控制工艺,掌握实验仪器的使用,及色谱分析方法,能够独立进行操作。本实训的优点是:催化剂的反应温度较低,易于操作;精制反应条件易于操作;产品易于分析;物料易
3、于购买。二、反应原理常压200-300,异丙醇在催化剂表面,脱氢吸热生成丙酮,并产生大量氢气。 本实验主要涉及两个过程。温度适中时,发生主反应(CH3)2CHOH(CH3)2CO+H2;起始时,由于(CH3)2CHOH的加入,汽化需要吸收大量的热,导致反应温度降低,发生副反应(CH3)2CO+(CH3)2CHOH(CH3)2CHCH2COCH3+H2O。温度过高时,发生分子内脱水,生成丙烯,(CH3)2CHOHCH2CHCH3+H2O。因此温度控制的是否得当是生成目的产物的关键。三、装置配置及流程与面板布置1.装置配置反应器:30750mm;预热器:12220mm;反应炉:三段加热,每段功率1
4、.5kw,最高使用温度700;预热炉:加热功率 0.5kw;气液分离器:50mm,长220mm;精馏塔1:塔径15mm、塔高1400mm,5侧口,两段加热保温,功率300W; 塔釜250ml,加热功率200300W; 预热器 加热功率70W;精馏塔2:塔径15mm、塔高1200mm,3侧口,一段加热保温,功率300W; 塔釜250ml,加热功率200W;回流比控制器:099秒可调,数码显示。3.装置面板布置图流程示意图四、分离方案本实验中产品的分离是采用常压精馏的方法。常压下,丙酮的沸点56.5,异丙醇的沸点82.5。副反应是导致产物中含水的原因,分离方案要依据具体需要而确定。情况主要有两种:
5、1.若反应控制得当,反应产物中水的含量较少,即副产物少,采取连续式精馏,将产品流进塔1,得到较高纯度的丙酮;再流进塔2,得到更高纯度的丙酮产品。2.若反应产物中水的含量较高,即反应选择性差,负反应剧烈,采取连续精馏和间歇精馏组合方式分离。将反应产物用连续精馏的方法进入塔1,大回流比控制,得到高纯度的丙酮。将塔1釜液采用间歇精馏的方式放入塔2,回收异丙醇。此方案需要注意的是,异丙醇和水会形成共沸物,它们的分离只能采取特殊的分离方法。例如:共沸精馏,萃取精馏等。五、分析条件采用CU-ZN-AL基-NiO催化剂,装填600ml,在200-300下,进料量控制在0.8-1.6ml/min,反应器为管式
6、固定床。反应原料与产物均系用色谱仪进行分析。色谱仪使用条件如下:色谱柱:GDX-104 32000mm;载气:氢气;热导检测器:桥流100mA,温度100;柱前压:0.1Mpa;柱温:100;汽化器:100。六、操作1.反应操作催化剂装填由于反应器直径较大,两端密封螺帽难以拧紧,故必须在台钳上进行操作,催化剂装填要在振动情况下从上部倒入,反应器结构示意图如下:将反应器用丙醇或乙醇擦拭干净后,插入热电偶套管,调整支撑架高度,使管靠向下部,留出部分空间约200mm,在支架上部放油80-100目的不锈钢网,网上添加玻璃棉(高硅铝棉),用棒插入,测量高度后记录该值,并在反应器外部做一记号。(注意此时必
7、须先将反应器下部的接头拧上,并将热电偶套管的螺帽拧紧,使套管不再移动,否则套管再装填催化剂时要移动,不能准确定位。)此后添加催化剂,最好为直径3mm,长5-6mm颗粒,边装边振动反应器,使催化剂均匀堆积,不形成架桥现象。当加入400-500ml催化剂(取一定量,按催化剂堆比重决定,不能太多)再量此时床层高度并记录,后加玻璃棉少许或上部装填玻璃球55或SiO244mm直至顶部后再加玻璃棉,擦拭干净封头后拧紧接头,并用力拧紧大螺帽,最后装入反应炉内,连接上进出口接头。(注意:操作时要观察反应器出入口接头位置是否与现场一致,不一致要调整过来,免去在现场调整,现场不易拧紧螺帽。)试漏 开车前首先对设备
8、进行试漏,这一点很重要,务必认真进行。将压缩气体接入氮气进气口,如果连接在氮气钢瓶上,打开减压阀,调整进气,使流量维持最低进气即可,关闭气液分离器的出口阀,使系统密闭,进气维持压力在0.05Mpa,关闭进气阀,停留5分钟,开启测压电源,在仪表上有压力数值显示,(压力表上也有指示),当压力不下降时认为合格。可开启各路阀门,后检查电路。电路检查 将各热电偶插入相应位置,开启各路电源,相应控制或测定温度仪表上有数值显示,分别拔掉热电偶插件,在相应的仪表上有四位数闪烁,说明连接正确,再将热电偶插回原插件内,把所有的热电偶检查完毕后可通氮气,开启加热系统升温至所需温度。升温反应 当温度达到200时,停止
9、进氮气,开始进液体原料。 保持进料速度不变,在160300度之间每隔十五摄氏度,稳定20分钟后,取样称量后进行色谱分析,记录尾气量,并记录下数据;然后保持温度不变,比如250,改变进料速度,测定产物含量,并记录数据。实验完毕,先关反应器,后关冷却水。先关色谱仪,后关闭氢气。2.精馏操作精馏塔的安装装置法兰采用凸凹面,内有聚四氟乙烯垫片,装塔时应对正法兰口,放入后左右不能推动认为已插好,可以对角上紧螺栓。在连接好后,接上管路接头,在塔顶回流段或釜下通入压缩空气,观察压力计在0.15Mpa时下有无下降,五分钟内不降为合格。如下降要用肥皂水涂各接口处查漏,直至不降为止可进行试验。将各部分的控温、测温
10、热电偶放入相应位置的孔内。检查操作台板面各电路接头,检查各接线端子与线上标记是否吻合。检查仪表柜内接线有无脱落。加料进行间歇精馏时,要打开釜的加料口或取样口,加入被精馏的样品;连续精馏初次操作还要在釜内加入一些被精馏的物质或釜残液。升温 开启釜热控温开关,调整到所需温度。保温温度调节不要超过物料的沸点,要低于沸点15左右,避免形成再沸现象。仪表的具体操作参看仪表操作说明书(AI人工智能工业调节器说明书)。升温注意事项:釜热控温仪表的给定温度要高于沸点温度20-30,使加热有足够的温差以进行传热。其值可根据实验要求而取舍,边升温边调整,当很长时间还没有蒸汽上升到塔头内时,说明加热温度不够高,还需
11、提高。此温度过低蒸发量少,没有馏出物;温度过高蒸发量大,易造成液泛。还要再次检查是否给塔头通入冷却水,此操作必须在升温前进行,不能在塔顶有蒸汽出现时再通水。升温后观察塔釜和塔顶温度变化,当塔顶出现气体并在塔头内冷凝时,进行全回流一段时间后可开始出料。有回流比操作时,应开启回流比控制器给定比例(通电时间与停电时间的比值,通常是以秒计),此比例即采出量与回流量之比。连续精馏时,在一定的回流比和一定的加料速度下,当塔底和塔顶的温度不再变化时,认为已达到稳定,可取样分析,并收集之。停车操作停止操作时,关闭各部分开关,关闭泵,待无蒸汽上升时停止通冷却水。由于塔釜保温较好,釜降温较慢,故停车后还有较多气体
12、在塔顶馏出。七、试验记录与数据处理1.产物的计算方法异丙醇转化率=原料异丙醇量-液体产物异丙醇量/原料异丙醇量100%;丙酮收率=液体产物丙酮量/液体产物总量100%;选择性=丙酮收率/异丙醇转化率2原始数据表: (1)保持进料流量不变,改变反应温度,控制异丙醇进料流量为1.6mL/min温度()丙酮含量(%)异丙醇含量(%)22248.8539.9623358.135.824964.8829.9263.374.2521.69275.883.912.58283.886.579.907异丙醇实验分析报告温度为222时,色谱分析图样如下:序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.541 水
13、5.753 11534 2 3.013 丙酮 48.85 97951 3 4.520 异丙醇 39.96 80114 4 7.842 未知物 5.436 10900 当温度为283.8时,色谱分析图样如下:序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.546 水 2.217 3994 2 2.954 丙酮 86.57 155972 3 4.888 异丙醇 9.907 17848 4 8.253 未知物 1.301 2343 当温度为292.2时,色谱分析图样如下:序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.501 水 3.936 14089 2 2.629 丙酮 80.07 286585 3 3.847 异丙醇 15.48 55410 4 6.278 未知物 0.5125 1834 八、实验讨论1.异丙醇脱氢是强烈的吸热反应,从实验中可以看出,当反应器稳定在某个温度下,并开始进料反应时,反应器温度会迅速的降温,这时,必须等到反应器温度