乙醇脫水實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱： 乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)人員： xxxx 同組人： xxx xxx 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：天大化工技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心 630 室實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2014年4月25日 班級/學(xué)號： 11 級 化材 班 2 組 xxxxxxxxxxx號實(shí)驗(yàn)成績： 乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握乙醇脫水實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理、特點(diǎn)，了解針對不同目的產(chǎn)物的反應(yīng)條件對正、副反應(yīng)的影響規(guī)律和生成的過程；2. 學(xué)習(xí)氣固相管式催化反應(yīng)器的構(gòu)造、原理和使用方法，學(xué)習(xí)反應(yīng)器正常操作和安裝，掌握催化劑評價(jià)的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步驟和方法；3. 學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)控制儀表的使用，如何設(shè)定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床層溫度分布；4. 學(xué)習(xí)氣體在線分析的方法和定性、定量分析，學(xué)習(xí)如何手動(dòng)進(jìn)樣分析液體成分。了解氣相色譜的原理和構(gòu)造，掌握色譜的正常使用和分析條件選擇；5. 學(xué)習(xí)微量泵和蠕動(dòng)泵的原理和使用方法，學(xué)會(huì)使用濕式流量計(jì)測量流體流量。二、實(shí)驗(yàn)儀器和藥品乙醇脫水氣固反應(yīng)器，氣相色譜及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動(dòng)泵。ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。三、實(shí)驗(yàn)原理乙烯是重要的基本有機(jī)化工產(chǎn)品。乙烯主要來源于石油化工，但是由乙醇脫水制乙烯在南非、非洲、亞洲的一些國家中仍占有重要地位。乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個(gè)吸熱、分子數(shù)增多的可逆反應(yīng)。提高反應(yīng)溫度、降低反應(yīng)壓力，都能提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時(shí)主要生成乙醚，有人解釋這大概是因?yàn)榉磻?yīng)過程中生成的碳正離子比較活潑，尤其在高溫，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時(shí)已經(jīng)失去質(zhì)子變成乙烯而在較低溫度時(shí)，碳正離子存在時(shí)間長些，與乙醇分子相遇的機(jī)率增多，生成乙醚。有人認(rèn)為在生成產(chǎn)物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂CH 鍵，需要的活化能較高，所以要在高溫才有和于乙烯的生成。乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應(yīng)，既可分子內(nèi)脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚?，F(xiàn)有的研究報(bào)道認(rèn)為，乙醇分子內(nèi)脫水可看成單分子的消去反應(yīng)，分子間脫水一般認(rèn)為是雙分子的親核取代反應(yīng)，這也是兩種相互競爭的反應(yīng)過程，具體反應(yīng)式如下：C2H5OH C2H4 + H2O (1)C2H5OH C2H5OC2H5 +H2O (2)目前，在工業(yè)生產(chǎn)方面，乙醚絕大多數(shù)是由乙醇在濃硫酸液相作用下直接脫水制得。但生產(chǎn)設(shè)備會(huì)受到嚴(yán)重腐蝕，而且排出的廢酸會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)，通過對反應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應(yīng)相反的兩個(gè)過程，升高溫度有利于脫水制乙烯(吸熱反應(yīng))，而降低溫度對脫水制乙醚更為有利(微放熱反應(yīng))，所以要使反應(yīng)向要求的方向進(jìn)行，必須要選擇相適應(yīng)的反應(yīng)溫度區(qū)域，另外還應(yīng)該考慮動(dòng)力學(xué)因素的影響。本實(shí)驗(yàn)采用ZSM5分子篩為催化劑，在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行乙醇脫水反應(yīng)研究，反應(yīng)類型為氣固相催化反應(yīng)。其反應(yīng)過程可以分為以下三個(gè)過程:1) 反應(yīng)物分子有氣相主體擴(kuò)散到催化劑顆粒外表面；2) 分子由顆粒外表面向孔內(nèi)擴(kuò)散，到達(dá)可進(jìn)行吸附/反應(yīng)的活性中心；3) 5) 依次進(jìn)行的吸附，在表面上的反應(yīng)生成 產(chǎn)物分子，產(chǎn)物分子自表面解吸，這個(gè)過程稱為表面反應(yīng)過程； 6) 產(chǎn)物分子由顆粒內(nèi)表面擴(kuò)散到外表面； 7) 產(chǎn)物分子由外表面擴(kuò)散到氣相主體；從以上過程可以看出，氣固相催化反應(yīng)的反應(yīng)速率由以下三個(gè)方面共同決定:1) 外擴(kuò)散速率：可用費(fèi)克第一定律描述，與氣相主體和顆粒表面的濃度差和分子擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)；2) 內(nèi)擴(kuò)散速率：與內(nèi)擴(kuò)散有效因子，顆粒表面與活性中心處的濃度差有關(guān)；3) 表面反應(yīng)速率：由反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)決定；對于不同的催化劑，可以通過計(jì)算內(nèi)擴(kuò)算有效因子、外擴(kuò)散有效因子及總有效因子得到擴(kuò)散對反應(yīng)速率的影響。當(dāng)空速較小時(shí)，氣相主體濃度較低，內(nèi)、外擴(kuò)散都有影響，反應(yīng)速率低；當(dāng)空速 (本實(shí)驗(yàn)中通過乙醇流速反應(yīng)) 增大時(shí)，外擴(kuò)散影響逐漸減少，內(nèi)擴(kuò)散其主要作用；當(dāng)空速進(jìn)一步增大時(shí)，內(nèi)外擴(kuò)散影響均可忽略，反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)是主要作用，因此，增大空速，對反應(yīng)速率的影響較小，只能通過改變溫度、壓力才能使轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提高。反應(yīng)機(jī)理如下：主反應(yīng)：C2H5OH C2H4 + H2O (1)副反應(yīng)：C2H5OH C2H5OC2H5 +H2O (2)在實(shí)驗(yàn)中，由于兩個(gè)反應(yīng)生成的產(chǎn)物乙醚和水留在了液體冷凝液中，而氣體產(chǎn)物乙烯是揮發(fā)氣體，進(jìn)入尾氣濕式流量計(jì)計(jì)量總體積后排出。對于在相同的反應(yīng)溫度，不同的進(jìn)樣量下，穩(wěn)態(tài)反應(yīng)30分鐘，研究進(jìn)樣量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，收率及選擇性的影響，為工程實(shí)踐中選擇合適的空時(shí)(或空速)提供依據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)流程圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 按照實(shí)驗(yàn)要求，將反應(yīng)器加熱溫度設(shè)定為270。設(shè)置乙醇的加料速度為1.2ml/min，開始加入乙醇；2. 反應(yīng)進(jìn)行30分鐘后，正式開始實(shí)驗(yàn)。打開氣液分離器旋塞，放出液體倒入回收瓶，記錄濕式流量計(jì)讀數(shù)，而后關(guān)閉旋塞。每隔10min記錄反應(yīng)溫度、預(yù)熱溫度和爐內(nèi)溫度等實(shí)驗(yàn)條件；3. 每個(gè)加料速度下反應(yīng)30分鐘。反應(yīng)終止后，打開旋塞，用洗凈的三角錐瓶接收液體產(chǎn)物，并用天平對液體產(chǎn)物準(zhǔn)確稱重（注意接收液體產(chǎn)物前應(yīng)先稱出錐形瓶的重量），并且記下此刻濕式流量計(jì)的讀數(shù)；4. 改變加料速率，依次為0.9ml/min、0.6ml/min, 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。 原始數(shù)據(jù)表見附表1，附表2，附表4。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1計(jì)算舉例：1) 計(jì)算乙醇的相對質(zhì)量校正因子：其中：A1=26550，A2=51699；f1=1.00,W1=0.28代入數(shù)據(jù)可解的f2=1.30。同理可求得f2=1.28由此可知乙醇的相對質(zhì)量矯正因子f2=1.29。有相對保留時(shí)間可知：第一個(gè)峰是水，第二個(gè)峰是乙醇，第三個(gè)峰是乙醚。2) 以加料速率為0.6ml/min時(shí)的乙醇轉(zhuǎn)化率，乙烯收率及選擇性：第一次進(jìn)樣液體產(chǎn)物中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為液體產(chǎn)物中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為液體產(chǎn)物中乙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為兩次進(jìn)樣結(jié)果平均后歸一化可得其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為： 乙烯生成物質(zhì)的量為(實(shí)驗(yàn)氣溫為20)原料的進(jìn)量為（乙醇26密度為780kg/m3）原料乙醇的轉(zhuǎn)化率為乙烯的收率為乙醚收率為乙烯的選擇性為綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理整理表進(jìn)料速率/(ml/min)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)1乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)2乙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)3乙醇轉(zhuǎn)化率Xa乙烯收率Y乙烯選擇性S乙醚的收率Y0.60.1910 0.5518 0.2573 0.548 0.169 0.308 0.131 0.90.1313 0.5747 0.2201 0.444 0.114 0.256 0.132 1.20.1300 0.8462 0.2309 0.348 0.078 0.225 0.111 2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論討論原料乙醇的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物依稀的收率，副產(chǎn)物乙醚的收率，乙烯的選擇性等參數(shù)隨反應(yīng)進(jìn)料速率變化的規(guī)律，并列表，作圖表示。表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理整理表進(jìn)料速率/(ml/min)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)1乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)2乙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)3乙醇轉(zhuǎn)化率Xa乙烯收率Y乙烯選擇性S乙醚的收率Y0.60.1910 0.5518 0.2573 0.548 0.169 0.308 0.131 0.90.1313 0.5747 0.2201 0.444 0.114 0.256 0.132 1.20.1300 0.8462 0.2309 0.348 0.078 0.225 0.111 圖2 各參數(shù)隨進(jìn)料速率的變化曲線乙醇流速的加快表明反應(yīng)器空速加快。通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出隨著空速的加快，乙醇的轉(zhuǎn)化率降低，乙烯的收率降低，反應(yīng)對乙烯的選擇性也在降低，乙醚的收率有輕微的減小。從反應(yīng)過程分析得到相同的結(jié)論，乙醇流速增加，乙醇在催化劑內(nèi)的停留時(shí)間減少，反應(yīng)時(shí)間減少，所以轉(zhuǎn)化率降低。生成乙烯的反應(yīng)是可逆吸熱反應(yīng)，而生成乙醚的反應(yīng)是微放熱反應(yīng)，在相同的加熱電流下，流速增大反應(yīng)器內(nèi)溫度下降，正如實(shí)驗(yàn)中所測的反應(yīng)溫度是下降的，這就導(dǎo)致反應(yīng)速率總體下降，而主反應(yīng)下降較多，更有利于副反應(yīng)的發(fā)生。所以乙醇的轉(zhuǎn)化率，乙烯的收率和選擇性都顯著下降，這也體現(xiàn)了溫度是化學(xué)反應(yīng)一個(gè)最敏感的參數(shù)，稍有變化也會(huì)對反應(yīng)產(chǎn)生很大影響。溫度的稍微抑制了主反應(yīng)，刺激了副反應(yīng)，但是隨著反應(yīng)溫度的降低，反應(yīng)速率減慢，在兩者的綜合作用下副反應(yīng)產(chǎn)物乙醚的收率稍有減小。7、 問答題1 改變哪些實(shí)驗(yàn)條件，可以提高乙醇的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率？ 乙醇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的提高和空速、反應(yīng)溫度、進(jìn)料乙醇濃度等因素有關(guān)?？账僦苯雨P(guān)系到反應(yīng)停留時(shí)間長短。反應(yīng)停留時(shí)間越長，反應(yīng)越徹底，乙醇的轉(zhuǎn)化率也就越高。反應(yīng)溫度關(guān)系到反應(yīng)常數(shù)，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)常數(shù)越大，因而反應(yīng)速率提高，轉(zhuǎn)化率也就跟著提升。而進(jìn)料乙醇的濃度越高，從氣體反應(yīng)的碰撞理論上來看，反應(yīng)器內(nèi)分子碰撞次數(shù)也隨之提高，因而反應(yīng)速率提高，轉(zhuǎn)化率提高。2 怎樣使反應(yīng)的平衡向有利于產(chǎn)物乙烯生成的方向發(fā)展？乙醇生成乙烯的反應(yīng)是一個(gè)分子數(shù)增大的吸熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度和減小壓強(qiáng)均有利于產(chǎn)物乙烯的生成；從氣體反應(yīng)的碰撞理論來看，進(jìn)料乙醇的濃度越低，反應(yīng)器內(nèi)分子碰頻率也隨之降低，因而有利于乙烯的生成而抑制副產(chǎn)物乙醚的生成；空速越大，流股帶走的熱量越少，乙醇分子碰撞頻率降低，有利于乙烯的生成。綜上所述：提高反應(yīng)溫度，減小壓強(qiáng)，低濃度進(jìn)料，高空速均有利于產(chǎn)物乙烯的生成。3 試論述釜式和管式反應(yīng)器合成乙烯的區(qū)別？兩者各有什么優(yōu)點(diǎn)？釜式反應(yīng)器內(nèi)混合均勻，且濃度較低，攪拌使釜內(nèi)乙醇分子的碰撞頻率增加；管式反應(yīng)器中流體是平推流，碰撞頻率較低。釜式反應(yīng)器內(nèi)乙醇的濃度低，流體壓降??；管式反應(yīng)器無反混，較釜式反應(yīng)器乙醇碰撞頻率低，有利于主反應(yīng)而抑制副反應(yīng)。4 結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，敘述怎樣確定最適宜的分析條件？柱溫是一個(gè)重要的操作變數(shù)，選擇柱溫的根據(jù)是混合物的沸點(diǎn)范圍，固定液的配比和鑒定器的靈敏度。一般采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點(diǎn)的柱溫為較合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫。5 怎樣對液體產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析？定性分析：可以利用相對保留值對液體產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。選擇水作為基準(zhǔn)物，液體產(chǎn)物各組分的相對保留值可以通過下式求出，將實(shí)驗(yàn)測得的待測組分對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對保留值與文獻(xiàn)記載的相對保留值進(jìn)行對照，即可定性。定量分析：根據(jù)氣相色譜峰面積比值和所得相對校正因子，利用下面公式即可以得到液體產(chǎn)物的組成。6 怎樣對整個(gè)過程進(jìn)行物料衡算，應(yīng)注意哪些問題？根據(jù)反應(yīng)方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質(zhì)量可以算出反應(yīng)所需的乙醇的總量，利用下面表達(dá)式對乙醇進(jìn)行物料恒算：液體產(chǎn)物中乙醇質(zhì)量 + 生成反應(yīng)物消耗的乙醇質(zhì)量=乙醇進(jìn)量若上式等于零，則表明物料守恒。要進(jìn)行物料衡算應(yīng)該注意下述條件：保證反應(yīng)過程應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設(shè)備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標(biāo)溫度確定；確保色譜讀數(shù)可靠。實(shí)驗(yàn)中，通過完成兩次色譜測定，只有當(dāng)兩次色譜結(jié)果各值差距不超過1時(shí)，才能確保色譜操作可信。確保每次稱量液體產(chǎn)品前，都要對三角錐瓶進(jìn)行稱重，不能以第一次結(jié)果進(jìn)行測量。因?yàn)槊看螌?shí)驗(yàn)都要對容器進(jìn)行徹底地清洗，凡士林不能保證每次涂抹量一樣。最好保證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間控制精確到秒。這是因?yàn)橐掖歼M(jìn)量是根據(jù)流量乘以時(shí)間求出，相差幾十秒對實(shí)驗(yàn)衡算結(jié)果影響也是不小的。7 實(shí)驗(yàn)中，哪些簡化的處理方法可能造成實(shí)驗(yàn)誤差？應(yīng)怎樣進(jìn)一步改進(jìn)？反應(yīng)器出口物料經(jīng)空氣冷凝器，其中的水蒸氣，乙醇和乙醚不完全冷凝而被乙烯氣體帶出，使得液體產(chǎn)物的總量減少，氣體產(chǎn)物的總量增加?？蓪⒖諝饫淠鲹Q成以水做冷介質(zhì)的冷凝器，使過程冷凝充分。8 談?wù)勗趯?shí)驗(yàn)中得到的一些體會(huì)和對實(shí)驗(yàn)的建議。本次實(shí)驗(yàn)是對氣相色譜定量分析的一次比較全面的總結(jié)。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生除了需要掌握根據(jù)氣相色譜峰值分析混合物中各組分的含量，還必須熟悉對未知校正因子的求算方法；同時(shí)也向?qū)W生們展示了檢驗(yàn)催化劑效率的實(shí)驗(yàn)方法，通過對本次實(shí)驗(yàn)的全局回顧，學(xué)生可以舉一反三，采用相同的機(jī)制，對其他類似的反應(yīng)進(jìn)行相同方面的研究；本次實(shí)驗(yàn)也極大地提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，通過積極參與實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生可以了解并熟悉到很多設(shè)備的基本操作，并且可以總結(jié)出一系列的準(zhǔn)則。但是本次實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)中確實(shí)也存在一些問題值得改進(jìn)。由于只研究了空速對反應(yīng)的影響，所以實(shí)驗(yàn)無法讓學(xué)生可以完整了重復(fù)前人研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的流程?？梢栽鲈O(shè)選作實(shí)驗(yàn)，完成反應(yīng)溫度和催化劑對該實(shí)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)的影響，并測定動(dòng)力學(xué)參數(shù)。