固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验.docx
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固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验
固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验
学校:
齐齐哈尔大学化学
学院:
化学与化学工程学院
班级:
化工112马林福,何青云,张杰
化工113贾楠,王丽博
指导教师:
***
日期:
2014年11月26日
固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验
贾楠,马林福,王丽博,何青云,张杰
(齐齐哈尔大学化学与化学工程学院,161006)
摘要:
乙烯是重要的基本有机化工产品。
在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究,反应产物随着反应温度的不同,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,通过改变反应的进料速度,可以得到不同反应条件下的实验数据,可以得到反应温度下的最佳工艺条件。
关键词:
乙烯;进料速度;固定床反应器;最佳工艺条件;
Abstract:
Ethyleneisanimportantbasicorganicchemicalproducts.Forethanoldehydrationreactionresearchinafixedbedreactor,reactionproductscanbeethyleneoretherwithadifferentreactiontemperatureinachemicalreactionthatthehighertemperature,themoretendtogenerateethyleneandthelowertemperature,themoretendtogenerateether.Bychangingthespeedofincomingmaterialsofreactions,theexperimentaldatasdissectivetogetthebestprocessconditionsareobtainedinadifferentreactioncondition.
Keywords:
ethylene;feedrate;fixedbedreactor;thebestprocessconditions
1前言
乙醇脱水生成乙烯和乙醚,是一个吸热、分子数增不变的可逆反应。
提高反应温度、降低反应压力,都能提高反应转化率。
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,有人解释这大概是因为反应过程中生成的碳正离子比较活泼,尤其在高温,它的存在寿命更短,来不及与乙醇相遇时已经失去质子变成乙烯.而在较低温度时,碳正离子存在时间长些,与乙醇分子相遇的机率增多,生成乙醚。
有人认为在生成产物的决定步骤中,生成乙烯要断裂C—H键,需要的活化能较高,所以要在高温才有和于乙烯的生成。
乙醇在催化剂存在下受热发生脱水反应,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应,分子间脱水一般认为是双分子的亲核取代反应,这也是两种相互竞争的反应过程,具体反应式如下:
C2H5OH→C2H4+H2O
(1)
C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O
(2)
研究发现,通过对反应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(吸热反应),而降低温度对脱水制乙醚更为有利(微放热反应),所以要使反应向要求的方向进行,必须要选择相适应的反应温度区域,另外还应该考虑动力学因素的影响。
本实验采用ZSM-5分子筛为催化剂,在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究,反应产物随着反应温度的不同,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,通过改变反应的进料速度,可以得到不同反应条件下的实验数据,通过对气体和液体产物的分析,可以得到反应温度下的最佳工艺条件和动力学方程。
反应机理如下:
主反应:
C2H5OH→C2H4+H2O
(1)
副反应:
C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O
(2)
在实验中,由于两个反应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。
对于不同的反应温度,通过计算不同的转化率和反应速率,可以得到不同反应温度下的反应速率常数,并得到温度的关联式。
2实验部分
2.1实验仪器和药品
仪器:
乙醇脱水固反应器,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。
药品:
ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂,分析纯乙醇,蒸馏水。
2.2实验步骤
1.按照实验要求,将反应器预热段温度设定为
,反应管上段,中段,下端温度分别为340
,370
330
。
2.在温度达到设定值后,继续稳定
分钟,然后开始加入乙醇,加料速度设定为
3.反应进行10分钟后,正式开始实验。
先换掉反应器下的吸收瓶,并换上清洗干净的新瓶。
记录湿式流量计的读数,应每隔一定时间记录反应温度和尾气流量等实验条件。
4.每个流量反应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.依次改变乙醇的加料速度为
、
,1.4
重复上述实验步骤,则得到不同加料速度下的原料转化率、产物乙烯收率、副产物乙醚的生成速率等。
6.实验结束后,关闭进料开关。
继续加热20分钟,之后关闭各加热器,打开尾液收集器阀门,放掉尾液,关闭总电源。
3结果与讨论
表1热导池检测器上fi(载气H2)
出现顺序
1
2
34
组分i
乙烯
水
乙醇乙醚
校正因子
2.09×10-2
3.05×10-2
1.39×10-29.05×10-3
进料量为1.4ml∕min,得到液相产品m=m2−m1=49.884−38.127=11.757g
同理
=0.527
表2各流量下乙醇、水的质量分数
流率ml∕min
液相质量g
0.8
10.007
0.754
0.246
1.0
14.916
0.430
0.570
1.2
20.476
0.540
0.460
1.4
11.757
0.428
0.572
1.6
33.654
0.801
0.199
转化率,选择性和收率的计算
乙醇进料量
Q=ρF乙=0.789
1.40=1.1046g∕min
28min内进料物质的量
n乙。
=1.1046
28∕46.07=0.6713mol
湿式流量计测得乙烯体积
V=4.800-0.528=4.2722L
标准状况下乙烯
neth=PV∕RT=101.325
4.2722∕(8.314
293.15)=0.178mol
由气相色谱测得的结果可得乙醇物质的量
n乙=
表3计算各数据如下表
流率ml∕min
乙醇进料流量g∕min
乙醇反应时间内物质的量
n乙。
∕mol
乙烯物质的量neth∕mol
0.8
0.631
0.411
0.260
1.0
0.789
0.514
0.198
1.2
0.947
0.617
0.190
1.4
1.105
0.671
0.178
1.6
1.262
0.822
0.083
乙醇的转化率
X=(n乙。
−n乙)∕n乙。
=78.25%
乙烯的收率
Yeth=neth∕n乙。
=26.52%
乙烯的选择性
S=Yeth∕X=26.52%∕78.25%=0.339
表4进料流量与转化率、收率和选择性数据表
流率ml∕min
乙醇转化率
乙烯收率
乙烯选择性
0.8
0.856
0.632
0.739
1.0
0.729
0.385
0.528
1.2
0.611
0.308
0.505
1.4
0.783
0.265
0.339
1.6
0.288
0.101
0.351
图1进料流量与转化率、收率和选择性关系图
4结论
由图1可知,随着进料速度的增大,反应的乙醇转化率、乙烯收率、乙烯选择性都减小,而副产物乙醚的含率增加。
为方便分析,将反应器简化为管式反应器(PFR),且忽略温度和生成气体体积对空时的影响。
反应器中主要进行以下反应:
主反应:
副反应:
将两个反应看出基元反应,则有:
因此有
所以
可知当
增大时,
减小,即
减小。
所以当增加进料速度时,乙醇转化率减小,与实验结果相符。
又有
可知当
增大时,因为
减小,所以
增大,进而
减小。
所以当增加进料速度时,乙烯的收率减小,与实验结果相符。
乙烯瞬时选择性为
可知,当
增大时,
减小,与实验结果相符。
催化剂理论解释
乙醇进料流量增大,说明反应空速增大。
随着反应空速的增大,乙醇的转化率降低,乙烯的收率下降,反应对乙烯的选择性也降低。
空速是指单位时间内,单位体积(或质量)的催化剂所通过的反应物的体积(或质量)。
乙醇进料流量增大,反应空速增大,反应物乙醇在催化剂床层的停留时间缩短,即有一部分乙醇没来得及反应就随气流离开反应器,随后进入反应产物中,并且进料流量越大,未反应的乙醇的量就越多。
所以,随着乙醇进料流量增大,乙醇转化率降低,乙烯收率下降,反应对乙烯的选择性也降低。
参考文献
[1]贾丽华,郭祥峰,李金龙.化学工程与工艺综合实验.哈尔滨工程大学出版,2009,9
[2]赵本良,赵宝中.以杂多酸催化法乙醇脱水制乙烯[J].东北师大学报(自然科学版),1995,(01):
70-72.
[3]赵本良,王静波,王春梅.杂多酸催化剂催化乙醇脱水制乙烯[J].东北师大学报(自然科学版),1997,(03):
41-43.
附图
气相色谱测量结果
第一组
气样:
流速0.8ml/min
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.5234559.93330686.10095.9314
22.37396.6361301.4504.0686
液样:
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.47319219.174135933.18887.0810
21.1151207.27720166.46512.9190
第二组
气样:
1.0ml/min
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.5075738.22837584.75098.4320
21.41576.379598.7001.5680
液样:
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.5232720.30222024.56437.6782
20.9822327.55636429.83662.3218
第三组
.气样:
1.2ml/min
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.4904559.84227956.600100.0000
液样:
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.5151879.54014858.68028.0044
20.9232521.56038199.62171.9956
第四组
气样:
1.4ml/min
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.4655386.97931897.19996.0448
22.13289.0411313.5503.9552
液样:
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.4902477.76718402.07837.8718
20.9152153.32630188.37362.1282
第五组
气样:
1.6ml/min
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.4485169.81629803.449100.0000
液样:
峰号峰名保留时间峰高峰面积含量
10.523671.1324462.99110.1928
20.8482900.28739322.93089.8072
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