实验一 流化床反应器的特性测定.docx

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实验一流化床反应器的特性测定

实验一流化床反应器的特性测定

一、实验目的

流化床反应器的重要特征是细颗粒催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒

剧烈地上下翻动。

这种运动形式使床层内流体与颗粒充分搅动混和，避免了固定床反应

器中的“热点”现象，床层温度分布均匀。

然而，床层流化状态与气泡现象对反应影响

很大，尽管有气泡模型与两相模型的建立，但设计中仍以经验方法为主。

本实验旨在观

察和分析流化床的操作状态，目的如下：

1、观察流化床反应器中的流态化过程。

2、掌握流化床压降的测定并绘制压降与气速的关系图。

3、计算临界流化速度及最大流化速度，并与实验结果作比较。

二、实验原理

与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：

①可以实现固体物料的连续输入和

输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于

控制，特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂

失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例

子。

流化床存在的局限性：

①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，

无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的

产物的收率；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了

反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，

加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失。

（1）流态化现象

气体通过颗粒床层的压降与气速的关系如图4-1所示。

当流体流速很小时，固体颗

粒在床层中固定不动。

在双对数坐标纸上床层压降与流速成正比，如图AB段所示。

此

时为固定床阶段。

当气速略大于B点之后，因为颗粒变为疏松状态排列而使压降略有下

降。

图1-1气体流化床的实际ΔP-u关系图

该点以后流体速度继续增加，床层压降保持不变，床层高度逐渐增加，固体颗粒悬

浮在流体中，并随气体运动而上下翻滚，此为流化床阶段，称为流态化现象。

开始流化

的最小气速称为临界流化速度umf。

当流体速率更高时，如超过图中的E点时。

整个床层将被流体所带走，颗粒在流体

中形成悬浮状态的稀相，并与流体一起从床层吹出，床层处于气流输送阶段。

E点之后

正常的流化状态被破坏，压降迅速降低，与E点相应的流速称为最大流化速度ut。

（2）临界流化速度

临界流化速度可以通过ΔP与u关系进行测定，也可以用公式计算。

常用的经验计

算式有：

在条件满足的情况下，常通过实验直接测定颗粒的临界流化速度。

（3）最大流化速度

最大流化速度ut亦称颗粒带出速度，理论上应等于颗粒的沉降速度。

按不同情况可

用下式计算：

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其中：

临界流化速度，—；最大流化速度，—

；流体粘度，—；颗粒密度，—

；流体密度，—颗粒当量直径，—

smusmu

smkgmkg

mkgmd

ud

mft

S

gp

gtp

p

//

/

/

Re

13

3

−

⋅⋅

=

μρ

ρ

μ

ρ

三、实验装置及流程

流化床特性测试实验实物图和示意流程见图1-2和1-3。

图1-3流化床反应器特性测试流程图

实验用的固体物料是不同粒度的石英砂，气体用空气。

由空气压缩机来的空气经稳压阀稳压后，由转子流量计调节计量，随后可通入装有

石英砂固体颗粒的流化床反应器。

气体经分布板吹入床层，从反应器上部引出后放空。

由于出口与大气相通，床层压力降可通过进口压力表测得。

流化床反应器的主要技术指标：

气体流量：

0～4L/min（空气）；最高操作压力：

0～0.16MPa；催化剂填装量：

10～

30ml；反应段：

Φ25×2.5mm，长450mm；扩大段：

φ76×3mm，长180mm；总长630mm；

四、实验步骤及方法

1、打开空压机，稳压后调节空气流量，测定空管时压力降与流速关系以作比较。

2、关闭气源，小心卸下玻璃流化床反应器，装入己筛分的一定粒度石英砂，检漏。

3、通入气体，在不同气速下观察玻璃流化床反应器中流化现象，测定不同气速下床层

高度与压降值。

87

4

TCI

TCI-控温热电偶；TI-测温热电偶；PI-压力计;K-调节阀；V－三通阀；W－球阀；L－六通阀

1、1'-气体钢瓶；2、2'-钢瓶减压阀；3-稳压阀；4-转子流量计;5、5'-干燥器；6-取样器；7-预热炉；

8-预热器；9-反应炉；10-流化床反应器；11-冷凝器;12-气液分离器；13-湿式流量计;14-加料

罐；15-液体泵；16－缓冲罐；17－玻璃流化床

PI

5

12

13

15

11'

22'

4

5

11

TCI

TI

PI

10

TCI

TCI

9

KK

V

V

16

14

17

W

L

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4、改变石英砂粒度重复实验。

5、实验结束关闭气源。

五、实验数据处理

1、记录不同条件下的压降ΔP与气体流量的变化值，在双对数坐标纸上进行标绘；

2、确定相应的临界流化速度与最大流化速度；

3、按实验条件计算临界流化速度与最大流化速度；注意：

最大流化速度ut不能直接算

出，需假定Rep范围后试算，再校核Rep是否适用。

六、结果与讨论

1、分析讨论流态化过程所观察的现象，与理论分析作比较；

2、分析影响临界流化速度与最大流化速度的因素有哪些，归纳实验得到的结论；

3、比较理论计算值与实验值，并作误差分析；

七、思考题（任选两题）

1、气体通过颗粒床层有哪几种操作状态？

如何划分？

2、流化床中有哪些不正常流化现象？

各与什么因素有关？

3、流化床反应器对固体颗粒有什么要求？

为什么？

实验二甲醇脱水制备清洁能源——二甲醚

一、实验目的

1、掌握内循环无梯度反应器、气相色谱仪的工作原理、工艺结构与操作过程；

2、了解甲醇气相脱水法制二甲醚的基本原理和基本工艺。

3、了解反应产物定性、定量的分析的方法，学会实验数据处理的方法。

二、实验原理

二甲醚（DME），又称木醚，甲醚，分子量46.069，是一种无毒、无味、环境友好的

化合物。

DME的性质和液化石油气（LPG）十分相近，在贮存、运输、使用上比LPG

安全，燃烧性能好，无残液，不析炭，是一种洁净的民用燃料；二甲醚还可用作汽车燃

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料，其辛烷值比柴油高，尾气不需要催化转化处理，能满足汽车超低排放尾气标准的要

求。

因此近几年提出把DME作为环境友好的燃料，得到了极大的关注。

二甲醚的生产

方法包括两步法和一步法，其中甲醇脱水制二甲醚属两步法，该法是从传统的浓硫酸甲

醇脱水法的基础上发展起来的。

其基本原理是在催化反应器中将甲醇蒸汽通过固体酸性

催化剂（氧化铝、分子筛、结晶硅酸铝等），发生非均相反应，脱水生成二甲醚，脱水

后混合物还需进行分离提纯。

工艺流程如图1-1：

图1-1气相甲醇脱水法工艺流程

美国Mobil公司1965年用气相脱水法生产二甲醚，就获得了80%的转化率和98%

的选择性。

日本三井东亚化学公司获得了74.2%的转化率和99%的选择性

[28]

。

该法以精

甲醇为原料，脱水反应副产物少，三废少，操作容易，易获得高纯度的二甲醚产品（可

达99.9%）。

甲醇脱水制二甲醚反应机理主要取决于其活性中心位，基于此，国内外许多研究学

者提出了不同的观点，主要有双活性中心、弱酸中心和强酸中心三种。

三、实验材料与装置

1、主要原料与试剂

甲醇（≥99.5%）；催化剂（NKC-2，硅铝比15）；色谱用高纯氢（≥99.999％）

催化剂置于1M的H3PO4溶液中，在50℃下浸渍120min，在80℃下浸渍

180min，在120℃下干燥10h，然后在马弗炉中于550℃焙烧24h。

2、实验装置与流程

本实验采用常压内循环无梯度反应器，实物图和示意流程见图1-2和1-3。

甲醇换热

反应

分离提纯二甲醚

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图1-2内循环无梯度反应器实物图

9

16

TI

TCI

7

8

10

TCI-控温;TI-测温；PI-压力计;V-截止阀；K-调节阀；J-三通阀；

1-氮气；2－稳压阀；3-干燥器；4-过滤器；5-质量流量计；6-缓冲器；

7－预热器；8-预热炉；9-反应器；10-反应炉；11-马达;

12-六通阀;13-冷阱；14-保温瓶;15-湿式流量计；16-加料泵

11

1

V

TCI

2

4

5

K

3

15

13

14

色谱系统

12

V

V

图1-3甲醇内循环无梯度脱水反应流程图

3、色谱分析方法

SP-1000气相色谱仪（北京北分瑞利分析仪器公司），GDX-401色谱填充柱（φ

3mm×3m，最高使用温度250℃），以氢气为载气。

色谱条件：

柱温100℃，进样器120℃，

热导池检测器，检测器温度120℃，热丝温度140℃，载气流速20mL/min。

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四、实验步骤及方法

（1）称取约4g催化剂（称准至1mg），装入反应器中，系统试漏。

打开搅拌系统冷却水（实

验过程中，务必保证冷却水通畅，若停水，应立即停止搅拌，停止实验），启动反应装置总电

源，开各温度电源和搅拌系统电源。

开启反应装置软件。

（2）设定反应装置温度，包括：

设定反应控温为235～310℃（对应的反应测温约为160～

220℃，具体可参考测温与控温关系表）（这里的反应测温即为催化剂中心的反应温度，由控温来

调节。

由于控温为加热温度，传给反应物料的过程中存在热损失，导致测温值偏离控温值较大。

实验过程

中，通过测温与控温的关系表给定控温初设值，观察反应温升情况，给予调整。

目的是保证反应测温值在

预定的反应温度上，偏差尽量控制在±2℃）。

设定预热温度为120℃，保温系统温度为140℃，

阀箱温度为120℃。

搅拌速度设定为1500r/min。

温度设定建议在反应装置软件上完成。

测温与控温的关系表（仅供参考，实验中会有偏差）

控温℃235245285288300

测温℃160170200210215

（3）微量泵的运行准备工作：

将微量泵进料管浸于原料液中（实验过程中泵进料管的白

色吸附头要保证完全浸没于液面以下），旋松中间吸液口，用针筒将原料液吸出排气，旋紧中

间吸液口。

打开泵电源，设定值调为0.5mL/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“反应器”位置，此时泵的运行准备工作完毕。

（4）气相色谱操作：

通载气、开总电源、温度达设定值、开检测器、色谱基线。

通色

谱载气，启动气相色谱仪，设定柱箱、汽化室和检测器温度为100℃、120℃、120℃，

色谱温度稳定后，设定热丝温度为140℃。

打开色谱工作站和反应装置软件，色谱基线

平稳后方可对产物进行检测。

（5）检查色谱六通阀处于取样位置。

在冷阱中添加冰水混合物（冰块自制）。

（6）反应测温值升至给定值后（约需1小时），确定反应装置温度和色谱均达到稳定，

可调整微量泵设定值为相应实验流量值（mL/min）。

按“Run/Stop”，启动泵，反应液进

入反应器，开始反应，计时。

（7）待反应约20min后进行色谱在线分析，要进行多次分析，直至同一条件下色谱分

析值达到稳定。

在线分析操作：

将六通阀旋向进样状态，同时按色谱软件中“采集”，

进行色谱分析；10s后，样品已全部从六通阀流入色谱，可旋回取样状态，待测下一组

样品。

列表记录实验中不变参数：

催化剂质量、阀温、预热温度、转速、色谱条件等；

变化参数：

记录序号、记录时间（min）、进料流量（mL/min）、反应测温、反应控温、色谱

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结果（样品组成、组分峰面积、组分浓度（wt%））、湿式流量计始末值、冷阱内冷凝液总

量（g）等。

（8）改变条件，同样稳定20min后进行色谱在线分析。

考察温度和进料流量对该反应行

为（甲醇转化率、反应速率）的影响关系。

设定反应温度变化范围160～220℃,以10

~20℃为间隔；反应流量变化范围为0.05～0.5mL/min，以0.05~0.1mL/min为间隔，重

复本实验步骤进行考察。

每个条件均应记录以上各参数值。

（9）按微量泵“Run/Stop”，停止进料，关泵电源。

将搅拌速度设为0，反应装置各温

度设为室温以下（通常为20℃），关闭装置各温度电源。

关掉搅拌系统冷却水和反应装

置总电源。

同时进行气相色谱仪关闭操作：

关检测器、温度达室温值、关总电源、关载

气。

首先将检测器热丝温度设定为30℃，将柱温、汽化室温度和检测器温度降至40℃，

关闭色谱仪总电源，关载气总阀和减压阀。

结束实验，将原料液和回收液封存，以免污

染环境。

断电清洁实验设备。

另注：

实验过程中要保证通有搅拌系统通有冷却水。

每隔20min记录反应测温与控温，并绘制关系曲线。

每隔40min检查冷阱内冷凝液液面是否升至出气口，应及时排液称量，回收。

冰水混合物应及时更换，建议每隔2h换一次，以免影响冷凝效果。

每次实验可由两组成员进行，实验流程介绍两组需同时到场，每组改变2个流量，

数据可共用。

交接至少提前半小时，除就餐时间，各组全体成员必须分工观测实验数据。

五、实验数据处理

反应速率计算式：

]

）（

）（

1100−−

⋅⋅

−

=−hgmol

W

ccV

r

AfA

A

式中V0为反应物体积，cA0为反应物进口浓度，cAf为反应物出口浓度，W为催化剂质

量。

因而只要获得原料流量与反应物进出口的浓度，便可得到某点条件下的宏观反应速

率实验值。

进一步按一定的设计方法规划实验条件，改变反应条件如温度、浓度等进行

实验，再利用合适的数据处理方法，便可获得宏观反应速率方程，这就是宏观动力学研

究，此处不作详述。

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宏观速率测试实验数据记录表（仅供参考）

室温：

大气压：

催化剂量：

转速：

……

反应物组成项

目

序

号

反应

控温

（℃）

……

温度

（℃）

测温

（℃）

进料流量

mL/min

出料

液体

量g

出料

气体

量L

二甲醚

mol%

水

mol%

甲醇

mol%

1

2

六结果与讨论

1、反应过程中测温与控温的变化情况

2、不同反应条件（温度、流量等）的影响

3、不同反应条件下反应速率的变化规律

4、对本实验有何建议

七、思考题（选二）

1、本征动力学与宏观动力学有何区别？

2、无梯度反应器属于微分反应器还是积分反应器？

为什么？

3、反应速度的影响因素有哪些？

4、实验结束后，为何要将各温度设定在室温以下？

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