乙苯环境与化工清洁生产试验中心完整版

1、 实验目的实验目的 (1) (1) 掌握乙苯脱氢实验的反应过程和反应机理、掌握乙苯脱氢实验的反应过程和反应机理、 特点，了解副反应的发生和生产副产物的过特点，了解副反应的发生和生产副产物的过 程。程。 (2) (2) 学习气固相管式催化反应器的构造、原理学习气固相管式催化反应器的构造、原理 和使用方法，学习反应器的正常操作和安装，和使用方法，学习反应器的正常操作和安装， 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。条件的研究步骤和方法。 (3) (3) 自动控制仪表的使用，如何设定温度和加自动控制仪表的使用，如何设定温度和加 热电流大小。

2、怎样控制床层温度分布。热电流大小。怎样控制床层温度分布。 (4) (4) 学习气体在线分析的方法和定性、定量分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。用和分析条件选择。 (5) (5) 学习微量泵的原理和使用方法，学会使用学习微量泵的原理和使用方法，学会使用 湿式流量计测量流体流量。湿式流量计测量流体流量。 （6 6）掌握由实验数据获得反应器设计数据的基）掌握由实验数据获得反应器设计数据的基 本方法，和反应动力学数据。本方法

3、，和反应动力学数据。 实验任务实验任务 1）获得该实验装置乙苯气固脱氢反应器转化率、）获得该实验装置乙苯气固脱氢反应器转化率、 生成苯乙烯收率和选择性；生成苯乙烯收率和选择性； 2）动力学实验，获得主副反应反应速率和反应速率）动力学实验，获得主副反应反应速率和反应速率 常数随温度变化关系。常数随温度变化关系。 实验原理实验原理 实验仍然采用一步反应，即乙苯脱氢生成苯乙烯。实验仍然采用一步反应，即乙苯脱氢生成苯乙烯。 该反应所用催化剂为该反应所用催化剂为Fe2O3系列系列。乙苯脱氢生产。乙苯脱氢生产 苯乙烯，在水蒸气存在下，主要有以下反应：苯乙烯，在水蒸气存在下，主要有以下反应： 6525652

4、32 652526534 65256624 C H C HC H C H +H C H C H +HC H CH +CH C H C HC H +C H 催催化化剂剂 主主反反应应： 副副反反应应： （1） （2） （3） 实验原理实验原理 不同反应温度下，反应不同反应温度下，反应(1)、(2)、(3)的反应热可的反应热可 以用下式估算：以用下式估算： 0.5223lnT T10*1.537-19.67lnKp 4 (7) 主反应乙苯脱氢的化学平衡方程可以用下式来表示：主反应乙苯脱氢的化学平衡方程可以用下式来表示： )molJ13.18T(-53145H- )molJ7.95T(-108750

5、H- )molJ4.56T(-120679H- 3 2 1 (6) (5) (4) 实验原理实验原理 乙苯脱氢反应的动力学模型可以用乙苯脱氢反应的动力学模型可以用Carra双曲模型双曲模型: 2 1( /)/() StyEBSTHpEBaST rk pppKpk p 2 /() BenEBEBaST rk ppk p 3 /() TolEBSTEBaST rk pppk p (mol/kg.s)分别表示苯乙烯、苯和甲苯生成速度。分别表示苯乙烯、苯和甲苯生成速度。 (kPa)分别表示混合气中乙苯、苯乙烯、氢气的分压。分别表示混合气中乙苯、苯乙烯、氢气的分压。 Sty Tol Ben r r r

6、式中：式中： 2 H p ST p EB p (8) (9) (10) 实验原理实验原理 对于不同的反应温度，通过计算不同的转化率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和反应速率，可以得到不同反应温度下的反应 速率常数速率常数k，并得到与温度，并得到与温度T的关联式的关联式: A RT Ea klnln （11） 实验条件实验条件 1）苯乙烯收率实验：苯乙烯收率实验： 反应温度：反应温度：650 进料速率：进料速率：0.5ml/min. 水油比（体积比）水油比（体积比）1 1 反应时间：反应时间：1h 2）动力学实验）动力学实验: 温度温度 590、

7、610 、630 、 650 、 670 每个温度下反应每个温度下反应20min，其余条件不变。，其余条件不变。 实验步骤实验步骤 1. 在反应器底部放入少量岩棉，然后放入在反应器底部放入少量岩棉，然后放入10 20cm高的瓷环，准确量取瓷环高度并记录，瓷环高的瓷环，准确量取瓷环高度并记录，瓷环 应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、高温烧结，应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、高温烧结， 以除去催化活性。以除去催化活性。 2. 用量筒量取用量筒量取20ml催化剂，然后用天平称量出催化催化剂，然后用天平称量出催化 剂重量，并记录。剂重量，并记录。 3. 将称好的催化剂缓慢加入到反应器中，并轻微震将称

8、好的催化剂缓慢加入到反应器中，并轻微震 动，然后记录催化剂高度，确定催化剂在反应器动，然后记录催化剂高度，确定催化剂在反应器 内的填装高度。内的填装高度。 4. 在催化剂上方继续加入瓷环，一直到反应管顶部，在催化剂上方继续加入瓷环，一直到反应管顶部， 然后将反应器顶部密封。然后将反应器顶部密封。 实验步骤实验步骤 5. 将反应器放入到加热炉中，连接乙苯和水的进将反应器放入到加热炉中，连接乙苯和水的进 口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应器的接口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应器的接 口，并把玻璃收集瓶和冷凝器连接好。使冷凝的口，并把玻璃收集瓶和冷凝器连接好。使冷凝的 产物用收集瓶收集，没有冷

9、凝的氢气和甲烷、乙产物用收集瓶收集，没有冷凝的氢气和甲烷、乙 烯则经过尾气湿式气体流量计进入到六通阀内进烯则经过尾气湿式气体流量计进入到六通阀内进 行分析。行分析。 6. 按照实验要求，将反应器加热温度设定为按照实验要求，将反应器加热温度设定为590 670，预热器温度设定为，预热器温度设定为400 。在反应温度。在反应温度 达到达到400 时开始进水时开始进水10min，当达到设定的反，当达到设定的反 应温度时，开始进乙苯。乙苯加料速度为应温度时，开始进乙苯。乙苯加料速度为 0.5ml/min，水的进料速率是，水的进料速率是0.5ml/mol。 实验步骤实验步骤 7. 反应进行反应进行20分

10、钟后，正式开始实验。先换分钟后，正式开始实验。先换 掉反应器下的吸收瓶，并换上清洗干净的掉反应器下的吸收瓶，并换上清洗干净的 新瓶，检查升降台的高度。记录湿式流量新瓶，检查升降台的高度。记录湿式流量 计读数，应每隔一段时间记录反应温度等计读数，应每隔一段时间记录反应温度等 实验条件。实验条件。 8. 每个温度反应每个温度反应3060min，可以由每组学，可以由每组学 生自己确定。然后取下玻璃瓶，用分液漏生自己确定。然后取下玻璃瓶，用分液漏 斗将收集的产物分出，再对所收集的产物斗将收集的产物分出，再对所收集的产物 进行色谱分析。进行色谱分析。 9. 改变反应温度，每次提高改变反应温度，每次提高2

11、030 ，重，重 复上述实验步骤，则得到不同反应温度下复上述实验步骤，则得到不同反应温度下 的原料转化率，产物苯乙烯收率、副产物的原料转化率，产物苯乙烯收率、副产物 苯和甲苯生成速率等。苯和甲苯生成速率等。 实验步骤实验步骤 10. 检查色谱仪是否完好。检查色谱仪是否完好。 11. 将色谱仪的载气将色谱仪的载气H2打开，待表压达到打开，待表压达到0.3MPa时，时， 打开色谱仪电源，设置参数。柱温打开色谱仪电源，设置参数。柱温100，进样器，进样器 温度温度160，检测器温度，检测器温度180。待设定温度达到以。待设定温度达到以 后，调节基线，使其平稳。后，调节基线，使其平稳。 12.将所得产

12、品用气相色谱进行分析。将所得产品用气相色谱进行分析。 13. 分析完后，将温度都设置成分析完后，将温度都设置成30，将量程设为，将量程设为0， 待温度都降到待温度都降到80以下时，关闭电源开关，再关闭以下时，关闭电源开关，再关闭 载气。载气。 实验数据记录实验数据记录 1. 在实验中，应每隔一定时间记录反应器和预热器在实验中，应每隔一定时间记录反应器和预热器 加热温度、催化剂床层温度。如有必要，也可以加热温度、催化剂床层温度。如有必要，也可以 轻轻拉动反应器内的测温热电偶，测定催化剂床轻轻拉动反应器内的测温热电偶，测定催化剂床 层的温度分布。层的温度分布。 2. 每次完成一个温度下的实验时，应

13、记录实验前后每次完成一个温度下的实验时，应记录实验前后 尾气流量计的体积，同时称量反应时间内得到的尾气流量计的体积，同时称量反应时间内得到的 液体产物的重量，并用气相色谱进行分析。液体产物的重量，并用气相色谱进行分析。 3. 至少分析两次所得液体产物的组成，并用校正因至少分析两次所得液体产物的组成，并用校正因 子校正所得的含量，对液体进行物料衡算。子校正所得的含量，对液体进行物料衡算。 数据处理数据处理 1 转化率、收率和选择性计算转化率、收率和选择性计算 设乙苯加入质量为设乙苯加入质量为1，将摩尔分数带入下式计算，将摩尔分数带入下式计算: 100% 参加反应的乙苯摩尔数 乙苯的转化率 加入乙

14、苯的摩尔数 100% 生成苯乙烯的摩尔数 苯乙烯的收率 加入乙苯的摩尔数 100% 生成苯乙烯的摩尔数 苯乙烯的选择性 转化了的乙苯的摩尔数 (14) (13) (12) 实验数据处理实验数据处理 2. 动力学方程的计算动力学方程的计算 计算不同反应温度下的反应平衡常数，并按照计算不同反应温度下的反应平衡常数，并按照 上面所述反应模型，计算出各步反应的反应速率上面所述反应模型，计算出各步反应的反应速率 和反应速率常数，并画图得到温度和反应速率常和反应速率常数，并画图得到温度和反应速率常 数的关系。数的关系。 08 1 i i i i n PP n (15) 0 0.88 106 60 ii v rx （16） 式中：式中： Pi各物质的分压各物质的分压,kPa； ni各物质的摩尔数；各物质的摩尔数； p0大气压大气压, kPa ； ri产物的生成速率产物的生成速率, mol/kg.s ； v0乙苯的进料速率乙苯的进料速率, ml/min ；xi产物的收率产物的收率. 实验结果讨论实验结果讨论 1. 讨论原料乙苯的转化率，产物苯