化工过程与开发_PPT课件_第三章_化工过程开发的实验室工作

1、2022-3-31第三章第三章 化工过程开发的化工过程开发的实验室工作实验室工作2022-3-32主要内容v第一节 概述v第二节 测量技术v第三节 催化剂研究v第四节 反应动力学研究方法简介v第五节 标准样品及分析方法v第六节 化工单元过程和化工单元操作试验2022-3-33第一节 概述一、实验分类预实验预实验系统实验系统实验实验的进实验的进展和目的展和目的的不同的不同实验试验？实验试验？2022-3-341. 预实验v为提出设想流程而进行的实验。v内容：针对可行性研究中提出的疑问或前面实验发现的新问题来进行研究。v特点：无全面规划、定性或半定量的实验v要求：研究者必须建立明确的思路 。v如对

2、化学反应过程的研究，从三个方面建立思路： 2022-3-35（1）从认识对象的特征来建立思路。（2）从影响过程的因素出发来建立思路 （3）从工艺的特殊条件建立思路 化学反应的化学反应的特征？特征？影响反应影响反应速率的因速率的因素？素？如催化反应如催化反应的控制步骤的控制步骤等等目的：目标明确、简化实验目的：目标明确、简化实验2022-3-36预实验的三种形式（1）认识实验（2）析因实验（3）验证实验2022-3-37（1）认识实验v 认识试验是为了认识过程研究对象的特征和初步规律而专门设计的试验 。 方法：对比实验如考察反应的转化率和收率的高低，如考察反应的转化率和收率的高低，考察温度或浓度

3、对过程影响的敏感程考察温度或浓度对过程影响的敏感程度，以及考察传热方式或传质条件改度，以及考察传热方式或传质条件改变对过程的影响等。变对过程的影响等。目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。2022-3-38（2）析因实验v 析因试验是为了弄清实验的各种影响因素影响因素而专门组织的试验 。v应注意以下法则：A、注意工程因素的等效性，不必对所有的因素都逐个进行试验；B、分清可调和不可调因素，对不可调因素一般不作考察；C、分清敏感因素和非敏感因素，对非敏感因素，一般也不作重点考察 直接直接工程工程非常规非常规2022-3-39（3）验证（

4、鉴别）实验v针对已形成的技术结论或设想的技术措施，判别其是与非而专门设计的试验。v采取一些简易设备和简便方法来进行，采取一些简易设备和简便方法来进行，要求研究者要善于运用工程因素等效性的概念要求研究者要善于运用工程因素等效性的概念来合理简化试验过程来合理简化试验过程。 2022-3-3102、系统实验v系统试验是在预试验的基础上迸行，它是有目的有计划地对预试验测定的定性结论或技术方案作系统考察并定量测取有关设计数据。预试验预试验-概念设计；概念设计；系统试验系统试验-基础设计。基础设计。2022-3-311包括：vA、实验目的vB、实验方案vC、装置设计和建立vD、实验点的安排vE、获得数据v

5、F、数据处理2022-3-312二、实验工作程序v基本程序：规划-实验及记录-分析整理-报告1.拟定实验计划2.实验过程3.总结新产品？新技术新产品？新技术对老工艺改造？对老工艺改造？认真操作、观察现认真操作、观察现象、测数据、记录象、测数据、记录成果、不足成果、不足2022-3-313第二节 测量技术一、温度测量二、压力测量三、流量测量2022-3-314一、温度测量v常用的测温元件？ 玻璃液柱 双金属 热电偶2022-3-315测温元件特点2022-3-316二、压力测量vU型管液柱压差计结构简单、制作方便、读数直观、价格低廉缺点：易碎v弹簧管压力表测量范围大，读数精确度较差。2022-3

6、-318三、流量测量v转子流量计：在一根由下向上扩大的垂直锥管中 , 圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的 , 浮子可以在锥管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，通过磁耦合传到与刻度盘指示流量。一般分为玻璃和金属转子流量计。金属转子流量计是工业上最常用的，对于小管径腐蚀性介质通常用玻璃材质，由于玻璃材质的本身易碎性，关键的控制点也有用全钛材等贵重金属为材质的转子流量计2022-3-319三、流量测量v皂膜流量计：适用于任何皂膜流量计：适用于任何气体或液体流量的检测。气体或液体流量的检测。通过其内部的微处理机与通过其内部的微处理机与敏感元件相结合来测量和敏感元件

7、相结合来测量和计算皂膜或液面经过玻璃计算皂膜或液面经过玻璃管内一段体积的起止时间管内一段体积的起止时间,最终计算出流量最终计算出流量,并直观地并直观地显示出来显示出来2022-3-320三、流量测量v毛细管流量计：是根据流体力学毛细管流量计：是根据流体力学原理制成的。当气体通过毛细管原理制成的。当气体通过毛细管时，阻力增大，线速度（即动能）时，阻力增大，线速度（即动能）增大，而压力降低（即位能减增大，而压力降低（即位能减小），这样气体在毛细管前后就小），这样气体在毛细管前后就产生压差，借流量计中两液面高产生压差，借流量计中两液面高度差显示出来。当毛细管长度度差显示出来。当毛细管长度L与其半径与

8、其半径r之比等于或大于之比等于或大于100时，时，其流量其流量V与毛细管两端压差存在与毛细管两端压差存在线性关系线性关系2022-3-321第三节 催化剂研究一、催化技术概况1. 催化剂及性能指标（1）活性（2）选择性（3）稳定性2022-3-3222.催化剂开发内容v催化剂开发包括了催化剂的设计、制备、测试、评价等各方面多专业的工作，也包括了实验室研究（小试）、中试以及大厂生产和使用等各个工作段在内。v是一个庞大的工作体系。v 一般来讲，即使局部更新一个已经工业化的催化剂也需要35年的时间，而且需要耗费大量的资金和人力。开发工作的每一步都要仔细考虑经济因素。2022-3-3233.催化剂开发

9、中的实验室工作实验室工作包括几个部分：（1）资料准备（2）催化剂参考样品的剖析（3）配方筛选2022-3-324资料准备通过查阅文献做以下几项工作:1、待开发催化剂及其相关的工艺过程的历史及其现状2、课题的由来和意义3、技术路线的选择4、技术上的先进性和可行性5、经济上的合理性2022-3-325样品剖析ICI 46-1催化剂的剖析（剖析结果） （1）外观（2）物理性质（3）催化剂的元素组成分析（4）催化剂中某些元素的分布（5）催化剂物相组成的测定2022-3-326（6）催化剂的差热谱图（7）催化剂可还原性的考察（8）催化剂中活性组分镍晶粒大小和吸附氢气的测定（9）催化剂热稳定性的考察（10

10、）催化剂的活性和抗碳性能的考察 推断推断:高岭土、氧化铝、氧化镁为载体；氧高岭土、氧化铝、氧化镁为载体；氧化钙为助剂；镍为活性组分；铝酸钙水泥化钙为助剂；镍为活性组分；铝酸钙水泥为粘结剂；高温处理为粘结剂；高温处理2022-3-327二、催化剂制备方法v沉淀1.单组分沉淀法单组分沉淀法 沉淀剂与一种待沉淀组分溶液作用以制备单一组沉淀剂与一种待沉淀组分溶液作用以制备单一组分沉淀物分沉淀物2.多组分共沉淀法多组分共沉淀法 将催化剂所需的两种或两种以上组分同时沉淀的将催化剂所需的两种或两种以上组分同时沉淀的一种方法一种方法3.均匀沉淀均匀沉淀 待沉淀溶液与沉淀剂母体混合均匀，调节反应条待沉淀溶液与沉

11、淀剂母体混合均匀，调节反应条件（温度、件（温度、PH值等）使体系逐步生成沉淀剂，值等）使体系逐步生成沉淀剂，使沉淀进行，得到均匀纯净固体。使沉淀进行，得到均匀纯净固体。2022-3-328v浸渍将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂组分）的可溶性化合物溶液中，而后除去组分）的可溶性化合物溶液中，而后除去过剩溶液，再经干燥、焙烧和活化即可过剩溶液，再经干燥、焙烧和活化即可v离子交换法离子交换法1、无机离子交换剂制备（分子筛）、无机离子交换剂制备（分子筛）2、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）2022-3-329共混法202

12、2-3-3302022-3-331三、催化剂评价方法v微反检测2022-3-332微反活性测试装置微反活性测试装置 2022-3-333第四节 反应动力学研究方法简介2022-3-334动力学研究的目的和作用目的：为研究的催化剂提供数学模型，使之能够在较大的范围内更有把握地、更准确地反映温度、空速、压力等参数对反应速率、转化率和选择性的影响规律。作用：为催化剂设计以及催化剂反应器的设计提供科学依据。2022-3-335多相催化机理v对于多相催化反应，以化学物种与催化剂的接触开始，需要经历一系列的物理和化学基本步骤。称这些步骤序列为“历程”，而包括吸附、脱附、物理传输和化学变化步骤在内的序列关系

13、称为机理。2022-3-336动力学实验方法动力学实验内容：主要是测取不同温度和反应动力学实验内容：主要是测取不同温度和反应物浓度条件下的反应速率，由此确定反应活化物浓度条件下的反应速率，由此确定反应活化能、反应级数和频率因子等动力学参数。能、反应级数和频率因子等动力学参数。测试方法：可以在间歇操作的反应器内进行，测试方法：可以在间歇操作的反应器内进行，也可以在连续操作的反应器内进行。也可以在连续操作的反应器内进行。不论哪种方法，都不能直接测出反应速率；不论哪种方法，都不能直接测出反应速率；而必须通过测试数据计算方能求得。而必须通过测试数据计算方能求得。2022-3-337反应器1. 间歇反应

14、器间歇反应器2. 连续反应器连续反应器 3. 脉冲式反应器脉冲式反应器2022-3-3381. 间歇反应器v特点：反应速率随时间而相应下降反应速率随时间而相应下降温度、浓度均匀温度、浓度均匀2022-3-3391. 间歇反应器（续）v测定的数据：v适用的物料体系：时间与浓度的时间与浓度的关系（关系（tC）液相反应系统液相反应系统慢反应慢反应2022-3-3401. 间歇反应器（续）优点：缺点：试验方法简便，测试所消耗的试验方法简便，测试所消耗的物料量很少。物料量很少。数据处理较为繁琐，且准确程数据处理较为繁琐，且准确程度较差。度较差。图解微分图解微分积分积分How？2022-3-3412. 连

15、续反应器积分积分微分微分无梯度无梯度2022-3-342积分反应器v特点：v适用反应体系：催化剂床层高度大于反催化剂床层高度大于反应器内径应器内径2倍以上。倍以上。催化剂装填量大，反应转催化剂装填量大，反应转化率较大；一般化率较大；一般x25%连续多相催化连续多相催化快反应快反应床层各个截床层各个截面上，反应面上，反应物的浓度不物的浓度不同，出口测同，出口测定的反应的定的反应的转化率反应转化率反应的积分结果。的积分结果。2022-3-343积分反应器（续）v试验数据:v反应速率：2022-3-3442022-3-345优点：v缺点：设备结构简单，对分析仪器设备结构简单，对分析仪器要求不高要求不

16、高,试验与工业生产过试验与工业生产过程相近程相近不易恒温，存在温度梯度。不易恒温，存在温度梯度。数据处理有一定难度，误差数据处理有一定难度，误差较大较大2022-3-3462022-3-347微分反应器v特点：催化剂的填充量少（常在催化剂的填充量少（常在1g以下）以下）高空速进料，控制很低的反应转化率。高空速进料，控制很低的反应转化率。2022-3-348微分反应器v测定数据：v反应速率：进出口转化率进出口转化率2022-3-349微分反应器优点：缺点：能直接给出反应速率，数据处理简单；催能直接给出反应速率，数据处理简单；催化剂床层容易维持等温化剂床层容易维持等温分析的精度要求高，分析的精度要

17、求高，配料配料困难。如果困难。如果催化剂床层内出现沟流，则对反应过催化剂床层内出现沟流，则对反应过程的影响很大。程的影响很大。怎样配料？怎样配料？2022-3-3502022-3-351无梯度反应器v特点：理想混合反应器理想混合反应器特点？特点？能直接测出反应速率；无配能直接测出反应速率；无配料的困难；无需控制很小的料的困难；无需控制很小的进、出口转化率之差，测试进、出口转化率之差，测试手段也容易解决手段也容易解决。2022-3-352无梯度反应器v测定数据：v反应速率：进出口转化率进出口转化率2022-3-3532022-3-3542022-3-355脉冲反应器v简称“微反”。是用一台气相色

18、谱仪与一个微型管式反应器串联。2022-3-3562022-3-357动力学实验的流程和方法v流程与方法 动力学实验与催化剂评价实验在设备、装置和动力学实验与催化剂评价实验在设备、装置和流程一般是基本相同的，但做评价实验时，改流程一般是基本相同的，但做评价实验时，改变催化剂而不改变条件，做动力学实验则不改变催化剂而不改变条件，做动力学实验则不改变催化剂变催化剂2022-3-358v本征、宏观动力学 只有在排除了内外扩散因素影响的前提只有在排除了内外扩散因素影响的前提下，才能评价催化剂的本征活性和研究下，才能评价催化剂的本征活性和研究催化剂的本征动力学。催化剂的本征动力学。机理、数机理、数模模宏

19、观宏观工业生产实际工业生产实际2022-3-359第五节 标准样品及分析方法v一、标准样品v二、分析方法和产品标准2022-3-360一、标准样品v购买v自制v标准样品提纯的方法：意义：定性研意义：定性研究反应过程、究反应过程、定量计算、各定量计算、各种评价种评价分析纯、色谱纯分析纯、色谱纯合成、表征合成、表征精馏、结晶、色谱（闪精馏、结晶、色谱（闪柱色谱和薄层色谱）柱色谱和薄层色谱）2022-3-361二、分析方法和产品标准v产品标准：v是具体产品应达到的规格指是具体产品应达到的规格指标，而这种规格指标又是按一标，而这种规格指标又是按一定分析方法制定的。定分析方法制定的。产品的标准由开发单位提产品的标准由开发单位提出，完善认定后形成企业、出，