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响研究实验学校：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：韩福忠日期：2023年11月26日固定床乙醇脱水制乙烯反响研究实验贾楠，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：乙烯是重要的根本有机化工产品。在固定床反响器中进行乙醇脱水反响研究，反响产物随着反响温度的不同，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，通过改变反响的进料速度，可以得到不同反响条件下的实验数据，可以得到反响温度下的最正确工艺条件。关键词：乙烯；进料速度；固定床反响器；最正确工艺条件；Abstract：Ethyleneisanimportantbasicorganicchemicalproducts.Forethanoldehydrationreactionresearchinafixedbedreactor,reactionproductscanbeethyleneoretherwithadifferentreactiontemperatureinachemicalreactionthatthehighertemperature,themoretendtogenerateethyleneandthelowertemperature,themoretendtogenerateether.Bychangingthespeedofincomingmaterialsofreactions,theexperimentaldatasdissectivetogetthebestprocessconditionsareobtainedinadifferentreactioncondition.Keywords：ethylene；feedrate；fixedbedreactor；thebestprocessconditions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响。提高反响温度、降低反响压力，都能提高反响转化率。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响过程中生成的碳正离子比拟活泼，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响，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响，分子间脱水一般认为是双分子的亲核取代反响，这也是两种相互竞争的反响过程，具体反响式如下：C2H5OH→C2H4+H2O(1)C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O(2)研究发现，通过对反响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(吸热反响)，而降低温度对脱水制乙醚更为有利(微放热反响)，所以要使反响向要求的方向进行，必须要选择相适应的反响温度区域，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，在固定床反响器中进行乙醇脱水反响研究，反响产物随着反响温度的不同，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，通过改变反响的进料速度，可以得到不同反响条件下的实验数据，通过对气体和液体产物的分析，可以得到反响温度下的最正确工艺条件和动力学方程。反响机理如下：主反响：C2H5OH→C2H4+H2O(1)副反响：C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O(2)在实验中，由于两个反响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。对于不同的反响温度，通过计算不同的转化率和反响速率，可以得到不同反响温度下的反响速率常数，并得到温度的关联式。2实验局部2.1实验仪器和药品仪器：乙醇脱水固反响器，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实验步骤按照实验要求，将反响器预热段温度设定为120℃，反响管上段，中段，下端温度分别为340℃，370℃，330℃在温度到达设定值后，继续稳定10~20分钟，然后开始参加乙醇，加料速度设定为反响进行10分钟后，正式开始实验。先换掉反响器下的吸收瓶，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响温度和尾气流量等实验条件。每个流量反响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。依次改变乙醇的加料速度为1.0mlmin、1.2mlmin，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，翻开尾液收集器阀门，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 1234组分i乙烯水乙醇乙醚校正因子2.09×10－23.05×10－21.39×10－29.05×10－3进料量为1.4ml∕min，得到液相产品m=m2−m1=49.884−38.127=11.757gω乙=乙醇表2各流量下乙醇、水的质量分数流率ml∕min液相质量gωω0.810.0070.7540.2461.014.9160.4300.5701.220.4760.5400.4601.411.7570.4280.5721.633.6540.8010.199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∕min28min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乙醇反响时间内物质的量n乙。∕mol乙烯物质的量neth∕mol0.80.6310.4110.2601.00.7890.5140.1981.20.9470.6170.1901.41.1050.6710.1781.61.2620.8220.083乙醇的转化率X=〔n乙。−n乙〕∕n乙。×100％乙烯的收率Yeth=neth∕n乙。×100％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0.80.8560.6320.7391.00.7290.3850.5281.20.6110.3080.5051.40.7830.2650.3391.60.2880.1010.351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，反响的乙醇转化率、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，将反响器简化为管式反响器(PFR)，且忽略温度和生成气体体积对空时的影响。反响器中主要进行以下反响：主反响：C副反响：2将两个反响看出基元反响，那么有：r因此有-所以V=可知当Q0增大时，τ减小，即x又有Y=可知当Q0增大时，因为xA减小，所以cA乙烯瞬时选择性为S=可知，当CA增大时，S催化剂理论解释乙醇进料流量增大，说明反响空速增大。随着反响空速的增大，乙醇的转化率降低，乙烯的收率下降，反响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响物的体积〔或质量〕。乙醇进料流量增大，反响空速增大，反响物乙醇在催化剂床层的停留时间缩短，即有一局部乙醇没来得及反响就随气流离开反响器，随后进入反响产物中，并且进料流量越大，未反响的乙醇的量就越多。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，反响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，2023,9[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峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.5234559.93330686.10095.931422.37396.6361301.4504.0686液样：峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.47319219.174135933.18887.081021.1151207.27720236.46512.9190第二组气样：1.0ml/min峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.5075738.22837584.75098.432021.41576.379598.7001.5680液样：峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.5232720.30222024.56437.678220.9822327.55636429.83662.3218第三组.气样：1.2ml/min峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.4904559.84227956.600100.0000液样：峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.5151879.54014858.68028.004420.9232521.56038199.62171.9956第四组气样：1.4ml/min峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.4655386.97931897.19996.044822.13289.0411313.5503.9552液样：峰号峰名保存时间峰高峰面积含量10.4902477.76718402.07837.871820.9152153.32630188.37362.1282第五组气样：1.6ml/min峰号峰名保存时间峰高峰面积