乙醇脫水反應研究

1、.化工專業(yè)實驗報告實驗名稱： _乙醇脫水反應研究實驗_實驗人員：_駱加威 同組人：_聶新宇 吳鋒 實驗地點：天大化工技術實驗中心_630_室實驗時間：_2012年3月29日 班級/學號：_2009 級 _化工2 班_3009214146 學號_1 實驗組號指導老師：_郭紅宇 實驗成績：_乙醇脫水反應研究實驗一、 實驗目的及要求1. 掌握乙醇脫水實驗的反應過程和反應機理、特點，了解針對不同目的產(chǎn)物的反應條件對正、副反應的影響規(guī)律和生成的過程；2. 學習氣固相管式催化反應器的構造、原理和使用方法，學習反應器正常操作和安裝，掌握催化劑評價的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步驟和方法；3. 學習動態(tài)控

2、制儀表的使用，如何設定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床層溫度分布；4. 學習氣體在線分析的方法和定性、定量分析，學習如何手動進樣分析液體成分。了解氣相色譜的原理和構造，掌握色譜的正常使用和分析條件選擇；5. 學習微量泵和蠕動泵的原理和使用方法，學會使用濕式流量計測量流體流量。二、實驗原理乙烯是重要的基本有機化工產(chǎn)品。乙烯主要來源于石油化工，但是由乙醇脫水制乙烯在南非、非洲、亞洲的一些國家中仍占有重要地位。乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個吸熱、分子數(shù)增不變的可逆反應。提高反應溫度、降低反應壓力，都能提高反應轉化率。乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時主要生成乙醚，有人解釋這大

3、概是因為反應過程中生成的碳正離子比較活潑，尤其在高溫，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時已經(jīng)失去質子變成乙烯而在較低溫度時，碳正離子存在時間長些，與乙醇分子相遇的機率增多，生成乙醚。有人認為在生成產(chǎn)物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂CH 鍵，需要的活化能較高，所以要在高溫才有和于乙烯的生成。乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應，既可分子內(nèi)脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚?，F(xiàn)有的研究報道認為，乙醇分子內(nèi)脫水可看成單分子的消去反應，分子間脫水一般認為是雙分子的親核取代反應，這也是兩種相互競爭的反應過程，具體反應式如下：C2H5OH C2H4 + H2O (1)C2H5OH C2H5OC2H5 +H

4、2O (2)目前，在工業(yè)生產(chǎn)方面，乙醚絕大多數(shù)是由乙醇在濃硫酸液相作用下直接脫水制得。但生產(chǎn)設備會受到嚴重腐蝕，而且排出的廢酸會造成嚴重的環(huán)境污染。因此，研究開發(fā)可以取代硫酸的新型催化體系已成為當代化工生產(chǎn)中普遍關注的問題。目前，在這方面的探索性研究已逐漸引起人們的注意，大多致力于固體酸催化劑的開發(fā)，主要集中在分子篩上，特別是ZSM-5分子篩。研究發(fā)現(xiàn)，通過對反應熱力學函數(shù)的計算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應相反的兩個過程，升高溫度有利于脫水制乙烯(吸熱反應)，而降低溫度對脫水制乙醚更為有利(微放熱反應)，所以要使反應向要求的方向進行，必須要選擇相適應的反應溫度區(qū)域，另外還應該考慮

5、動力學因素的影響。本實驗采用ZSM5分子篩為催化劑，在固定床反應器中進行乙醇脫水反應研究，反應產(chǎn)物隨著反應溫度的不同，可以生成乙烯和乙醚。溫度越高，越容易生成乙烯，溫度越低越容易生成乙醚。實驗中，通過改變反應的進料速度，可以得到不同反應條件下的實驗數(shù)據(jù)，通過對氣體和液體產(chǎn)物的分析，可以得到反應溫度下的最佳工藝條件和動力學方程。反應機理如下：主反應：C2H5OH C2H4 + H2O (1)副反應：C2H5OH C2H5OC2H5 +H2O (2)在實驗中，由于兩個反應生成的產(chǎn)物乙醚和水留在了液體冷凝液中，而氣體產(chǎn)物乙烯是揮發(fā)氣體，進入尾氣濕式流量計計量總體積后排出。對于不同的反應溫度，通過計算

6、不同的轉化率和反應速率，可以得到不同反應溫度下的反應速率常數(shù)，并得到溫度的關聯(lián)式。實驗儀器和藥品：乙醇脫水固反應器，氣相色譜及計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動泵。ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。三、實驗流程及實驗步驟實驗裝置流程圖：1、原料無水乙醇；2、乙醇進料泵；3、濕式流量計；4、催化劑床層溫度控制顯示儀表；5、預熱器加熱溫度控制顯示儀表；6、反應器加熱溫度控制顯示儀表；7、反應器；8、產(chǎn)物空氣冷卻器；9、產(chǎn)物氣液分離器；10、ZSM5分子篩催化劑；11、樣品采出閥實驗步驟：1、按照實驗要求，將反應器加熱溫度設定為260，預熱器溫度設定為150。2、溫度

7、達到設定后，繼續(xù)穩(wěn)定10-20min，然后開啟乙醇進料泵，三組實驗乙醇的加料速度分別為0.4mL/min、0.8mL/min和1.2mL/min。在這期間，同時需進行標準液（水、乙醇、乙醚的混合液）的配制，三種液體的質量分數(shù)約為乙醚10%-20%，乙醇20%-50%，水30%-70%。標準液配制完成后，對其進行至少兩次色譜分析，兩次色譜分析峰面積比例不得相差大于1%。3、反應進行10min后，正式開始實驗，記錄下預熱器加熱溫度、反應器加熱溫度、催化劑床層溫度和濕式流量計讀數(shù)。每隔10min，記錄預熱器加熱溫度、反應器加熱溫度、催化劑床層溫度和濕式流量計讀數(shù)。每組進料流率下反應30min，結束時

8、打開旋塞，用洗凈的三角錐瓶接收液體產(chǎn)物，并用天平對液體產(chǎn)物準確稱重（稱量時空瓶重、總重等數(shù)據(jù)都應記錄下來），并對產(chǎn)物進行至少兩次色譜分析，兩次色譜分析峰面積比例不得相差大于1%。4、改變加料速度，重復上述步驟。5、實驗結束后，關閉進料開關。繼續(xù)加熱20分鐘，之后關閉各加熱器，打開尾液收集器閥門，放掉尾液，關閉總電源。四、實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄表一 實驗原始條件天氣晴大氣壓101.325kPa室溫16實驗日期2012.3.29實驗時間14:00實驗地點20-630實驗內(nèi)容乙醇脫水反應研究實驗人數(shù)聶新宇、駱加威、吳鋒、李軍良表二 實驗試劑規(guī)格表試劑名稱乙醇乙醚純度（wt%）99.7%99.0%密度（2

9、0）0.789-0.791g/mL0.713g/mL雜質（wt%）0.3%1.0%表三 實驗數(shù)據(jù)記錄表序號實驗時間加料速率（mL/min）預熱溫度（）反應溫度（）爐內(nèi)溫度（）濕式流量計讀數(shù)（L）液體產(chǎn)物質量（g）114:540.4150.2257.7255.13952.37115:24采集產(chǎn)品，空瓶重57.69g，總重62.58g，樣品重4.83g215:040.4150.2257.5255.13953.160315:140.4150.0257.6255.03954.180415:240.4150.1257.5255.23955.120515:350.8150.0260.2255.13956.

10、16515：55采樣，空瓶重58.17g，總重67.40g，樣品重9.23g615:450.8149.9260.1255.03957.221715:550.8150.0261.3255.03958.372816:061.2150.0263.7255.13959.58116：26采樣，空瓶重53.52g，總重66.27g，樣品重12.75g916:161.2150.0264.4255.13960.7801016:261.2150.1264.5255.03962.220表四 標準液數(shù)據(jù)空瓶重（g）64.20乙醇質量（g）3.16乙醚質量（g）1.15水質量（g）6.15表五 色譜分析條件載氣1柱前

11、壓0.45MPa載氣2柱前壓0.50MPa橋電流90mA柱箱溫度122氣化室溫度112檢測室溫度109進料量0.2L載氣流量40mL/min訊號衰減1:1表六 標準液色譜分析結果分析次數(shù)峰序號保留時間/min峰面積峰面積比例（%）第一次分析水0.20049767368.219%乙醇0.75019145826.244%乙醚1.800403965.537%第二次分析水0.20017811567.210乙醇0.7837662727.405%乙醚1.858142735.386%表七 液相產(chǎn)品色譜分析結果加料速率（mL/min）分析次數(shù)峰序號保留時間/min峰面積峰面積比例（%）0.4第一次分析水0.1

12、9212387761.616乙醇0.7677289236.256乙醚1.88342772.127第二次分析水0.1926789261.474乙醇0.7674070136.853乙醚1.84218481.6730.8第一次分析水0.25010383633.644乙醇0.75814405946.677乙醚1.7256073619.679第二次分析水0079乙醇0.67518834746.662乙醚1.6087774119.2601.2第一次分析水0.1833702527.369乙醇0.7087178453.063乙醚1.6752647119.567第二次分析水0.2003

13、791827.352乙醇0.7177327252.856乙醚1.6922743719.792五、數(shù)據(jù)記錄及結論根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算出原料乙醇的轉化率，產(chǎn)物乙烯的收率及乙烯的選擇性：表八 相對校正因子計算結果f1f2f311.2972.317表九 進料流量變化與轉化率、收率、選擇性關系表進料流量（mL/min）乙醇轉化率（Xal）乙烯收率（Y）乙烯選擇性（S）0.40.7870.5630.7150.80.6830.3390.4961.20.6740.2700.401計算舉例：1、計算相對校正因子 （1）其中：為各組分在混合物中的質量分數(shù)，A、B、C分別為水、乙醇、乙醚；為每個組分的校正因子；為每

14、個組分在色譜上的峰面積；其他組分對第一個組分的相對校正因子，則有： （2） （3） （4）(2)式與（3）式相除，（2）式與（4）式相除得： （5） （6） （7）標準液中各組分含量分別為A（水）6.15g，B（乙醇）3.16g，C（乙醚）1.15g，則有：取兩次標準色譜結果的平均值作為正式結果: 則有： 由（1）式和（7）式相等，將數(shù)據(jù)代入可求得各組分相對組分1（水）的校正因子為：2、以進料速率0.4mL/min為例計算根據(jù)色譜分析結果，由得： 液體產(chǎn)物中水的質量分數(shù)液相產(chǎn)物中乙醇的質量分數(shù)液相產(chǎn)物中乙醚的質量分數(shù)乙烯生成的物質的量為（實驗氣溫16）：由化學化工物性數(shù)據(jù)手冊（有機卷）查得：乙

15、醇液體在16時的密度為790kg/m3則30min內(nèi)原料乙醇的進料量為：原料乙醇的轉化率為：乙烯的收率為：乙烯的選擇性為：六、結果分析及討論進料流率對乙醇轉化率、乙烯收率、乙烯選擇性的影響：由表九中的數(shù)據(jù)作圖：乙醇進料流量增大，說明反應空速增大。由表九及圖一都可清晰的看出：隨著反應空速的增大，乙醇的轉化率降低，乙烯的收率下降，反應對乙烯的選擇性也降低。空速是指單位時間內(nèi)，單位體積（或質量）的催化劑所通過的反應物的體積（或質量）。乙醇進料流量增大，反應空速增大，反應物乙醇在催化劑床層的停留時間縮短，即有一部分乙醇沒來得及反應就隨氣流離開反應器，隨后進入反應產(chǎn)物中，并且進料流量越大，未反應的乙醇的

16、量就越多。所以，實驗結果會如表九及圖一所示：隨著乙醇進料流量增大，乙醇轉化率降低，乙烯收率下降，反應對乙烯的選擇性也降低。七、實驗中問題和思考1、乙醇反應轉化率的提高和那些因素有關系？詳細說明原因。乙醇反應轉化率和反應溫度，反應空速及乙醇的濃度等有關。反應溫度會影響到反應常數(shù)，反應溫度越高，反應常數(shù)也隨之增大，因而反應速率增大，轉化率也跟著升高?？账俸头磻Ａ魰r間直接相關，空速越大，反應停留時間越短，反應越不徹底，乙醇的轉化率也就越低。若乙醇的濃度增大，從氣體反應碰撞理論看，反應器內(nèi)反應物分子碰撞的幾率和次數(shù)也隨之增大，從而反應速率增大，轉化率也就相應地會提高。2、怎樣計算乙烯收率和選擇性？應

17、如何提高生成乙烯的選擇性？乙烯收率，乙烯選擇性為了提高乙烯選擇性，可以減小乙醇進料速率并且提高反應溫度。3、改變氣相色譜的柱箱溫度對分離效果有什么影響？怎樣確定最適宜的分析條件？柱箱溫度是一個重要的操作參數(shù)，它能直接影響分離效能和分析速度。提高柱溫可以縮短分析時間，降低柱溫可以使色譜柱選擇性增大，有利于組分的分離和色譜柱穩(wěn)定性的提高。選擇柱溫時應考慮混合物的沸點范圍，固定液的配比和鑒定器的靈敏度等，采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點的柱溫較為合適，對易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫。4、怎樣對整個反應過程進行物料恒算？應該注意哪些問題？根據(jù)反應方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質量可以

18、算出反應所需的乙醇的總量，利用下面表達式對乙醇進行物料恒算：液體產(chǎn)物中乙醇質量 + 生成反應物消耗的乙醇質量 - 乙醇進量若上式等于零，則表明物料守恒。要進行物料衡算應該注意下述條件：1) 保證反應過程應達到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標溫度確定；2) 確保色譜讀數(shù)可靠；3) 最好保證實驗的時間控制精確到秒；4) 確保每次稱量液體產(chǎn)品前，都要對三角錐瓶進行稱重。5、談談在實驗中得到的一些體會和對實驗的建議。實驗中的體會：1) 通過本次試驗，我對氣相色譜儀的使用有了一定的掌握，進樣更加熟練了。此外，我不僅掌握根據(jù)氣相色譜峰值分析混合物中各組分的含量，還掌握了對相對較正因子的求算方法。2) 本次試驗極大地提高了學生的動手能力，通過積極參與試驗操作，學生可以了解并熟悉很多儀器設備的基本操作，并且可以總結出一系列的準則，對今后的工作很有幫助。3) 實驗過程中，團隊合作精神也很重要，比如實驗中既要進行數(shù)據(jù)記錄，又要