實(shí)驗(yàn)八催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定

實(shí)驗(yàn)八 催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x“多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象”是《反應(yīng)工程》課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解內(nèi)、外擴(kuò)散過程及其對反應(yīng)的影響；掌握催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念及其實(shí)驗(yàn)測定方法；了解本征反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理苯加氫氣固相催化反應(yīng)方程式在Ni 固體催化劑作用下，苯加氫反應(yīng)方程式為:C6H6（g）+3H2（g） 130?180化>C6H12（g）此反應(yīng)為單一不可逆放熱反應(yīng)。在氫氣大大過量情況下可視為擬一級反應(yīng)。內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定在外擴(kuò)散影響已消除的基礎(chǔ)上測定催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于本體系所使用的氫氣大大過量，因此在實(shí)驗(yàn)溫度、流量范圍內(nèi)，外擴(kuò)散的影響均已消除。本實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)管內(nèi)裝填10?28目范圍內(nèi)的粒子（假定為球形顆粒）、質(zhì)量為W（g）的催化劑。在某一床層溫度（如150°C左右）下，通過改變苯和氫氣的進(jìn)料流量，測定相應(yīng)的出口轉(zhuǎn)化率xA，得到xA?Vp/FA0曲線。曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反應(yīng)速率（一Ra）。對一級不可逆反應(yīng)，宏觀反應(yīng)速率又可寫成：（—?dú)猓?門kpCG （1）式中： Cag=Ca°d—Xa）所以： 門=（Ra） （2）kC由于本征反應(yīng)速率常數(shù)kp值未知，故不能直接由式（2）求出內(nèi)擴(kuò)散有效因子門。根據(jù)：中=?叫=R2、(—RA)=R2(—Ra)'S D* D^Cag式中：中s為大西勒（Thiele）模數(shù)速s為球形顆粒一級反應(yīng)時(shí)的西勒（Thiele）模數(shù)。R為催化劑顆粒半徑、DeA為氣態(tài)苯在催化劑顆粒內(nèi)部的有效擴(kuò)散系數(shù)、（一Ra）為宏觀反應(yīng)速率、Cag為轉(zhuǎn)化率為\a時(shí)苯的摩爾濃度，均可由實(shí)驗(yàn)測得，故由式G）就可直接求出中s（即%2n）值。而 尸^（諭上一卜 ⑷S SS所以可先假設(shè)4s代入式⑷A門 ?q明此時(shí)判斷得到的8尹值是否等于由式（3）求得的七2門值？若不等，重新假設(shè)4s值，反復(fù)計(jì)算，直到相等。若相等，此時(shí)的門值即為所求。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖1、實(shí)驗(yàn)裝置：該裝置由反應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成：反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)器為管式，不銹鋼材質(zhì)。反應(yīng)管內(nèi)徑:20mm；長度：550mm。管內(nèi)有直徑為3mm的不銹鋼管穿過反應(yīng)管的上下兩端，以便在3mm管內(nèi)插入直徑為1mm的塏裝式熱電偶，通過上下拉動熱電偶可測出床層內(nèi)不同高度處的反應(yīng)溫度。預(yù)熱器直徑：10mm；長度：250mm；加熱功率：0.5kW。反應(yīng)加熱爐采用三段加熱控溫方式，加熱爐直徑：220mm；長度：550mm；各段加熱功率：1kW。上下段溫度控制靈活，恒溫區(qū)較寬。控溫與測溫?cái)?shù)據(jù)均數(shù)字顯示。2-實(shí)驗(yàn)裝置流程圖⑴一氫氣鋼瓶⑵一穩(wěn)壓閥⑶一調(diào)節(jié)閥⑷一苯計(jì)量泵⑸一轉(zhuǎn)子流量計(jì)⑹一壓力表 ⑺一預(yù)熱器⑻一床層測溫?zé)犭娕?⑼一反應(yīng)管（10）一催化劑/填料復(fù)合床層 （11）、（12）、（13）一加熱爐上、中、下三段熱電偶皿一苯儲罐 （15）一氣相色譜儀圖1.實(shí)驗(yàn)流程示意圖四、實(shí)驗(yàn)操作步驟準(zhǔn)確稱取2克10?28目的催化劑，并量出該催化劑的體積，記為VpmL；再稱取20克相同目數(shù)的瓷粒子，然后均勻混合，并用量筒量取其體積，將其裝入反應(yīng)管中，記錄床層高度和床層位置。再將反應(yīng)器固定在反應(yīng)加熱爐中。通氣體進(jìn)行試漏，直至不漏。催化劑活化。催化劑床層溫度以25°C/h的升溫速率從室溫升到180°C,控制合適的氫氣流量（300mL/min左右）通入反應(yīng)器。在180C恒溫2h,然后以25C/h的降溫速率降溫，到50C以下時(shí)關(guān)閉氣源和電源。計(jì)量泵苯流量的標(biāo)定。（上述三步由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師預(yù)先完成）。打開氫氣鋼瓶減壓表，開啟氣相色譜儀，分析條件為：柱室80C，進(jìn)樣器150C，橋流150MA,柱前壓力0.15MPa。打開氫氣鋼瓶減壓表，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥，控制合適的氫氣流量(400mL/min左右)，通入反應(yīng)器，目的是床層溫度升高時(shí)使床層溫度均勻，同時(shí)氫氣又是反應(yīng)原料氣。開啟電源開關(guān)，設(shè)置好預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別為150、110、140、110°C左右。調(diào)節(jié)預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的電流給定旋鈕，預(yù)熱器電流不超過1A，反應(yīng)器加熱爐上、中、下段不超過2A，電流表有電流指示表明已開始加熱。待預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別達(dá)到所設(shè)定的溫度時(shí)，開啟計(jì)量泵，泵入苯，苯的流量根據(jù)停留時(shí)間的要求控制在某一適當(dāng)?shù)牧髁?苯的流量可控制在0.2?1g/min)，并要求苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比維持在1：6,根據(jù)此摩爾配比調(diào)節(jié)氫氣的流量。苯在預(yù)熱器汽化并與氫氣混合后進(jìn)入催化劑床層發(fā)生反應(yīng)。由于是放熱反應(yīng)，反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度均會升高，待操作一段時(shí)間，溫度穩(wěn)定后，拉動床層測溫?zé)犭娕?，檢測整個(gè)床層的溫度分布是否在150C左右且各處是否接近等溫。否則需要對加熱爐中段給定溫度稍作調(diào)整。當(dāng)反應(yīng)器床層溫度達(dá)到所要求的溫度，且加熱爐上、中、下三段的溫度均穩(wěn)定不變時(shí)，用2mL玻璃注射器對反應(yīng)器出口氣體進(jìn)行取樣，注入到色譜儀中進(jìn)行熱導(dǎo)分析，得到反應(yīng)器出口氣體的組成結(jié)果。改變苯進(jìn)料流量，同時(shí)相應(yīng)改變氫氣進(jìn)料流量，保持苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比不變，仍為1：6。重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟9?10。共進(jìn)行了5個(gè)流量時(shí)，可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉苯計(jì)量泵，關(guān)閉加熱電源。繼續(xù)通入氫氣，待床層溫度降至100C以下可關(guān)閉氫氣鋼瓶，以防止溫度過高造成催化劑失活。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：氣溫：C 大氣壓：Pa 實(shí)驗(yàn)日期：表1催化劑目數(shù)催化劑(g)催化劑(mL)填料(g)稀釋比總體積(mL)床層高(cm)表2序號氫氣流量(mL/min)苯流量(mL/min)上段溫度(C)中段溫度(C)下段溫度(C)設(shè)定實(shí)測設(shè)定實(shí)測設(shè)定實(shí)測12345

序號床層溫度分布情況1床層長度（cm）實(shí)測溫度（°C）2床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）3床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）4床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）5床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）表4分析結(jié)果--- 數(shù)據(jù)序號(%)x(%)x(%)(g.h/mol)1⑴⑵⑶2⑴⑵⑶3⑴⑵⑶4⑴⑵⑶5⑴⑵⑶六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率的計(jì)算設(shè)苯的流量為七0（mol/h）,反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率為X^，出口氣體中，苯的質(zhì)量百分含量為七，環(huán)己烷的質(zhì)量百分含量為*（不考慮其中氫氣的質(zhì)量百分含量），即七+y2=100%。由化學(xué)方程式： C6H6（g）+3H2（g）—m，15oOc>C6H12（g）反應(yīng)前：（mol/h）七 0

反應(yīng)后：（mol/h）即：（g/h） "卸*（1-X「*78 七。*X^*84、_ 78*Fg*(1-X) _ 13(1-X,)yi—78*F^*(1-X.)+84**F^*X)一13(1-XA)+14XA(6)、，— 84*F”*X, _ 14X,(6)y2-78*FA0*(1-XA)+84A*FA0*XA一13(1-XA)+14XA化簡得:X化簡得:XA13(1—y)13y214一'2y1和y2可通過氣相色譜分析反應(yīng)器出口氣體組成而得。因此可通過角7）計(jì)算出口轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)速率（一Ra）的計(jì)算由實(shí)測的xA?Vp/FA0曲線，可用多項(xiàng)式擬合，然后求導(dǎo)，任何一個(gè)xA所對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值就是該點(diǎn)的反應(yīng)速率值。3.有效擴(kuò)散系數(shù)DeA值苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)可取0.2cm2/s。七、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前，一定要檢查管路的氣密性，尾氣要接到室外；實(shí)驗(yàn)操作一定要按步驟進(jìn)行，防止催化劑失活；實(shí)驗(yàn)中要注意保持氫氣、苯流量的穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，檢查水、電、氣的閥門，關(guān)閉后才能離開。八、 思考題外擴(kuò)散阻力如何消除？本征反應(yīng)動力學(xué)如何測定？九、 參考文獻(xiàn)陳甘棠主編.