化工過程開發(fā)實驗室工作課件

1、第三章 化工過程開發(fā)的實驗室工作8/9/20221第二章回顧選題市場需求調(diào)研所需資料立項來源3種原則4點定性定量專門外圍一元線性回歸8/9/20222主要內(nèi)容第一節(jié) 概述第二節(jié) 測量技術第三節(jié) 催化劑研究第四節(jié) 反應動力學研究方法簡介第五節(jié) 標準樣品及分析方法第六節(jié) 化工單元過程和化工單元操作試驗8/9/20223第一節(jié) 概述（參考P37-46）一、實驗分類預實驗系統(tǒng)實驗實驗的進展和目的的不同實驗試驗？8/9/202241. 預實驗為提出設想流程而進行的實驗。內(nèi)容：針對可行性研究中提出的疑問或前面實驗發(fā)現(xiàn)的新問題來進行研究。特點：無全面規(guī)劃、定性或半定量的實驗要求：研究者必須建立明確的思路 。

2、如對化學反應過程的研究，從三個方面建立思路： 8/9/20225（1）從認識對象的特征來建立思路。（2）從影響過程的因素出發(fā)來建立思路 （3）從工藝的特殊條件建立思路 化學反應的特征？影響反應速率的因素？如催化反應的控制步驟等目的：目標明確、簡化實驗8/9/20226預實驗的三種形式（1）認識實驗（2）析因?qū)嶒灒?）驗證實驗8/9/20227（1）認識實驗 認識試驗是為了認識過程研究對象的特征和初步規(guī)律而專門設計的試驗 。 方法：對比實驗如考察反應的轉(zhuǎn)化率和收率的高低，考察溫度或濃度對過程影響的敏感程度，以及考察傳熱方式或傳質(zhì)條件改變對過程的影響等。目的：獲得感性認識，要求研究者善于思考、分析

3、問題。8/9/20228（2）析因?qū)嶒?析因試驗是為了弄清實驗的各種影響因素而專門組織的試驗 。應注意以下法則：A、注意工程因素的等效性，不必對所有的因素都逐個進行試驗；B、分清可調(diào)和不可調(diào)因素，對不可調(diào)因素一般不作考察；C、分清敏感因素和非敏感因素，對非敏感因素，一般也不作重點考察 直接工程非常規(guī)8/9/20229（3）驗證（鑒別）實驗針對已形成的技術結論或設想的技術措施，判別其是與非而專門設計的試驗。采取一些簡易設備和簡便方法來進行，要求研究者要善于運用工程因素等效性的概念來合理簡化試驗過程。 8/9/2022102、系統(tǒng)實驗系統(tǒng)試驗是在預試驗的基礎上迸行，它是有目的有計劃地對預試驗測定的

4、定性結論或技術方案作系統(tǒng)考察并定量測取有關設計數(shù)據(jù)。預試驗-概念設計；系統(tǒng)試驗-基礎設計。8/9/202211包括：A、實驗目的B、實驗方案C、裝置設計和建立D、實驗點的安排E、獲得數(shù)據(jù)F、數(shù)據(jù)處理8/9/202212二、實驗工作程序基本程序：規(guī)劃-實驗及記錄-分析整理-報告1.擬定實驗計劃2.實驗過程3.總結新產(chǎn)品？新技術對老工藝改造？認真操作、觀察現(xiàn)象、測數(shù)據(jù)、記錄成果、不足8/9/202213第二節(jié) 測量技術一、溫度測量二、壓力測量三、流量測量8/9/202214一、溫度測量常用的測溫元件？ 玻璃液柱 雙金屬 熱電偶8/9/202215名稱測溫范圍優(yōu)點缺點玻璃液柱溫度計酒精-8030水銀

5、-10300直觀，結構簡單，穩(wěn)定性好，價格低廉易碎、溫度范圍有限，安裝位置要求準確，熱響應慢雙金屬溫度計低溫型-8080高溫型0500直觀，堅固耐用，無汞危險性，價格低廉僅用于現(xiàn)場測量，需要一定浸入長度，表盤所限精度差，熱響應慢熱電偶低溫-20040高溫01700測溫范圍寬，響應快安裝靈活需顯示儀表測溫元件特點8/9/202216二、壓力測量U型管液柱壓差計結構簡單、制作方便、讀數(shù)直觀、價格低廉缺點：易碎彈簧管壓力表測量范圍大，讀數(shù)精確度較差。8/9/202217三、流量測量轉(zhuǎn)子流量計皂膜流量計毛細管流量計8/9/202218第三節(jié) 催化劑研究一、催化技術概況1. 催化劑及性能指標（1）活性（

6、2）選擇性（3）穩(wěn)定性8/9/2022192.催化劑開發(fā)內(nèi)容催化劑開發(fā)包括了催化劑的設計、制備、測試、評價等各方面多專業(yè)的工作，也包括了實驗室研究（小試）、中試以及大廠生產(chǎn)和使用等各個工作段在內(nèi)。是一個龐大的工作體系。 一般來講，即使局部更新一個已經(jīng)工業(yè)化的催化劑也需要35年的時間，而且需要耗費大量的資金和人力。開發(fā)工作的每一步都要仔細考慮經(jīng)濟因素。8/9/2022203.催化劑開發(fā)中的實驗室工作實驗室工作包括幾個部分：（1）資料準備（2）催化劑參考樣品的剖析（3）配方篩選8/9/202221資料準備通過查閱文獻做以下幾項工作:1、待開發(fā)催化劑及其相關的工藝過程的歷史及其現(xiàn)狀2、課題的由來和意

7、義3、技術路線的選擇4、技術上的先進性和可行性5、經(jīng)濟上的合理性8/9/202222樣品剖析ICI 46-1催化劑的剖析（剖析結果） （1）外觀（2）物理性質(zhì)（3）催化劑的元素組成分析（4）催化劑中某些元素的分布（5）催化劑物相組成的測定8/9/202223（6）催化劑的差熱譜圖（7）催化劑可還原性的考察（8）催化劑中活性組分鎳晶粒大小和吸附氫氣的測定（9）催化劑熱穩(wěn)定性的考察（10）催化劑的活性和抗碳性能的考察 推斷:高嶺土、氧化鋁、氧化鎂為載體；氧化鈣為助劑；鎳為活性組分；鋁酸鈣水泥為粘結劑；高溫處理8/9/202224二、催化劑制備方法沉淀1.單組分沉淀法 沉淀劑與一種待沉淀組分溶液作用

8、以制備單一組分沉淀物2.多組分共沉淀法 將催化劑所需的兩種或兩種以上組分同時沉淀的一種方法3.均勻沉淀 待沉淀溶液與沉淀劑母體混合均勻，調(diào)節(jié)反應條件（溫度、PH值等）使體系逐步生成沉淀劑，使沉淀進行，得到均勻純凈固體。8/9/202225浸漬將載體浸泡在含有活性組分（主、助催化劑組分）的可溶性化合物溶液中，而后除去過剩溶液，再經(jīng)干燥、焙燒和活化即可離子交換法1、無機離子交換劑制備（分子篩）2、有機離子交換劑制備（離子交換樹脂）8/9/202226共混法8/9/2022278/9/202228三、催化劑評價方法微反檢測8/9/202229微反活性測試裝置 8/9/202230第四節(jié) 反應動力學研

9、究方法簡介（P86-92）8/9/202231動力學研究的目的和作用目的：為研究的催化劑提供數(shù)學模型，使之能夠在較大的范圍內(nèi)更有把握地、更準確地反映溫度、空速、壓力等參數(shù)對反應速率、轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響規(guī)律。作用：為催化劑設計以及催化劑反應器的設計提供科學依據(jù)。8/9/202232多相催化機理對于多相催化反應，以化學物種與催化劑的接觸開始，需要經(jīng)歷一系列的物理和化學基本步驟。稱這些步驟序列為“歷程”，而包括吸附、脫附、物理傳輸和化學變化步驟在內(nèi)的序列關系稱為機理。8/9/202233動力學實驗方法動力學實驗內(nèi)容：主要是測取不同溫度和反應物濃度條件下的反應速率，由此確定反應活化能、反應級數(shù)和頻率

10、因子等動力學參數(shù)。測試方法：可以在間歇操作的反應器內(nèi)進行，也可以在連續(xù)操作的反應器內(nèi)進行。不論哪種方法，都不能直接測出反應速率；而必須通過測試數(shù)據(jù)計算方能求得。8/9/202234反應器1. 間歇反應器2. 連續(xù)反應器 3. 脈沖式反應器8/9/2022351. 間歇反應器特點：反應速率隨時間而相應下降溫度、濃度均勻8/9/2022361. 間歇反應器（續(xù)）測定的數(shù)據(jù)：適用的物料體系：時間與濃度的關系（tC）液相反應系統(tǒng)慢反應8/9/2022371. 間歇反應器（續(xù)）優(yōu)點：缺點：試驗方法簡便，測試所消耗的物料量很少。數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，且準確程度較差。圖解微分積分How？8/9/2022382.

11、 連續(xù)反應器積分微分無梯度催化劑裝填量8/9/202239積分反應器特點：適用反應體系：催化劑床層高度大于反應器內(nèi)徑2倍以上。催化劑裝填量大，反應轉(zhuǎn)化率較大；一般x25%連續(xù)多相催化快反應床層各個截面上，反應物的濃度不同，出口測定的反應的轉(zhuǎn)化率反應的積分結果。8/9/202240積分反應器（續(xù)）試驗數(shù)據(jù):反應速率：8/9/2022418/9/202242優(yōu)點：缺點：設備結構簡單，對分析儀器要求不高,試驗與工業(yè)生產(chǎn)過程相近不易恒溫，存在溫度梯度。數(shù)據(jù)處理有一定難度，誤差較大8/9/2022438/9/202244微分反應器特點：催化劑的填充量少（常在1g以下）高空速進料，控制很低的反應轉(zhuǎn)化率。8

12、/9/202245微分反應器測定數(shù)據(jù)：反應速率：進出口轉(zhuǎn)化率8/9/202246微分反應器優(yōu)點：缺點：能直接給出反應速率，數(shù)據(jù)處理簡單；催化劑床層容易維持等溫分析的精度要求高，配料困難。如果催化劑床層內(nèi)出現(xiàn)溝流，則對反應過程的影響很大。怎樣配料？8/9/2022478/9/202248無梯度反應器特點：理想混合反應器特點？能直接測出反應速率；無配料的困難；無需控制很小的進、出口轉(zhuǎn)化率之差，測試手段也容易解決。8/9/202249無梯度反應器測定數(shù)據(jù)：反應速率：進出口轉(zhuǎn)化率8/9/2022508/9/2022518/9/202252脈沖反應器簡稱“微反”。是用一臺氣相色譜儀與一個微型管式反應器串

13、聯(lián)。8/9/2022538/9/202254動力學實驗的流程和方法流程與方法 動力學實驗與催化劑評價實驗在設備、裝置和流程一般是基本相同的，但做評價實驗時，改變催化劑而不改變條件，做動力學實驗則不改變催化劑8/9/202255本征、宏觀動力學 只有在排除了內(nèi)外擴散因素影響的前提下，才能評價催化劑的本征活性和研究催化劑的本征動力學。機理、數(shù)模宏觀工業(yè)生產(chǎn)實際8/9/202256第五節(jié) 標準樣品及分析方法一、標準樣品二、分析方法和產(chǎn)品標準8/9/202257一、標準樣品購買自制標準樣品提純的方法：意義：定性研究反應過程、定量計算、各種評價分析純、色譜純合成、表征精餾、結晶、色譜（閃柱色譜和薄層色譜

14、）8/9/202258二、分析方法和產(chǎn)品標準產(chǎn)品標準：是具體產(chǎn)品應達到的規(guī)格指標，而這種規(guī)格指標又是按一定分析方法制定的。產(chǎn)品的標準由開發(fā)單位提出，完善認定后形成企業(yè)、部門、國家標準。已有產(chǎn)品可收集權威標準如美國ASTM、德國DIN8/9/202259分析方法：首先要準確，還要快速、簡單、實用（氣譜、液譜、紫外）。包括產(chǎn)品、中間體8/9/202260第六節(jié) 化工單元過程和化工單元操作試驗意義：對認識過程規(guī)律、設備選型，能提出最直接的依據(jù)。反應過程與分離新技術8/9/202261MTBE催化精餾技術的開發(fā)工藝概況：C4餾分中的異丁烯與甲醇反應生成甲基叔丁基醚。可以實現(xiàn)C4中正丁烯與異丁烯的分離8/9/202