2022年催化劑有效因子實(shí)驗(yàn)講義

1、. -試驗(yàn) 10 催化劑擴(kuò)散有效因子的測(cè)定一試驗(yàn)?zāi)康摹?多相系統(tǒng)中的化學(xué)反響與傳遞現(xiàn)象是.反響工程 .課程的重點(diǎn)容之一,通過(guò)本試驗(yàn)使同學(xué)對(duì)課程的容有更深化地懂得；1.明白、外擴(kuò)散過(guò)程及其對(duì)反響的影響；2.把握催化劑擴(kuò)散有效因子的概念及其測(cè)定方法；3.明白本征反響動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)測(cè)定方法；4.明白固定床反響器中床層的溫度分布情形；二試驗(yàn)原理環(huán)己烷是無(wú)色透亮的液體,不溶于水,有刺激性氣味,易揮發(fā)、易燃,沸點(diǎn) 80.73 ,20相對(duì)密度 d 4 0.7785；主要作為己二酸和己酰胺的合成原料；環(huán)己烷的生產(chǎn)方法以苯加氫為主,其次是石油烴別離法；苯加氫制環(huán)己烷,采納氣固相催化反響或液相催化反響都可得到較高收

2、率, 工業(yè)上兩種方法都有萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)規(guī)模；本試驗(yàn)采納氣固相催化加氫法,用鎳催化劑在固定床反響器中合成環(huán)己烷；1.苯加氫氣固催化反響本征動(dòng)力學(xué)在Ni/Al2O 3固體催化劑作用下,苯加氫反應(yīng)方程式為：C6H6g3 H2g130180oCC 6H12g A 此反響可近似看成單一不行逆放熱反響,在氫氣大大過(guò)量的情形下可視為擬一級(jí)反響,故： R A 本 k P C AG 2-10-1k p本征反響速率常數(shù)；圖 2-10-1 多相催化反響過(guò)程C AG苯的摩爾濃度；. . word.zl-. -2.宏觀動(dòng)力學(xué) 固體催化劑外外表為一氣體層流邊界層所包圍,顆粒部那么為縱橫交錯(cuò)的孔道,如圖2-10-1 所示；多相

3、催化反響過(guò)程步驟包括：1反響物由氣相主體擴(kuò)散到顆粒外外表外擴(kuò)散；2反響物由外外表向孔擴(kuò)散,到達(dá)外表擴(kuò)散；3反響物在外表上吸附；4反響物在外表上反響生成產(chǎn)物；5產(chǎn)物自外表解吸；6產(chǎn)物由外表擴(kuò)散到外外表擴(kuò)散；7產(chǎn)物由顆粒外外表擴(kuò)散到氣相主體外擴(kuò)散；氣固催化反響的速率不但與化學(xué)反響有關(guān),仍和流體流淌、傳熱、傳質(zhì)有關(guān),這種包括了物理過(guò)程影響的化學(xué)反響速率叫做宏觀反響速率；響的影響,那么：R A宏0R A本2-10-2通常用有效因子的概念來(lái)表示擴(kuò)散對(duì)反0總有效因子,它表示了、外擴(kuò)散阻力對(duì)化學(xué)反響影響程度的大?。粁外擴(kuò)散有效因子G 只0內(nèi)擴(kuò)散有效因子通過(guò)床層的流體質(zhì)量速度G 對(duì)外擴(kuò)散有顯著影響,G 增大時(shí)

4、,外擴(kuò)散速率變快,而的變化對(duì)擴(kuò)散并無(wú)影響；當(dāng)質(zhì)量速度G 增大到某一值Gc 時(shí),可認(rèn)為外擴(kuò)散的阻力為零,存在擴(kuò)散阻力；當(dāng)只有擴(kuò)散影響,外擴(kuò)散阻力可不計(jì)時(shí)：0 R A 宏 R A 本2-10-33.擴(kuò)散有效因子的測(cè)定在外擴(kuò)散影響已經(jīng)排除的根底上測(cè)定擴(kuò)散有效因子；試驗(yàn)在裝填有肯定質(zhì)量、肯定粒徑球形催化劑的固定床反響器中進(jìn)展；按圖 2-10-2,取微元 dW 對(duì) A 組分作物料衡算可得：F A 0 dx A R A 宏 dW 2-10-4圖 2-10-2 物料衡算示意圖F A 0 A 的進(jìn)料摩爾流率. . word.zl-. -R A宏ddxAA0 2-10-5 W/F在某一反響溫度下,通過(guò)轉(zhuǎn)變苯和氫

5、氣的進(jìn)料流量,測(cè)定相應(yīng)的出口組成,求得苯的轉(zhuǎn)化率x ,得到x AW/FA0曲線圖 2-10-3,曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對(duì)應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反響速率,而：R A宏0R A本kpCAG 2-10-6式中：CA0CAGCA01xA2-10-7圖 2-10-3 宏觀反響速率求取可依據(jù)進(jìn)料組成求得；所以：R A宏2-10-8kPCAG由于本征反響速率常數(shù)kP值未知,故不能直接由式 8求出擴(kuò)散有效因子；在球形顆粒催化劑上進(jìn)展一級(jí)不行逆反響時(shí)：31S12-10-9StanhSS為球形顆粒上進(jìn)展一級(jí)反響時(shí)的西勒模數(shù)：sRkp2-10-10DeAR 催化劑顆粒半徑,為一值D eA氣態(tài)苯在催化劑顆粒部的有效擴(kuò)散

6、系數(shù),0 .2 2 cm /s定義：S S 2R 2 k P R A 宏R 2 R A 宏2-10-11D eA k P C AG D eA C AG上式右邊各項(xiàng)均可由試驗(yàn)測(cè)得,故由此式可直接求出 s值；2先假設(shè) s,由s 求出,判定得到的 S 值是否等于由式11求得的 s,假設(shè)不等,重新假設(shè) s值,反復(fù)運(yùn)算,直到相等；假設(shè)相等,此時(shí)的 值即為所求；. . word.zl-. -三試驗(yàn)裝置流程及試劑1試驗(yàn)流程見(jiàn)圖 2-10-4；氫氣鋼瓶出來(lái)的氫氣經(jīng)計(jì)量后與從計(jì)量泵打出的苯混合進(jìn)入預(yù)熱器,在此苯氣化并與氫氣充分混合勻稱,從預(yù)熱器出來(lái)的原料進(jìn)入反響管,從上而下經(jīng)過(guò)床層,反響產(chǎn)物從反響管下端出來(lái),取

7、樣后進(jìn)入尾氣回收裝置；2試驗(yàn)裝置及試劑試驗(yàn)裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖 2-10-5；該裝置有反響系統(tǒng)和掌握系統(tǒng)組成,反響系統(tǒng)的反響器為管式固定床,不銹鋼材質(zhì)； 反響管徑 20mm,長(zhǎng)度 550mm；管有直徑為 3mm 的不銹鋼穿過(guò)反響管的上下兩端,以便在 3mm管插入直徑為 1mm 的塏裝式熱電偶,通過(guò)上下拉動(dòng)熱電偶可測(cè)定床層不同高度處的反響溫度；預(yù)熱器直徑 10mm,長(zhǎng)度 250mm,加熱功率 0.5kW；圖 2-10 -4 擴(kuò)散有效因子的測(cè)定試驗(yàn)流程反響加熱爐采納三段加熱控溫方式,加熱爐直徑220mm,長(zhǎng)度 550mm；各段加熱功率均為 1kW；上下段溫度掌握敏捷,恒溫區(qū)較寬；控溫與測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均數(shù)字顯示

8、；試驗(yàn)幫助設(shè)備有：計(jì)量泵5ml 1 臺(tái). word.zl-醫(yī)用注射器2 只. . -微量注射器 5 l 1 只氣相色譜儀熱導(dǎo)檢測(cè)1 臺(tái)主要試劑：苯 分析純氫氣鋼瓶裝圖 2-10-5 擴(kuò)散有效因子的測(cè)定裝置實(shí)物圖四試驗(yàn)步驟及分析方法1. 精確稱取 2 克肯定目數(shù)的催化劑,再稱取20 克同樣目數(shù)的填料,混合勻稱后用量筒測(cè)其體積,將其裝入反響管,記錄床層高度和位置；將反響器固定于反響加熱爐中,通氣體 進(jìn)展試漏,直至不漏；2. 催化劑活化；掌握相宜的氫氣流量300ml/min 左右通入反響器,催化劑床層溫度以 25 /h 的升溫速率升至180 ,在 180 下恒溫 2h,然后以25 /h 的降溫速率降

9、溫,到50 以下時(shí)關(guān)閉氣源和電源；3. 對(duì)計(jì)量泵進(jìn)展苯的流量標(biāo)定；4. 翻開(kāi)氫氣鋼瓶減壓表,開(kāi)啟 6800A 氣相色譜儀,分析條件為：進(jìn)樣器 180 ,柱溫80 ,檢測(cè) 180 ,橋流 150mA,柱前壓 0.15MPa,載氣流量 30ml/min ；5. 翻開(kāi)氫氣鋼瓶減壓表,調(diào)劑穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥,掌握相宜的氫氣流量400ml/min 左右. . word.zl-. -通入反響器,目的是使床層溫度上升時(shí)使床層溫度勻稱,同時(shí)氫氣也是反響原料；6. 開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān), 設(shè)置好預(yù)熱器和反響器加熱爐上、中、下三段的溫度分別為150、130、150、 130 ；7. 調(diào)劑預(yù)熱器和反響器加熱爐上、中、下三段的電流

10、給定旋鈕,預(yù)熱器電流不超過(guò)1A,反響器加熱爐上、中、下三段電流不超過(guò)2A,電流表有電流指示說(shuō)明已開(kāi)場(chǎng)加熱；8待預(yù)熱器和反響器加熱爐上、中、下三段的溫度分別到達(dá)所設(shè)定的溫度時(shí),開(kāi)啟計(jì) 量泵,泵入苯,苯的流量依據(jù)停留時(shí)間的要求掌握在某一適當(dāng)?shù)牧髁勘降牧髁靠烧莆赵?.21g/min ,并要求苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比維護(hù)在 量；1：8,依據(jù)此摩爾配比調(diào)劑氫氣的流9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)生反響；由于是放熱反響,反響 器加熱爐上、中、下三段的溫度均會(huì)上升,待操作一段時(shí)間,溫度穩(wěn)固后,拉動(dòng)床層測(cè)溫?zé)犭娕?檢測(cè)整個(gè)床層的溫度分布是否在 熱爐中段給定溫度稍作調(diào)整；150 左右且各處是否接近等

11、溫；否那么需要對(duì)加10當(dāng)反響器床層溫度到達(dá)所要求的溫度,且加熱爐上、 中、下三段的溫度均穩(wěn)固不變時(shí),用 5mL 玻璃注射器對(duì)反響器出口氣體進(jìn)展取樣,注入到色譜儀中進(jìn)展熱導(dǎo)分析,測(cè)得反響器出口氣體的組成；11轉(zhuǎn)變苯進(jìn)料流量, 同時(shí)相應(yīng)轉(zhuǎn)變氫氣進(jìn)料流量,保持苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比不變?nèi)詾?1：8；重復(fù)試驗(yàn)步驟 910,進(jìn)展 5 個(gè)不同流量試驗(yàn)；12試驗(yàn)完畢,關(guān)閉苯計(jì)量泵,關(guān)閉加熱電源；連續(xù)通入氫氣,待床層溫度降至 100 以下,方可關(guān)閉氫氣鋼瓶,以防止溫度過(guò)高造成催化劑失活；五試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表 2-10-1,表 2-10-2,表 2-10-3 和表 2-10-4；氣溫： 大氣壓： MP

12、a 試驗(yàn)日期：表 2-10-1 床層性能. 催化劑催化劑填料 g 稀釋比總體積床層高g 目數(shù)ml cm . word.zl-. -表 2-10-2 試驗(yàn)記錄序號(hào)氫氣流量苯流量上段溫度中段溫度下段溫度 ml/min ml/min 設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)1 2 3 4 5 表 2-10-3 床層溫度分布序號(hào)床層長(zhǎng)度 cm床層溫度分布情形1 2 實(shí)測(cè)溫度 床層長(zhǎng)度 cm3 實(shí)測(cè)溫度 床層長(zhǎng)度 cm4 實(shí)測(cè)溫度 床層長(zhǎng)度 cm5 實(shí)測(cè)溫度 床層長(zhǎng)度 cm實(shí)測(cè)溫度 表 2-10-4 分析結(jié)果號(hào)數(shù)據(jù)序1yy2xAxAW/FA0% % % % g.h/mol 1 2 3 4 . 5 . word.zl-.

13、 -六試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1反響器出口轉(zhuǎn)化率的運(yùn)算為y 1y 2設(shè)苯的流量為FA0mol/h ,反響器出口轉(zhuǎn)化率為x ,出口氣體中, 苯的質(zhì)量百分含量1y ,環(huán)己烷的質(zhì)量百分含量為y 不考慮其中氫氣的質(zhì)量百分含量,即y2100 %；由化學(xué)方程式：C 6H6g3 H2gNi, 1500CC6H12g反響前： mol /h FA00 反響后： mol /h FA0* 1xAFA0*xA即： g /h F A0* 1xA*78FA 0*xA*84y 178*F78*F A0* 1xAA0*xA13 1xAx AA 0*1x A84*F13 1xA1484*FA0*x A14 xA78*F A0*1xA84*

14、FA0*xA13 1xA14x A化簡(jiǎn)得 :xA13 1y 1或x A13y 213y 114y 2y1 和 y2 可通過(guò)氣相色譜分析反響器出口氣體組成而得；因此可通過(guò)式7運(yùn)算出口轉(zhuǎn)化率；2反響速率xR A的運(yùn)算0曲線,可用多項(xiàng)式擬合,然后求導(dǎo),任何一個(gè)x 所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)由實(shí)測(cè)的W/FAA值就是該點(diǎn)的反響速率值；3有效擴(kuò)散系數(shù) D eA 值苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)可取 0.2cm 2/s ；4運(yùn)算例如：. 序號(hào)氫氣流量苯流量上段溫度中段溫度下段溫度 . word.zl-. -mol/h /FAmol/h 設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)設(shè)定實(shí)測(cè)1 8.112 1.014 130.0 130.4 140.0

15、 150.3 130.0 130.4 2 7.216 0.902 130.0 130.4 140.0 150.5 130.0 130.4 3 6.312 0.789 130.0 130.4 140.0 150.5 130.0 130.6 4 5.408 0.676 130.0 130.4 140.0 150.4 130.0 130.5 5 4.504 0.563 130.0 130.4 140.0 150.6 130.0 130.5 數(shù)據(jù)序1yy2xAxAW/FA0號(hào)% % % % g.h/mol 66.50 33.50 31.87 1.972 1 66.57 33.43 31.80 31.8

16、6 66.46 33.54 31.91 2.217 53.36 46.64 44.80 2 53.40 46.60 44.76 44.79 53.35 46.65 44.81 2.535 39.11 60.89 59.11 3 39.16 60.84 59.06 59.10 39.09 60.91 59.13 2.959 27.50 72.50 71.00 4 27.60 72.40 70.90 70.95 27.55 72.45 70.95 3.552 14.90 85.10 84.14 5 14.82 85.18 84.22 84.19 27.50 72.50 84.21 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出x

17、AW0曲線,曲線方程為：xA0. 1296W21. 04241W1 .22883FA0FA 0曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對(duì)應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反響速率：R A宏ddxAA01 . 042412.0 1296Wmol/g . h W/FFA0對(duì)第一組數(shù)據(jù)：R A宏0dxAA01 . 042412.0 12961 . 972/0 . 5312 mol/g. hd W/FQFAFH022.41000273.15T0ml/hh316680.72m l/h0273.151.014273. 151508.112.00ml22.41000. 273.15. word.zl-. -CA0FA0.3202 mol/

18、3 m0 .03186p2 . 182 mol/3 mR A宏p4 . 29Q 0CAGCA0 1x A.3 2021S2R2kPR A宏R2kwR A宏R2SkwCAGD eAk wCAGDeAC AGDeA試差求得s2 . 390,故751；其余四組數(shù)據(jù)運(yùn)算同上,運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)下表；F A0mol/h.FH0mol/hQ 0ml/hCA0mol/m3W/FA 0R AsS1.0148.112 316680.72 3.202 g.h/molmol/g.h2.390 0.751 1.972 0.5312 4.29 0.902 7.216 281702.18 3.202 2.217 0.4677 4.66 2.52 0.733 0.789 6.312 246411.33 3.202 2.535 0.3854 5.19 2.706 0.709 0.676 5.408 211120.48 3.202 2.959 0.2756 5.22 2.716 0.708 0.563 4.504 175829.63 3.202 3.553 0.1217 4.23 2.368 0.754 故：0731；七試驗(yàn)結(jié)果和爭(zhēng)論1給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的主要結(jié)果；2摸索題：1外擴(kuò)散阻力如何排除？2本征反響動(dòng)力學(xué)如何測(cè)定？八試驗(yàn)本卷須知1試驗(yàn)前,肯定要檢查管