固定床乙醇脫水制乙烯反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)

固定床乙醇脫水制乙烯反響研究實(shí)驗(yàn)學(xué)校：齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)學(xué)院：化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院班級：化工112馬林福，何青云，張杰化工113賈楠，王麗博指導(dǎo)教師：韓福忠日期：2023年11月26日固定床乙醇脫水制乙烯反響研究實(shí)驗(yàn)賈楠，馬林福，王麗博，何青云，張杰〔齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，161006〕摘要：乙烯是重要的根本有機(jī)化工產(chǎn)品。在固定床反響器中進(jìn)行乙醇脫水反響研究，反響產(chǎn)物隨著反響溫度的不同，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(shí)驗(yàn)中，通過改變反響的進(jìn)料速度，可以得到不同反響條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到反響溫度下的最正確工藝條件。關(guān)鍵詞：乙烯；進(jìn)料速度；固定床反響器；最正確工藝條件；Abstract：Ethyleneisanimportantbasicorganicchemicalproducts.Forethanoldehydrationreactionresearchinafixedbedreactor,reactionproductscanbeethyleneoretherwithadifferentreactiontemperatureinachemicalreactionthatthehighertemperature,themoretendtogenerateethyleneandthelowertemperature,themoretendtogenerateether.Bychangingthespeedofincomingmaterialsofreactions,theexperimentaldatasdissectivetogetthebestprocessconditionsareobtainedinadifferentreactioncondition.Keywords：ethylene；feedrate；fixedbedreactor；thebestprocessconditions前言乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個(gè)吸熱、分子數(shù)增不變的可逆反響。提高反響溫度、降低反響壓力，都能提高反響轉(zhuǎn)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(shí)主要生成乙醚，有人解釋這大概是因?yàn)榉错戇^程中生成的碳正離子比擬活潑，尤其在高溫，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時(shí)已經(jīng)失去質(zhì)子變成乙烯．而在較低溫度時(shí)，碳正離子存在時(shí)間長些，與乙醇分子相遇的機(jī)率增多，生成乙醚。有人認(rèn)為在生成產(chǎn)物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂C—H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)生脫水反響，既可分子內(nèi)脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚。現(xiàn)有的研究報(bào)道認(rèn)為，乙醇分子內(nèi)脫水可看成單分子的消去反響，分子間脫水一般認(rèn)為是雙分子的親核取代反響，這也是兩種相互競爭的反響過程，具體反響式如下：C2H5OH→C2H4+H2O(1)C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O(2)研究發(fā)現(xiàn)，通過對反響熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應(yīng)相反的兩個(gè)過程，升高溫度有利于脫水制乙烯(吸熱反響)，而降低溫度對脫水制乙醚更為有利(微放熱反響)，所以要使反響向要求的方向進(jìn)行，必須要選擇相適應(yīng)的反響溫度區(qū)域，另外還應(yīng)該考慮動(dòng)力學(xué)因素的影響。本實(shí)驗(yàn)采用ZSM－5分子篩為催化劑，在固定床反響器中進(jìn)行乙醇脫水反響研究，反響產(chǎn)物隨著反響溫度的不同，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(shí)驗(yàn)中，通過改變反響的進(jìn)料速度，可以得到不同反響條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對氣體和液體產(chǎn)物的分析，可以得到反響溫度下的最正確工藝條件和動(dòng)力學(xué)方程。反響機(jī)理如下：主反響：C2H5OH→C2H4+H2O(1)副反響：C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O(2)在實(shí)驗(yàn)中，由于兩個(gè)反響生成的產(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(jìn)入尾氣濕式流量計(jì)計(jì)量總體積后排出。對于不同的反響溫度，通過計(jì)算不同的轉(zhuǎn)化率和反響速率，可以得到不同反響溫度下的反響速率常數(shù)，并得到溫度的關(guān)聯(lián)式。2實(shí)驗(yàn)局部2.1實(shí)驗(yàn)儀器和藥品儀器：乙醇脫水固反響器，氣相色譜及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動(dòng)泵。藥品：ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。2.2實(shí)驗(yàn)步驟按照實(shí)驗(yàn)要求，將反響器預(yù)熱段溫度設(shè)定為120℃，反響管上段，中段，下端溫度分別為340℃，370℃，330℃在溫度到達(dá)設(shè)定值后，繼續(xù)穩(wěn)定10~20分鐘，然后開始參加乙醇，加料速度設(shè)定為反響進(jìn)行10分鐘后，正式開始實(shí)驗(yàn)。先換掉反響器下的吸收瓶，并換上清洗干凈的新瓶。記錄濕式流量計(jì)的讀數(shù)，應(yīng)每隔一定時(shí)間記錄反響溫度和尾氣流量等實(shí)驗(yàn)條件。每個(gè)流量反響30分鐘，然后取出吸收瓶中的液體，用天平對液體產(chǎn)物準(zhǔn)確稱重，并進(jìn)行色譜分析。依次改變乙醇的加料速度為1.0mlmin、1.2mlmin，6．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)料開關(guān)。繼續(xù)加熱20分鐘，之后關(guān)閉各加熱器，翻開尾液收集器閥門，放掉尾液，關(guān)閉總電源。3結(jié)果與討論表1熱導(dǎo)池檢測器上fi〔載氣H2〕出現(xiàn)順序 1234組分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進(jìn)料量為1.4ml∕min，得到液相產(chǎn)品m=m2?m1=49.884?38.127=11.757gω乙=乙醇表2各流量下乙醇、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)流率ml∕min液相質(zhì)量gωω0.810.0070.7540.2461.014.9160.4300.5701.220.4760.5400.4601.411.7570.4280.5721.633.6540.8010.199轉(zhuǎn)化率，選擇性和收率的計(jì)算乙醇進(jìn)料量Q=ρF乙=0.789×1.40=1.1046g∕min28min內(nèi)進(jìn)料物質(zhì)的量n乙。=1.1046×28∕46.07=0.6713mol濕式流量計(jì)測得乙烯體積V=4.800-0.528=4.2722L標(biāo)準(zhǔn)狀況下乙烯neth=PV∕RT=101.325×4.2722∕〔8.314×293.15〕=0.178mol由氣相色譜測得的結(jié)果可得乙醇物質(zhì)的量n乙=表3計(jì)算各數(shù)據(jù)如下表流率ml∕min乙醇進(jìn)料流量g∕min乙醇反響時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量n乙。∕mol乙烯物質(zhì)的量neth∕mol0.80.6310.4110.2601.00.7890.5140.1981.20.9470.6170.1901.41.1050.6710.1781.61.2620.8220.083乙醇的轉(zhuǎn)化率X=〔n乙。?n乙〕∕n乙?！?00％乙烯的收率Yeth=neth∕n乙?！?00％乙烯的選擇性S=Yeth∕X=26.52％∕78.25％=0.339表4進(jìn)料流量與轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性數(shù)據(jù)表流率ml∕min乙醇轉(zhuǎn)化率乙烯收率乙烯選擇性0.80.8560.6320.7391.00.7290.3850.5281.20.6110.3080.5051.40.7830.2650.3391.60.2880.1010.351圖1進(jìn)料流量與轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性關(guān)系圖4結(jié)論由圖1可知，隨著進(jìn)料速度的增大，反響的乙醇轉(zhuǎn)化率、乙烯收率、乙烯選擇性都減小，而副產(chǎn)物乙醚的含率增加。為方便分析，將反響器簡化為管式反響器(PFR)，且忽略溫度和生成氣體體積對空時(shí)的影響。反響器中主要進(jìn)行以下反響：主反響：C副反響：2將兩個(gè)反響看出基元反響，那么有：r因此有-所以V=可知當(dāng)Q0增大時(shí)，τ減小，即x又有Y=可知當(dāng)Q0增大時(shí)，因?yàn)閤A減小，所以cA乙烯瞬時(shí)選擇性為S=可知，當(dāng)CA增大時(shí)，S催化劑理論解釋乙醇進(jìn)料流量增大，說明反響空速增大。隨著反響空速的增大，乙醇的轉(zhuǎn)化率降低，乙烯的收率下降，反響對乙烯的選擇性也降低。空速是指單位時(shí)間內(nèi)，單位體積〔或質(zhì)量〕的催化劑所通過的反響物的體積〔或質(zhì)量〕。乙醇進(jìn)料流量增大，反響空速增大，反響物乙醇在催化劑床層的停留時(shí)間縮短，即有一局部乙醇沒來得及反響就隨氣流離開反響器，隨后進(jìn)入反響產(chǎn)物中，并且進(jìn)料流量越大，未反響的乙醇的量就越多。所以，隨著乙醇進(jìn)料流量增大，乙醇轉(zhuǎn)化率降低，乙烯收率下降，反響對乙烯的選擇性也降低。參考文獻(xiàn)[1]賈麗華，郭祥峰，李金龍.化學(xué)工程與工藝綜合實(shí)驗(yàn).哈爾濱工程大學(xué)出版，2023,9[2]趙本良,趙寶中.以雜多酸催化法乙醇脫水制乙烯[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995,(01):70-72.[3]趙本良,王靜波,王春梅.雜多酸催化劑催化乙醇脫水制乙烯[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,(03):41-43.附圖氣相色譜測量結(jié)果第一組氣樣：流速0.8ml/min峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.5234559.93330686.10095.931422.37396.6361301.4504.0686液樣：峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.47319219.174135933.18887.081021.1151207.27720236.46512.9190第二組氣樣：1.0ml/min峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.5075738.22837584.75098.432021.41576.379598.7001.5680液樣：峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.5232720.30222024.56437.678220.9822327.55636429.83662.3218第三組.氣樣：1.2ml/min峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.4904559.84227956.600100.0000液樣：峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.5151879.54014858.68028.004420.9232521.56038199.62171.9956第四組氣樣：1.4ml/min峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.4655386.97931897.19996.044822.13289.0411313.5503.9552液樣：峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積含量10.4902477.76718402.07837.871820.9152153.32630188.37362.1282第五組氣樣：1.6ml/min峰號峰名保存時(shí)間峰高峰面積