实验八催化剂内扩散有效因子的测定(精).doc
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实验八催化剂内扩散有效因子的测定
一、实验目的及意义
“多相系统中的化学反应与传递现象”是《反应工程》课程的重点教学内容之一，通过实验使学生了解内、外扩散过程及其对反应的影响；掌握催化剂内扩散有效因子的概念及其实验测定方法；了解本征反应动力学的实验测定方法。
二、实验原理
1．苯加氢气固相催化反应方程式
在固体催化剂作用下，苯加氢反应方程式为：
此反应为单一不可逆放热反应。
在氢气大大过量情况下可视为拟一级反应。
2．内扩散有效因子的测定
在外扩散影响已消除的基础上测定催化剂内扩散有效因子。
经预实验发现，由于本体系所使用的氢气大大过量，因此在实验温度、流量范围内，外扩散的影响均已消除。
本实验在反应管内装填10～28目范围内的粒子（假定为球形颗粒）、质量为W（g）的催化剂。
在某一床层温度（如150℃左右）下，通过改变苯和氢气的进料流量，测定相应的出口转化率xA，得到xA～/FA0曲线。
曲线上任意一点的斜率就对应于该转化率下的宏观反应速率（－RA）。
对一级不可逆反应，宏观反应速率又可写成：
（1）
式中：
CAG＝CA0（1－xA）
所以：
（2）
由于本征反应速率常数kP值未知，故不能直接由式
（2）求出内扩散有效因子。
根据：
（3）
式中：
为大西勒（Thiele）模数;为球形颗粒一级反应时的西勒（Thiele）模数。
R为催化剂颗粒半径、DeA为气态苯在催化剂颗粒内部的有效扩散系数、（－RA）为宏观反应速率、CAG为转化率为xA时苯的摩尔浓度，均可由实验测得，故由式（3）就可直接求出（即）值。
而（4）
所以可先假设代入式（4）
此时判断得到的值是否等于由式（3）求得的值？
若不等，重新假设值，反复计算，直到相等。
若相等，此时的值即为所求。
三、实验装置及流程图
1、实验装置：
该装置由反应系统和控制系统组成：
反应系统的反应器为管式，不锈钢材质。
反应管内径：
20mm；长度：
550mm。
管内有直径为3mm的不锈钢管穿过反应管的上下两端，以便在3mm管内插入直径为1mm的垲装式热电偶，通过上下拉动热电偶可测出床层内不同高度处的反应温度。
预热器直径：
10mm；长度：
250mm；加热功率：
0.5kW。
反应加热炉采用三段加热控温方式，加热炉直径：
220mm；长度：
550mm；各段加热功率：
1k W。
上下段温度控制灵活，恒温区较宽。
控温与测温数据均数字显示。
2．实验装置流程图
15
⑴－氢气钢瓶⑵－稳压阀⑶－调节阀⑷－苯计量泵⑸－转子流量计
⑹－压力表⑺－预热器⑻－床层测温热电偶⑼－反应管
⑽－催化剂/填料复合床层⑾、⑿、⒀－加热炉上、中、下三段热电偶
⒁－苯储罐⒂－气相色谱仪
图1.实验流程示意图
四、实验操作步骤
1．准确称取2克10～28目的催化剂，并量出该催化剂的体积，记为VPmL；再称取20克相同目数的瓷粒子，然后均匀混合，并用量筒量取其体积，将其装入反应管中，记录床层高度和床层位置。
再将反应器固定在反应加热炉中。
通气体进行试漏，直至不漏。
2．催化剂活化。
催化剂床层温度以25℃/h的升温速率从室温升到180℃,控制合适的氢气流量（300mL/min左右）通入反应器。
在180℃恒温2h,然后以25℃/h的降温速率降温，到50℃以下时关闭气源和电源。
3．计量泵苯流量的标定。
（上述三步由实验指导老师预先完成）。
4．打开氢气钢瓶减压表，开启气相色谱仪，分析条件为：
柱室80℃，进样器150℃，桥流150MA,柱前压力0.15MPa。
5.打开氢气钢瓶减压表，调节稳压、稳流阀，控制合适的氢气流量（400mL/min左右），通入反应器，目的是床层温度升高时使床层温度均匀，同时氢气又是反应原料气。
6．开启电源开关，设置好预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别为150、110、140、110℃左右。
7．调节预热器和反应器加热炉上、中、下三段的电流给定旋钮，预热器电流不超过1A，反应器加热炉上、中、下段不超过2Ａ，电流表有电流指示表明已开始加热。
8．待预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别达到所设定的温度时，开启计量泵，泵入苯，苯的流量根据停留时间的要求控制在某一适当的流量（苯的流量可控制在0.2～1g/min），并要求苯和氢气的进料摩尔配比维持在1：
6，根据此摩尔配比调节氢气的流量。
9．苯在预热器汽化并与氢气混合后进入催化剂床层发生反应。
由于是放热反应，反应器加热炉上、中、下三段的温度均会升高，待操作一段时间，温度稳定后，拉动床层测温热电偶，检测整个床层的温度分布是否在150℃左右且各处是否接近等温。
否则需要对加热炉中段给定温度稍作调整。
10．当反应器床层温度达到所要求的温度，且加热炉上、中、下三段的温度均稳定不变时，用2mL玻璃注射器对反应器出口气体进行取样，注入到色谱仪中进行热导分析，得到反应器出口气体的组成结果。
11．改变苯进料流量，同时相应改变氢气进料流量，保持苯和氢气的进料摩尔配比不变，仍为1：
6。
重复实验步骤9～10。
12．共进行了5个流量时，可结束实验。
关闭苯计量泵，关闭加热电源。
继续通入氢气，待床层温度降至100℃以下可关闭氢气钢瓶，以防止温度过高造成催化剂失活。
五、实验数据记录：
气温：
℃大气压：
MPa实验日期：
表1
催化剂
目数
催化剂
（g）
催化剂（mL）
填料（g）
稀释比
总体积
（mL）
床层高
（cm）
表2
序号
氢气流量
（mL/min）
苯流量
（mL/min）
上段温度
（℃）
中段温度
（℃）
下段温度
（℃）
设定
实测
设定
实测
设定
实测
1
2
3
4
5
表3
序号
床层温度分布情况
1
床层长度（cm）
实测温度（℃）
2
床层长度（cm）
实测温度（℃）
3
床层长度（cm）
实测温度（℃）
4
床层长度（cm）
实测温度（℃）
5
床层长度（cm）
实测温度（℃）
表4分析结果
数据序号
（%）
（%）
（%）
（%）
W/FA0
（g.h/mol）
1
⑴
⑵
⑶
2
⑴
⑵
⑶
3
⑴
⑵
⑶
4
⑴
⑵
⑶
5
⑴
⑵
⑶
六、实验数据处理：
1．反应器出口转化率的计算
设苯的流量为（mol/h），反应器出口转化率为，出口气体中，苯的质量百分含量为，环己烷的质量百分含量为（不考虑其中氢气的质量百分含量），即。
由化学方程式：
反应前：
（）0
反应后：
（）
即：
（）
（5）
（6）
化简得:
或（7）
y1和y2可通过气相色谱分析反应器出口气体组成而得。
因此可通过式（7）计算出口转化率。
2．反应速率（－RA）的计算
由实测的xA～VP/FA0曲线，可用多项式拟合，然后求导，任何一个xA所对应的导数值就是该点的反应速率值。
3．有效扩散系数DeA值
苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数可取0.2cm2/s。
七、实验注意事项
1．实验前，一定要检查管路的气密性，尾气要接到室外；
2．实验操作一定要按步骤进行，防止催化剂失活；
3．实验中要注意保持氢气、苯流量的稳定；
4．实验结束后，检查水、电、气的阀门，关闭后才能离开。
八、思考题
1．外扩散阻力如何消除？
2．本征反应动力学如何测定？
九、参考文献
1．陈甘棠主编.《化学反应工程》第一版,166～170。
化学工业出版社：
北京（1981）。
2．唐康敏，黄中涛.“在Pt/Al2O3催化剂上气相苯加氢反应动力学。
”化学反应工程与工艺，1991，7（3），215-233。
十、附录
1、催化剂目数和粒径的关系：
目数
粒径（mm）
10
1.651
12
1.397
24
0.701
28
0.589
48
0.295
100
0.147
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