固定床乙醇脱水制乙烯反应研究的实验.docx

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固定床乙醇脱水制乙烯反应研究的实验

固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验

学校：

齐齐哈尔大学化学

学院：

化学与化学工程学院

班级：

化工112马林福，何青云，张杰

化工113贾楠，王丽博

指导教师：

韩福忠

日期：

2014年11月26日

固定床乙醇脱水制乙烯反应研究实验

贾楠，马林福，王丽博，何青云，张杰

（齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，161006）

摘要：

乙烯是重要的基本有机化工产品。

在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究，反应产物随着反应温度的不同，可以生成乙烯和乙醚。

温度越高，越容易生成乙烯，温度越低越容易生成乙醚。

实验中，通过改变反应的进料速度，可以得到不同反应条件下的实验数据，可以得到反应温度下的最佳工艺条件。

关键词：

乙烯；进料速度；固定床反应器；最佳工艺条件；

Abstract：

Ethyleneisanimportantbasicorganicchemicalproducts.Forethanoldehydrationreactionresearchinafixedbedreactor,reactionproductscanbeethyleneoretherwithadifferentreactiontemperatureinachemicalreactionthatthehighertemperature,themoretendtogenerateethyleneandthelowertemperature,themoretendtogenerateether.Bychangingthespeedofincomingmaterialsofreactions,theexperimentaldatasdissectivetogetthebestprocessconditionsareobtainedinadifferentreactioncondition.

Keywords：

ethylene；feedrate；fixedbedreactor；thebestprocessconditions

1前言

乙醇脱水生成乙烯和乙醚，是一个吸热、分子数增不变的可逆反应。

提高反应温度、降低反应压力，都能提高反应转化率。

乙醇脱水可生成乙烯和乙醚，但高温有利于乙烯的生在，较低温度时主要生成乙醚，有人解释这大概是因为反应过程中生成的碳正离子比较活泼，尤其在高温，它的存在寿命更短，来不及与乙醇相遇时已经失去质子变成乙烯．而在较低温度时，碳正离子存在时间长些，与乙醇分子相遇的机率增多，生成乙醚。

有人认为在生成产物的决定步骤中，生成乙烯要断裂C—H键，需要的活化能较高，所以要在高温才有和于乙烯的生成。

乙醇在催化剂存在下受热发生脱水反应，既可分子内脱水生成乙烯，也可分子间脱水生成乙醚。

现有的研究报道认为，乙醇分子内脱水可看成单分子的消去反应，分子间脱水一般认为是双分子的亲核取代反应，这也是两种相互竞争的反应过程，具体反应式如下：

C2H5OH→C2H4+H2O

（1）

C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O

（2）

研究发现，通过对反应热力学函数的计算分析可了解到乙醇脱水制乙烯、制乙醚是热效应相反的两个过程，升高温度有利于脱水制乙烯（吸热反应），而降低温度对脱水制乙醚更为有利（微放热反应），所以要使反应向要求的方向进行，必须要选择相适应的反应温度区域，另外还应该考虑动力学因素的影响。

本实验采用ZSM－5分子筛为催化剂，在固定床反应器中进行乙醇脱水反应研究，反应产物随着反应温度的不同，可以生成乙烯和乙醚。

温度越高，越容易生成乙烯，温度越低越容易生成乙醚。

实验中，通过改变反应的进料速度，可以得到不同反应条件下的实验数据，通过对气体和液体产物的分析，可以得到反应温度下的最佳工艺条件和动力学方程。

反应机理如下：

主反应：

C2H5OH→C2H4+H2O

（1）

副反应：

C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O

（2）

在实验中，由于两个反应生成的产物乙醚和水留在了液体冷凝液中，而气体产物乙烯是挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。

对于不同的反应温度，通过计算不同的转化率和反应速率，可以得到不同反应温度下的反应速率常数，并得到温度的关联式。

2实验部分

2.1实验仪器和药品

仪器：

乙醇脱水固反应器，气相色谱及计算机数据采集和处理系统，精密微量液体泵，蠕动泵。

药品：

ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，蒸馏水。

2.2实验步骤

1.按照实验要求，将反应器预热段温度设定为

，反应管上段，中段，下端温度分别为340

，370

330

。

2.在温度达到设定值后，继续稳定

分钟，然后开始加入乙醇，加料速度设定为

3.反应进行10分钟后，正式开始实验。

先换掉反应器下的吸收瓶，并换上清洗干净的新瓶。

记录湿式流量计的读数，应每隔一定时间记录反应温度和尾气流量等实验条件。

4.每个流量反应30分钟，然后取出吸收瓶中的液体，用天平对液体产物准确称重，并进行色谱分析。

5.依次改变乙醇的加料速度为

、

，1.4

重复上述实验步骤，则得到不同加料速度下的原料转化率、产物乙烯收率、副产物乙醚的生成速率等。

6．实验结束后，关闭进料开关。

继续加热20分钟，之后关闭各加热器，打开尾液收集器阀门，放掉尾液，关闭总电源。

3结果与讨论

表1热导池检测器上fi（载气H2）

出现顺序

1

2

34

组分i

乙烯

水

乙醇乙醚

校正因子

2.09×10－2

3.05×10－2

1.39×10－29.05×10－3

进料量为1.4ml∕min，得到液相产品m=m2−m1=49.884−38.127=11.757g

同理

=0.527

表2各流量下乙醇、水的质量分数

流率ml∕min

液相质量g

0.8

10.007

0.754

0.246

1.0

14.916

0.430

0.570

1.2

20.476

0.540

0.460

1.4

11.757

0.428

0.572

1.6

33.654

0.801

0.199

转化率，选择性和收率的计算

乙醇进料量

Q=ρF乙=0.789

1.40=1.1046g∕min

28min内进料物质的量

n乙。

=1.1046

28∕46.07=0.6713mol

湿式流量计测得乙烯体积

V=4.800-0.528=4.2722L

标准状况下乙烯

neth=PV∕RT=101.325

4.2722∕（8.314

293.15）=0.178mol

由气相色谱测得的结果可得乙醇物质的量

n乙=

表3计算各数据如下表

流率ml∕min

乙醇进料流量g∕min

乙醇反应时间内物质的量

n乙。

∕mol

乙烯物质的量neth∕mol

0.8

0.631

0.411

0.260

1.0

0.789

0.514

0.198

1.2

0.947

0.617

0.190

1.4

1.105

0.671

0.178

1.6

1.262

0.822

0.083

乙醇的转化率

X=（n乙。

−n乙）∕n乙。

=78.25％

乙烯的收率

Yeth=neth∕n乙。

=26.52％

乙烯的选择性

S=Yeth∕X=26.52％∕78.25％=0.339

表4进料流量与转化率、收率和选择性数据表

流率ml∕min

乙醇转化率

乙烯收率

乙烯选择性

0.8

0.856

0.632

0.739

1.0

0.729

0.385

0.528

1.2

0.611

0.308

0.505

1.4

0.783

0.265

0.339

1.6

0.288

0.101

0.351

图1进料流量与转化率、收率和选择性关系图

4结论

由图1可知，随着进料速度的增大，反应的乙醇转化率、乙烯收率、乙烯选择性都减小，而副产物乙醚的含率增加。

为方便分析，将反应器简化为管式反应器（PFR），且忽略温度和生成气体体积对空时的影响。

反应器中主要进行以下反应：

主反应：

副反应：

将两个反应看出基元反应，则有：

因此有

所以

可知当

增大时，

减小，即

减小。

所以当增加进料速度时，乙醇转化率减小，与实验结果相符。

又有

可知当

增大时，因为

减小，所以

增大，进而

减小。

所以当增加进料速度时，乙烯的收率减小，与实验结果相符。

乙烯瞬时选择性为

可知，当

增大时，

减小，与实验结果相符。

催化剂理论解释

乙醇进料流量增大，说明反应空速增大。

随着反应空速的增大，乙醇的转化率降低，乙烯的收率下降，反应对乙烯的选择性也降低。

空速是指单位时间内，单位体积（或质量）的催化剂所通过的反应物的体积（或质量）。

乙醇进料流量增大，反应空速增大，反应物乙醇在催化剂床层的停留时间缩短，即有一部分乙醇没来得及反应就随气流离开反应器，随后进入反应产物中，并且进料流量越大，未反应的乙醇的量就越多。

所以，随着乙醇进料流量增大，乙醇转化率降低，乙烯收率下降，反应对乙烯的选择性也降低。

参考文献

[1]贾丽华，郭祥峰，李金龙.化学工程与工艺综合实验.哈尔滨工程大学出版，2009,9

[2]赵本良,赵宝中.以杂多酸催化法乙醇脱水制乙烯[J].东北师大学报（自然科学版）,1995,（01）:

70-72.

[3]赵本良,王静波,王春梅.杂多酸催化剂催化乙醇脱水制乙烯[J].东北师大学报（自然科学版）,1997,（03）:

41-43.

附图

气相色谱测量结果

第一组

气样：

流速0.8ml/min

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.5234559.93330686.10095.9314

22.37396.6361301.4504.0686

液样：

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.47319219.174135933.18887.0810

21.1151207.27720166.46512.9190

第二组

气样：

1.0ml/min

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.5075738.22837584.75098.4320

21.41576.379598.7001.5680

液样：

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.5232720.30222024.56437.6782

20.9822327.55636429.83662.3218

第三组

.气样：

1.2ml/min

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.4904559.84227956.600100.0000

液样：

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.5151879.54014858.68028.0044

20.9232521.56038199.62171.9956

第四组

气样：

1.4ml/min

峰号峰名保留时间峰高峰面积含量

10.4655386.97931897.19996.0448

22.13289.0411313.5503.9552

液样：