最新版天津大学乙醇脱水反应研究试验报告.docx
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最新版天津大学乙醇脱水反应研究试验报告
乙醇脱水反应研究实验
实验目的
1.掌握乙醇脱水实验的反应过程和反应机理、特点，了解针对不同目的产物的反应条件对正、副反应的影响规律和生成的过程。
2.学习气固相管式催化反应器的构造、原理和使用方法，学习反应器正常操作和安装，掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。
3.学习动态控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小，怎样控制床层温度分布。
4.学习气体在线分析的方法和定性、定量分析，学习如何手动进样分析液体成分。
了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。
5.学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。
实验原理
1.实验仪器和药品：
乙醇脱水固定床反应器，精密微量液体泵，蠕动泵，锥形瓶，烧瓶。
1号气相色谱仪GC-910及1号计算机数据采集和处理系统：
裁气1柱前压：
0.03MPa载气流量：
36ml/min
载气2柱前压：
0.025MP&载气流量:
：
28ml/min
桥电流：
100mA讯号衰减比：
6
柱箱温度：
125°C
气化室温度：
100°C
检测器温度：
150°C
ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，纯乙醞，蒸饰水。
2.反应机理：
乙醇脱水生成乙烯和乙醞，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瞇，但高温有利于乙烯的生在，较低温度时主要生成乙瞇，有人解释这大槪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，來不及与乙醇相遇时己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，生成乙瞇。
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，所以要在高温才有乙烯的生成。
反应式如下：
主反应：
C2H5OHtC2H4+H2O
副反应：
2C2H5OHtC2H5OC2H5+H2O
3.催化机理：
ZSM-5分子筛，因其具有亲油疏水性，在催化脱水性能方而更具有优势。
⑷乙醇脱水生成乙烯主反应的机理主要有2种：
生成乙醇盐中间体和生成碳正离子中间体。
Kondo等⑵和Haw等⑹用红外光谱和核磁共振检测到在低温条件下分子筛上中间产物乙醇盐中间体，并提出了乙醇制乙烯反应在分子筛上的反应机理。
图1为Kondo等提出的反应机理与传统的碳正离子中间产物机理的对比图。
+H*/日-R*
GHQH—CjH*+隔0—+H2O
a）Convcntionalmechanismthroughcationicintcnnediate
CjHjOHH20口比+H2O
ytHy_Acyij早
SiAAlASiSiSiAA]ASiSiz°xAlASi
b）Mechanismonzeolitethroughcovalentintermediate
图1ZSM-5分子筛上的反应机理
Fig.1Mechanismofethanoldehydration
onZSM-5zeolite
可看出，乙醇吸附在分子筛上，乙醇轻基上的氧原子和氢原子分别和分子筛上的氢原子和氧原子形成氢键，然后脱去一分子水形成乙醇盐中间体，最后生成乙烯分子，同时分子筛的B酸质子恢复原位。
Aronson等认为乙醇脫水制乙烯反应是碳正离子模型。
4.实验过程原理：
本实验采用ZSH-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，可以生成乙烯和乙瞇。
温度越高，越容易生成乙烯，温度越低越容易生成乙瞇。
实验中，通过改变反应温度和反应的进料速度，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，可以得到反应的最佳工艺条件和动力学方程。
A.B.
其中：
Vo—乙醇的加料速度（亳克分子/分）
y-乙醇转化率（％）
由voln-^—voy作图，可得一条等温直线，其中的截距为a。
在实验中，由于两个反应生成的产物乙瞇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。
5.设备原理：
a）蠕动泵：
目前作为商品出售的蠕动泵多为往复式柱塞泵。
凸轮与连杆将电机的圆周运动转变为柱塞杆的线性运动，在有单向阀的结构中，柱塞杆将常压下储液瓶中的流动相吸至泵腔后再送出，其耐压可达41MPa»泵头通常由两部分组成，单向阀和密封圈-柱塞杆。
该单向阀一般由阀体、塑料或陶瓷阀座和红宝石球组成。
在压力的作用下宝石球离开阀座，流动相流过单向阀；反之，在反向力的作用下，宝石球回到阀座上，此时流动相不再流过单向阀。
柱塞杆与密封圈：
柱塞杆在泵头内做前后的往复运动，完成将流动相吸入泵头然后再输出的过程。
b）湿式流量计：
湿式流量计的构造如图2,流量计内有一个转鼓，转鼓被分为四个体积相等的气室A、B、C、D,当气体通过进气口10到湿式流量中心孔进入转鼓小室A,在气体的推动下，转鼓便以顺时针的方向旋转，随着A气室漂浮出水面而升高，B气室因转鼓轴的移动而浸入水面，同时B气室中气体从末端6排往空间5由出气口11导出，同时D气室随之上升，气体开始进入D气室。
由于各小气室的容积是一定的，故转鼓每转动一周，所通过气体的体积是四个室容积的总和。
由转鼓带动指针与计数器即可直接读出气体的体积流量。
c）气相色谱法：
气相色谱法是釆用气体（载气）作为流动相的一种色谱法。
当流动相携带混合物流经色谱柱中的固定相是，由于与固定相之间的作用力差异，因而使组分在柱内以不同的速度移动，依次流出色谱柱而得到分离。
选用合适的检测器「以检测，可得到电信号随时间变化的流出曲线，即色谱图。
根据色谱图中各组分色谱峰的出峰时间，可进行定性分析；根据峰面积或峰高，可进行定量分析。
d）气相色谱仪：
气相色谱仪的流程由六个部分组成，即气路系统、进样系统、色谱分离系统、控温系统、检测系统、和数据处理系统。
來口钢瓶的载气,依次流经减圧阀、净化干燥器、稳定压阀、转子流量计和进样气化室后，进入色谱柱。
流出色谱柱的载气夹带分离后的样品，经检测器的检测后放空。
检测器信号则送入数据处理系统记录并处理。
三、实验步骤及流程简图
1.在反应器底部放入少量岩棉，然后放入10〜20cm髙的瓷环，准确量取瓷环高度并记录，瓷环应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、髙温烧结，以除去催化活性。
2.用量筒量取20ml催化剂，然后用天平称疑出催化剂重量（约30g）,并记录。
3.将称疑好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂髙度，确宦催化剂在反应器内装填高度。
4.在催化剂上方继续加入瓷环，一直到反应管顶部，然后将反应器顶部密封。
将反应管放入到加热炉中，连接乙醇和水的进口，拧紧卡套。
（1~4步本次实验省略）
5.按照实验要求，将反应器加热温度设左为15O~35O°C,预热器温度设左为120-160°C（可以根据反应器温度调节）。
6.在温度达到并稳立在设左值后，开始加入乙醇。
乙醇的加料速度分别为0.4、0.8、
7.反应进行10-20min后，正式开始实验。
先打开玻璃分离器下的阀门，放岀分离器内的液体，然后关闭阀门，同时记录湿式流量讣读数，开始实验。
应每隔lOmin记录反应温度、炉内温度、预热温度、液体流量、湿式流疑计流量等实验条件。
8.每个流量下反应约3Omin左右，可以由每组学生自己确泄。
然后放出分离器内的液体，并同时计量湿式流量计读数。
用天平对液体产物准确称重，用色谱分析二次含量。
9.改变乙醇的加料速度为0.8,1.2ml/min,重复上述实验步骤，则得到不同乙醇的加料速度时原料转化率、产物乙烯收率、副产物乙联生成速率等，并根据动力学模型，可以得到反应速率常数。
实验现象及数据记录
表1乙醇进料速度0・9ml/min时的原始数据表
时间
预热温度/°c
炉内温度/OC
反应温度/°c
流量计读数/I
9:
28
141.4
270.1
269.8
4392.802
9:
38
146.1
270.0
270.1
4393.008
9:
48
150.6
270.1
270.3
4393.301
9:
58
158.8
270.0
270.5
4393.554
玻璃瓶质量加；=53.70g玻璃瓶+产品质量加丫=74.53g
表2乙醇进料速度0.6ml/min时的原始数据表
时间
预热温度/°c
炉内温度FC
反应温度/弋
流量计读数/I
10:
08
153.0
269.9
270.4
4393.922
10:
18
147.9
270.1
270.3
4394.206
10:
28
150.1
270.0
270.4
4394.495
10:
38
151.1
270.1
270.3
439.4763
玻璃瓶质量砧=53.09g玻璃瓶+产品质量加丫=66.06g
表3乙醇进料速度1.2ml/min时的原始数据表
时间
预热温度/°c
炉内温度/OC
反应温度/0C
流量计读数/I
10:
48
131.4
270.4
270.3
4395.002
10:
58
126.5
270.0
270.6
4395.224
11:
08
122.4
270.0
270.7
4395.486
11:
18
120.4
270.0
270.9
4395.757
玻璃瓶质量硝=55.89g玻璃瓶+产品质量加？
=84.05g
表4配制标准溶液
物质
水
乙醇
质量/g
5.53
15.86
表5标准溶液
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.357
136099
31.368
2
1.230
175976
40.560
3
2.580
121773
28.072
表6进料0.6ml/min产品1
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.259
113896
24.54458
2
0.538
245928
52.99766
3
1.136
104006
22.41334
表7进料0.6ml/min产品2
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.241
91268
24.53691
2
0.526
197594
53.12177
3
1.130
82927
22.29448
表8进料0.9ml/min产品1
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.250
88482
20.28192
2
0.522
268905
61.63880
3
1.138
78710
18.04209
表9进料0.9ml/min产品2
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.271
105389
20.76124
2
0.541
311200
61.30338
3
1.157
90861
17.89934
表10进料1.2ml/min产品1
出峰序号
停留时间/min
峰面积
峰面积百分比/%
1
0.230
81179
升级会员 