02 乙苯脱氢反应实验讲义1118.docx

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02乙苯脱氢反应实验讲义1118

乙苯脱氢反应实验

一、实验目的

1、了解乙苯脱氢反应装置的结构和功能；

2、掌握乙苯脱氢反应装置操作方法；

3、掌握乙苯脱氢反应产物的分析方法；

4、了解乙苯脱氢的主反应和副反应，以及工艺条件对反应的影响。

5掌握填料塔的开车过程，会计算填料塔的等板高度和理论板数。

二、实验原理

苯乙烯作为合成橡胶及合成树脂的重要有机化工原料，是仅次于聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、环氧乙烷（EO）的乙烯衍生产品。

乙苯（沸点：

136.2℃）催化脱氢法是生产苯乙烯（沸点：

145.2℃）的主导技术路线，约占苯乙烯生产能力的90%。

（1）主反应

（2）副反应

（3）反应影响因素

（a）反应温度的影响

乙苯脱氢是强吸热反应，温度是乙苯脱氢制苯乙烯催化剂最敏感参数。

工业上反应温度通常在600℃以上。

工业生产中随着运行时间的延长，催化剂的活性缓慢衰退，为了维持乙苯转化率、保证苯乙烯产量，会逐步提高反应温度以维持合理的反应活性。

温升空间大，提温速度慢，催化剂在工业装置上可以运行更长周期。

（b）水比的影响

乙苯脱氢反应是分子数增加的反应，苯乙烯工业生产过程中耗用大量水蒸气作为脱氢介质，通入水蒸气可降低乙苯的分压，有利于乙苯转化率的提高，起到与降低反应压力一样的效果，工业装置生产实践表明，在其它条件不变的情况下，压力每降低10kPa，乙苯转化率提高2%。

目前，国内的大部分装置水油比都在1.35以上。

（c）反应压力的影响

反应压力对催化性能影响明显，降低反应压力同时有利于乙苯转化率和苯乙烯选择性的提高。

（d）空速的影响

随着乙苯空速的增加，乙苯转化率逐渐下降，苯乙烯选择性有所提高。

对工业装置来说，空速太高，反应物在催化剂床层中的停留时间过短，乙苯没有充分反应，转化率低，分离系统精馏负荷大，乙苯循环量大，装置生产能力低；而空速太低又会使乙苯在催化剂床层中停留时间过长，副反应增加，苯乙烯选择性降低，物耗上升。

（4）催化剂

乙苯催化脱氢工艺的技术关键是选择高活性和高选择性的催化剂。

经过多年改进和发展，乙苯催化脱氢催化剂已由初期使用的锌系、镁系催化剂逐步被综合性能更优异的铁系催化剂所取代，铁系催化剂是以氧化铁为主要活性组分、氧化钾为主要助催化剂。

20世纪80年代以来，乙苯催化脱氢催化剂的研究经历了几个重要转变，首先是催化剂组成从Fe-K-Cr向Fe-K-Ce转变，消除由Cr引起的环境污染;其次是催化剂组成从高钾型向低钾型转变，解决高钾型催化剂存在的钾流失问题;再次，苯乙烯生产工艺由高水比向低水比转变，减少苯乙烯生产过程的蒸汽耗量，降低生产成本;最后，催化剂的使用寿命明显延长，一般约两年，满足工业生产装置长周期运转的需要。

（5）未来发展趋势

乙苯脱氢生产苯乙烯技术已经相当成熟,最新发展趋势是降低原材料的消耗和提高能效。

水的汽化潜热很大,苯乙烯生产过程耗用大量过热水蒸汽作为脱氢介质使得该工艺能耗大、产物冷凝量大和过程设备费用高。

使用低水比催化剂节能降耗成为苯乙烯企业特别是大型苯乙烯企业的迫切需要。

三、实验仪器及药品

1、实验仪器

本装置是用于气固相催化反应与分离的模拟实验专用设备。

装置为反应系统和精制分离系统，前者为不锈钢材料制；后者为玻璃填料塔。

反应系统中的固定床反应器为凹凸面连接中间加柔性石墨垫及螺帽拧紧密封，加热采用管式加热炉，为三段电加热，自动控温。

反应器可从炉中拉出，方便装填催化剂。

管路部分采用卡套式和硅橡胶密封垫连接方式。

控温采用智能化精度较高的温度控制仪表。

仪表测温与控温可任意选用各种类型温度传感器。

本装置采用带补偿导线热电偶。

分离系统为两个带透明膜电加热保温的填料塔组成。

物料流程为反应物经泵打到预热器，经过预热气化后进入反应器，反应产物经直管冷凝器进入气液分离器，液体进入油水分离器，气体进入湿式流量计计量后排空。

油层被真空抽到分离系统的第一精馏塔，在塔顶脱出未反应的乙苯，釜液进入第二精馏塔，最后在二塔顶部流出纯度较高的苯乙烯。

2、试验用油和试剂

乙苯，蒸馏水，对苯二酚（阻聚剂，防止苯乙烯常温下聚合），苯乙烯（用于分离系统开车使用）

产物采用102G型气相色谱仪分析,氢火焰离子检测器,15%DNP/白色担体填充柱。

四、实验步骤

（一）反应系统的操作

1.催化剂的填装。

拆开上下口所有连接接头，将反应器从炉上方拉提出，卸出原装填物，拉出测温3mm套管，用丙酮或乙醇清洗反应器内部及套管干净后吹干，连接好下口接头，插入测温套管及催化剂支撑管和不锈钢支撑网，放少许耐高温硅酸铝棉或加入少量粗粒惰性物体。

注意！

装催化剂要将其放在反应器中心位置。

最后将上部接头的测温套管安装好，拧紧小螺帽，使测温管不会移动，再卸开下部接头后，放在炉内，连接好上下口接头，插入测温热电偶。

2.检查电路与测温热电偶线路是否位置与标识相符。

无误后可进行管路试漏。

（注意！

第一次全流程管路试漏，此后仅对反应器进行试漏即可。

）

3.气密性检验

充氮压力至0.1Mpa，保持5分钟，如果压力计指针不下降为合格，可开始升温操作。

如果有下降时，可通过涂拭肥皂水检查各处有气泡否。

如有漏点，用扳手拧紧后再试，直至压力不下降为准。

4.开车

（1）将气液分离器通冷却水。

（2）开启控温开关，仪表有显示。

温度控制的数值给定要按仪表的∧、∨键，在仪表的下部显示出设定值。

当给定值和参数值都给定后控制效果不佳时，可将控温仪表参数CTRL改为2再次进行自整定。

自整定须要一定时间，温度经过上升、下降、再上升、下降、类似位式调节,很快就达到稳定值。

升温时要将仪表参数Oph控制在20，此时加热仅以20%的强度进行，电流值不大，以后可提高该值，但不能超过80，以防止过度加热，而热量不能及时传给反应器则造成炉丝烧毁。

控温仪表的使用应仔细阅读AI人工智能工业调节器的使用说明书，没有阅读该使用说明书的人，不能随意改动仪表的参数，否则仪表不能正常进行温度控制。

（3）当温度达到400℃时可开启加料泵，进入一定量的水。

达到反应温度后（400-650℃）维持一定时间，再进乙苯（或根据催化剂的性能要求进行升温操作）。

（4）记录温度、压力、原料消耗及产物产量。

控温注意事项：

反应器控温是依靠插在电炉中的热电偶传感器传导毫伏信号而进行的。

这时因它在加热区内，温度要比反应器内温度高许多，调整温度给定值，则可达到床内反应温度要求，经过数次测试即可找到最佳温度给定值。

如不理想，可先进行仪表自整定操作，还不理想，再检查热电偶插入位置是否合适。

实验操作时不得离人，实验进行时要不停观察水进料泵工作是否正常，因为一旦停水，反应器里的催化剂就会失活。

（5）液体泵的使用

该泵为美国进口电磁隔膜泵，使用前要排除了泵头中的气体。

流量计算方法为：

实际流量=最大流量×SPEED（速率）﹪×STROKE（冲程）﹪，但该泵的标定是在10.3BAR下，所以在常压下使用实际流量会放大，请配合量筒使用。

（二）分离系统的操作

（1）塔的安装

在塔的各个接口处，凡是有磨口的地方都要涂以活塞油脂（真空油脂），并小心地安装在一起，另外，若用带有翻边法兰的接口时，要将各塔节连接处放好垫片，轻轻对正，小心地拧紧带镙纹的压帽（不要用力过猛以防损坏）这时要上好支撑卡子螺丝，调整塔体使整体垂直，此后调节升降台距离，使加热包与塔釜接触良好（注意，不能让塔釜受压），以后再连接好塔头，最后接好塔头冷却水出入口胶管。

（操作时先通水！

）

（2）将真空系统连接好，关闭进料阀门，开真空泵使塔内有一定真空度，关闭真空系统阀门，观察压力表是否下降，下降极为缓慢为合格。

（3）将各部分的控温、测温热电偶放入相应位置。

（4）电路检查

检查仪表柜内接线有无脱落。

电源位置是否正确，无误后进行升温操作。

（5）加料

未进行连续操作之前可用间歇的精馏方法操作。

这时要靠低真空将反应液体吸入1塔，釜内有一定的液位后开始启动釜加热系统，当正常反应后，靠调节阀控制进入量（在转子流量计有指示，找到进出塔的平衡值，以维持之），操作前要加入几粒陶瓷环，以防暴沸，还要加入阻聚剂（苯醌类）。

二塔进料要靠更高的真空将塔1釜液吸入塔内。

调解两塔的真空度可达到稳定的操作，但控制要仔细操作才行

（6）、升温

（a）开启总电源开关，开启测温开关，温度显示仪表有数值出现。

（b）开启釜热控温开关，仪表有显示。

给定Oph参数在20。

温度控制的数值给定要按仪表的∧、∨键，在仪表的下部显示出设定值。

温度控制仪的使用详见说明书（AI人工智能工业调节器说明书），不允许不了解使用方法就进行操作。

当给定值和参数值都给定后控制效果不佳时，可将控温仪表参数CTRL改为2再次进行自整定。

自整定须要一定时间，温度经过上升、下降、再上升、下降、类似位式调节,很快就达到稳定值。

升温操作注意事项：

《Ⅰ》釜热控温仪表的给定温度要高于沸点温度50—80℃，使加热有足够的温差以进行传热。

其值可根据实验要求而取舍，边升温边调整，当很长时间还没有蒸汽上升到塔头内时，说明加热温度不够高，还须提高。

此温度过低蒸发量少，没有馏出物；温度过高蒸发量大，易造成液泛。

《Ⅱ》还要再次检查是否给塔头通入冷却水，此操作必须在升温前进行，不能在塔顶有蒸汽出现时再通水，这样会造成塔头炸裂。

当釜已经开始沸腾时，打开上、下段保温电源，顺时针方向调节保温电流给定旋钮，使电流维持在0.2—0.3A之处。

（注意：

不能过大，过大会造成过热，使加热膜受到损坏，另外，还会造成因塔壁过热而变成加热器，回流液体不能与上升蒸气进行气液相平衡的物质传递，反而会降低塔分离效率）。

《Ⅲ》升温后观察塔釜和塔顶温度变化，当塔顶出现气体并在塔头内冷凝时，进行全回流一段时间后可开始出料。

《Ⅳ》用回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例（通电时间与停电时间的比值，通常是以秒计，此比例即采出量与回流量之比。

《Ⅴ》与反应连接后的操作要比单塔连续精馏复杂的多，要在反应系统操作一段时间在油水分离器内有一定液面后才能进料，同时要控制好两塔的真空度和加料量，更要控制好两釜液体的采出量，以保持釜的液位在一定的位置上。

回流比的确定要以流出物的分析结果来决定，当塔底和塔顶的温度不再变化时，认为已达到稳定。

可取样分析，并收集之。

（三）停止操作

当操作结束时，先关闭塔壁保温电源并将电位器旋至0点处（注意：

一定要进行这一操作，否则下次开车会发生突然有大电流输入会造成危险）关闭真空泵，无蒸汽上升时停止通冷却水。

对反应部分要停止加料（乙苯），通水与通氮气吹扫，降温至200℃后再停车。

（四）故障处理

（1）、开启电源开关指示灯不亮，并且没有交流接触器吸合声，则保险坏或电源线没有接好。

（2）、开启仪表等各开关时指示灯不亮，并且没有继电器吸合声，则分保险坏，或接线有脱落的地方。

（3）、控温仪表、显示仪表出现四位数字，则告知热电偶有断路现象。

（4）、仪表显示温度为负值，热电偶接线反相。

（5）、开电源后接触器有嗡嗡交流响声，有杂质落入，反复启动可消除。

（6）、真空度下降或尾气无流量指示，塔或反应系统漏气与加料泵漏液。

五、实验数据处理

（1）反应部分数据记录

室温：

℃

反应温度：

℃进水量ml/min进油量ml/min

气体标定开始时间气体标定结束时间

气体标定开始读数气体标定结束读数

（2）液体反应产物分析数据

（a）液体样品标准曲线的绘制

分别配置四种不同浓度的苯乙烯/乙苯溶液，在气相色谱上测定其峰面积，每个样品测三次，取平均值。

标准样品浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

（b）外标法测定反应液体产品中苯乙烯/乙苯浓度

浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

转化率的计算

转化率近似等于100％－液体产品中乙苯的浓度（忽略气体产品重量的情况下）。

分离部分

塔一塔顶温度℃，塔一塔底温度℃，

塔二塔顶温度℃，塔二塔底温度℃，

塔一塔顶产品分析

浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

塔一塔底产品分析

浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

塔二塔顶产品分析

浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

塔二塔底产品分析

浓度

峰面积

测试一

测试二

测试三

平均

（3）报告要求

（a）计算反应的转化率。

（b）计算塔一、塔二的理论板数和等板高度。

六、思考题

1．反应中的水油比反应有何影响？

2．什么是色谱分析中的内标法，外标法？

3．什么是填料塔的理论塔板数？

4．怎样计算理论塔板数？