乙醇脱水反应研究.docx

1、乙醇脱水反应研究 化工专业实验报告实验名称： _乙醇脱水反应研究实验_实验人员：_骆加威 同组人：_聂新宇 吴锋 实验地点：天大化工技术实验中心_630_室实验时间：_2012年3月29日 班级/学号：_2009 级 _化工2 班_3009214146 学号_1 实验组号指导老师：_郭红宇 实验成绩：_乙醇脱水反应研究实验一、 实验目的及要求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；

2、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。二、实验原理乙烯是重要的基本有机化工产品。乙烯主要来源于石油化工，但是由乙醇脱水制乙烯在南非、非洲、亚洲的一些国家中仍占有重要地位。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

3、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CH 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 C2H5

4、OC2H5 +H2O (2)目前，在工业生产方面，乙醚绝大多数是由乙醇在浓硫酸液相作用下直接脱水制得。但生产设备会受到严重腐蚀，而且排出的废酸会造成严重的环境污染。因此，研究开发可以取代硫酸的新型催化体系已成为当代化工生产中普遍关注的问题。目前，在这方面的探索性研究已逐渐引起人们的注意，大多致力于固体酸催化剂的开发，主要集中在分子筛上，特别是ZSM-5分子筛。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

5、，另外还应该考虑动力学因素的影响。本实验采用ZSM5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

6、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。实验仪器和药品：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。ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，蒸馏水。三、实验流程及实验步骤实验装置流程图：1、原料无水乙醇；2、乙醇进料泵；3、湿式流量计；4、催化剂床层温度控制显示仪表；5、预热器加热温度控制显示仪表；6、反应器加热温度控制显示仪表；7、反应器；8、产物空气冷却器；9、产物气液分离器；10、ZSM5分子筛催化剂；11、样品采出阀实验步骤：1、按照实验要求，将反应器加热温度设定为260，预热器温度设定为

7、150。2、温度达到设定后，继续稳定10-20min，然后开启乙醇进料泵，三组实验乙醇的加料速度分别为0.4mL/min、0.8mL/min和1.2mL/min。在这期间，同时需进行标准液（水、乙醇、乙醚的混合液）的配制，三种液体的质量分数约为乙醚10%-20%，乙醇20%-50%，水30%-70%。标准液配制完成后，对其进行至少两次色谱分析，两次色谱分析峰面积比例不得相差大于1%。3、反应进行10min后，正式开始实验，记录下预热器加热温度、反应器加热温度、催化剂床层温度和湿式流量计读数。每隔10min，记录预热器加热温度、反应器加热温度、催化剂床层温度和湿式流量计读数。每组进料流率下反应3

8、0min，结束时打开旋塞，用洗净的三角锥瓶接收液体产物，并用天平对液体产物准确称重（称量时空瓶重、总重等数据都应记录下来），并对产物进行至少两次色谱分析，两次色谱分析峰面积比例不得相差大于1%。4、改变加料速度，重复上述步骤。5、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。四、实验现象及数据记录表一 实验原始条件天气晴大气压101.325kPa室温16实验日期2012.3.29实验时间14:00实验地点20-630实验内容乙醇脱水反应研究实验人数聂新宇、骆加威、吴锋、李军良表二 实验试剂规格表试剂名称乙醇乙醚纯度（wt%）99.7%9

9、9.0%密度（20）0.789-0.791g/mL0.713g/mL杂质（wt%）0.3%1.0%表三 实验数据记录表序号实验时间加料速率（mL/min）预热温度（）反应温度（）炉内温度（）湿式流量计读数（L）液体产物质量（g）114:540.4150.2257.7255.13952.37115:24采集产品，空瓶重57.69g，总重62.58g，样品重4.83g215:040.4150.2257.5255.13953.160315:140.4150.0257.6255.03954.180415:240.4150.1257.5255.23955.120515:350.8150.0260.225

10、5.13956.16515：55采样，空瓶重58.17g，总重67.40g，样品重9.23g615:450.8149.9260.1255.03957.221715:550.8150.0261.3255.03958.372816:061.2150.0263.7255.13959.58116：26采样，空瓶重53.52g，总重66.27g，样品重12.75g916:161.2150.0264.4255.13960.7801016:261.2150.1264.5255.03962.220表四 标准液数据空瓶重（g）64.20乙醇质量（g）3.16乙醚质量（g）1.15水质量（g）6.15表五 色谱分

11、析条件载气1柱前压0.45MPa载气2柱前压0.50MPa桥电流90mA柱箱温度122气化室温度112检测室温度109进料量0.2L载气流量40mL/min讯号衰减1:1表六 标准液色谱分析结果分析次数峰序号保留时间/min峰面积峰面积比例（%）第一次分析水0.20049767368.219%乙醇0.75019145826.244%乙醚1.800403965.537%第二次分析水0.20017811567.210乙醇0.7837662727.405%乙醚1.858142735.386%表七 液相产品色谱分析结果加料速率（mL/min）分析次数峰序号保留时间/min峰面积峰面积比例（%）0.4第

12、一次分析水0.19212387761.616乙醇0.7677289236.256乙醚1.88342772.127第二次分析水0.1926789261.474乙醇0.7674070136.853乙醚1.84218481.6730.8第一次分析水0.25010383633.644乙醇0.75814405946.677乙醚1.7256073619.679第二次分析水0.17513755734.079乙醇0.67518834746.662乙醚1.6087774119.2601.2第一次分析水0.1833702527.369乙醇0.7087178453.063乙醚1.6752647119.567第二次分

13、析水0.2003791827.352乙醇0.7177327252.856乙醚1.6922743719.792五、数据记录及结论根据记录的数据，计算出原料乙醇的转化率，产物乙烯的收率及乙烯的选择性：表八 相对校正因子计算结果f1f2f311.2972.317表九 进料流量变化与转化率、收率、选择性关系表进料流量（mL/min）乙醇转化率（Xal）乙烯收率（Y）乙烯选择性（S）0.40.7870.5630.7150.80.6830.3390.4961.20.6740.2700.401计算举例：1、计算相对校正因子 （1）其中：为各组分在混合物中的质量分数，A、B、C分别为水、乙醇、乙醚；为每个组分

14、的校正因子；为每个组分在色谱上的峰面积；其他组分对第一个组分的相对校正因子，则有： （2） （3） （4）(2)式与（3）式相除，（2）式与（4）式相除得： （5） （6） （7）标准液中各组分含量分别为A（水）6.15g，B（乙醇）3.16g，C（乙醚）1.15g，则有：取两次标准色谱结果的平均值作为正式结果: 则有： 由（1）式和（7）式相等，将数据代入可求得各组分相对组分1（水）的校正因子为：2、以进料速率0.4mL/min为例计算根据色谱分析结果，由得： 液体产物中水的质量分数液相产物中乙醇的质量分数 液相产物中乙醚的质量分数乙烯生成的物质的量为（实验气温16）：由化学化工物性数据手册

15、（有机卷）查得：乙醇液体在16时的密度为790kg/m3则30min内原料乙醇的进料量为： 原料乙醇的转化率为：乙烯的收率为：乙烯的选择性为：六、结果分析及讨论进料流率对乙醇转化率、乙烯收率、乙烯选择性的影响：由表九中的数据作图：乙醇进料流量增大，说明反应空速增大。由表九及图一都可清晰的看出：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

16、越大，未反应的乙醇的量就越多。所以，实验结果会如表九及图一所示：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。七、实验中问题和思考1、乙醇反应转化率的提高和那些因素有关系？详细说明原因。乙醇反应转化率和反应温度，反应空速及乙醇的浓度等有关。反应温度会影响到反应常数，反应温度越高，反应常数也随之增大，因而反应速率增大，转化率也跟着升高。空速和反应停留时间直接相关，空速越大，反应停留时间越短，反应越不彻底，乙醇的转化率也就越低。若乙醇的浓度增大，从气体反应碰撞理论看，反应器内反应物分子碰撞的几率和次数也随之增大，从而反应速率增大，转化率也就相应地会提高。2、怎样计算

17、乙烯收率和选择性？应如何提高生成乙烯的选择性？乙烯收率，乙烯选择性为了提高乙烯选择性，可以减小乙醇进料速率并且提高反应温度。3、改变气相色谱的柱箱温度对分离效果有什么影响？怎样确定最适宜的分析条件？柱箱温度是一个重要的操作参数，它能直接影响分离效能和分析速度。提高柱温可以缩短分析时间，降低柱温可以使色谱柱选择性增大，有利于组分的分离和色谱柱稳定性的提高。选择柱温时应考虑混合物的沸点范围，固定液的配比和鉴定器的灵敏度等，采用等于或高于数十度于样品的平均沸点的柱温较为合适，对易挥发样用低柱温，不易挥发的样品采用高柱温。4、怎样对整个反应过程进行物料恒算？应该注意哪些问题？根据反应方程式，利用求出的

18、乙烯和乙醚的质量可以算出反应所需的乙醇的总量，利用下面表达式对乙醇进行物料恒算：液体产物中乙醇质量 + 生成反应物消耗的乙醇质量 - 乙醇进量若上式等于零，则表明物料守恒。要进行物料衡算应该注意下述条件：1) 保证反应过程应达到稳态。这可以根据设备仪表的读数是否稳定在目标温度确定；2) 确保色谱读数可靠；3) 最好保证实验的时间控制精确到秒；4) 确保每次称量液体产品前，都要对三角锥瓶进行称重。5、谈谈在实验中得到的一些体会和对实验的建议。实验中的体会：1) 通过本次试验，我对气相色谱仪的使用有了一定的掌握，进样更加熟练了。此外，我不仅掌握根据气相色谱峰值分析混合物中各组分的含量，还掌握了对相

19、对较正因子的求算方法。2) 本次试验极大地提高了学生的动手能力，通过积极参与试验操作，学生可以了解并熟悉很多仪器设备的基本操作，并且可以总结出一系列的准则，对今后的工作很有帮助。3) 实验过程中，团队合作精神也很重要，比如实验中既要进行数据记录，又要进行标准液的配制，以及对标准液和样品液进行色谱分析等，其中有些步骤是要同时进行的，这就需要小组成员之间有较好的分工合作精神。实验中存在的一些问题及改进建议：1) 根据比例配制标准液时，需要对溶液进行定量称量，但是实验中没有相关的辅助器材，只能通过天平的读数进行校正，因而有很大的盲目性，所以各组标准液的总量有很大差别，可能存在浪费药品的问题。2) 本次实验进行色谱分析时，仪器的响应速率很慢，因此会很大程度的影响实验速度。3) 本次实验只研究了反应空速的影响，所以无法对反应动力学进行研究，建议设置两个连续的实验对乙醇脱水进行完整的动力学研究，这对于学生们具有很深刻的指导意义。