實驗3乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應速率的測定題庫

1、驗三簡易內循環(huán)無梯度反應（乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應速率的測定）驗目的.鞏固所學有關反應動力學方面的知識。掌握測取宏觀反應動力學數(shù)據(jù)的手段和方法。學會實驗數(shù)據(jù)的處理方法，并能根據(jù)動力學方程求出相關的動力學參數(shù)值。.了解內循環(huán)式無梯度反應器的特點及其使用方法。驗原理反學動力學描述了化學反應速率與各種因素如濃度、溫度、壓力、催化劑等之間的定量關系。動力學在反應過程開發(fā)和反應器設計過要的作用。它也是反應工程學科的重要組成部分。氣固相催化反應是一個多步驟的反應，它包括以下七個步驟:反應物分子由氣流主體向催化劑的外表面擴散（外擴散）；反應物分子由催化劑外表面向催化劑微孔內表面擴散（內擴散）；反應物分子在

2、催化劑微孔內表面上被吸附（表面吸附）；吸附的反應物分子在催化劑的表面上發(fā)生化學反應，轉化成產物分子（表面反應）；產物分子從催化劑的內表面上脫附下來（表面脫附）；脫附下來的產物分子從微孔內表面向催化劑外表面擴散（內擴散）；產物分子從催化劑的外表面向氣流主體擴散。這七個步驟可分為物理過程和化學過程。其中步驟1、2、6、7為物理擴散過程，步驟3、4、5為化學過程。在化學過程中，步驟3、為化學吸附和化學脫附過程，步驟4為表面化學反應過程。整個反應的總速率取決于這7個步驟中阻力最大的一步，該步驟稱為反步驟。如果步驟1或7為控制步驟，稱反應為外擴散控制反應；如果步驟2或6為控制步驟，稱反應為內擴散控制反應

3、；如果步驟任何一步為控制步驟，稱反應過程為反應控制或動力學控制。在考慮以上所有步驟的影響的反應速率為為宏觀反應速率，在消除了括熱量傳遞和質量傳遞）的影響的理想情況下，測得的化學反應的反應速率為相應反應的本征反應速率。在實際反應過程中，由于固體催化劑一般都具有很大的內表面，反應物質通過擴散達到催化劑內部的不同深度進行反應，因而導致常梯度和溫度梯度，而這個濃度梯度和溫度梯度對催化反應影響一般很大，因此需要了解催化劑顆粒內表面的濃度和溫度梯度，即內速率的影響。在消除外擴散的影響的條件下，測出宏觀反應速率，再和本征反應速率比較，即可得出內擴散對總反應速率的影響。內循環(huán)無梯度反應器來測定內擴散對總反應速

4、率的影響。圖-18-1為實驗室用內循環(huán)無梯度反應器的示意圖。該反應器中催化劑固定不動，采用渦輪攪拌器實現(xiàn)反應氣體在反應器內循環(huán)流 只有少量的反應氣從進口加入補充和少量的反應氣從出口離開反應器，而有由大量氣體在反應器進、出口處循環(huán)流動，并和補充的 通過催化劑床層。當循環(huán)氣流量和原料氣流量之比足夠大時，反應氣體的組成在催化劑床層進出口處變化甚微，此時反應器內就不 ，即可以用反應物出口濃度計算反應速率。同時通過合理設計反應器的溫度保溫與控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)反應器中溫度無梯度。這應氣體中濃度和溫度梯度。變葉化 捌見11 丫I 管1 &圖3-18-1無梯度反應器示意圖設反應氣進口流量為qvo,反應原料A

5、濃度為CA0；反應氣出口流量為qv1，反應原料A濃度為ca1，循環(huán)氣體的流量為qc，反應器進口處循環(huán)氣剛混合時反應原料 A的濃度為CAi,則有:(3qvtCAo + qcCA1= ( qvo+ qc) c Ai比Rd = qc / qvo, 上式可變換為:(3很大時，CAi= ca1，此時反應器內原料濃度處處相等。一般來說當FC25時，無梯度反應器實質上是全混流反應器，反應速率可以簡單(3-1式中，Vr為催化劑床層的體積。當反應過程中氣體體積無變化時，上式可寫為:(3因而，在某一反應條件下，只要測得進、出氣體的流量和進、出口氣體原料的濃度，就可以反應在該條件下的宏觀反應速率。按參數(shù)的實驗設計方

6、法設計并進行實驗，測得在不同反應溫度和濃度條件下的宏觀反應速率，通過計算便可求得宏觀動力學方程。本實驗是測定乙醇脫水是制備純凈乙烯的宏觀動力學方程。所用催化劑，該催化劑的優(yōu)點是乙烯收率高，反應溫度較低（約300 乙醇脫水屬于平行反應，既可以進行分子內脫水生成乙烯，又可以進行分子間脫水生成乙醚。一般而言，較高的溫度有得于生成乙烯溫度有利于生成乙醚。因此，對于乙醇脫水這樣一個復合反應，隨著反應條件的變化，脫水過程的機理也會有所不同。借鑒前人在工作，將乙醇在分子篩催化劑作用下的脫水過程描述成:2C2H5OH?C2H5O(2H5+HbOC2H5OHPC2H4+H2O）你的位置：第三章實驗部分- 實驗十

7、八乙醇氣相脫水制乙烯宏觀反應速率的測定（2/2）三、實驗裝置與流程圖3-18-2為實驗流程示意圖。原料乙醇經(jīng)微量進料泵1計量后，進入汽化器 2汽化，然后通過六通閥3進入無梯度反應器 5,反應氣體離冷凝器7冷凝后放空。通過旋轉六通閥 3或4向氣相色譜儀6進樣后，分析出反應器進口和出口的氣體的組成。四、實驗步驟開始實驗之前，需熟悉流程中所有設備、儀器、儀表的性能及使用方法。然后才可按實驗步驟進行實驗。1 .在反應器中加入 3.0g粒度為6080目的分子篩催化劑。2 打開Ha鋼瓶高速色譜儀的柱前壓力至0.05MPa。確認色譜檢測器有載氣通過反啟動色譜儀。調整柱溫到定后，打開熱導池的開關，并調整橋電流

8、至150mA3 .在色譜儀升溫的同時，打開閥恒溫箱和管路加熱器開關，使之升溫到110C。4 .打開反應器溫度控制器的電源開頭使反應器加熱升溫。同時向反應器的冷卻水夾套中通入冷卻水。5.打開微量進料泵，以小流量向汽化器內通入原料乙醇。6 .待所有條件穩(wěn)定后，用閥箱內的旋轉六通閥取樣分析反應產生的組成。7 .在260380弋之間選擇34個溫度，在各個溫度下改變5次乙醇的進料速率，測定出不同條件下的數(shù) 8.停止實驗。9TIC-控溫;TT-熱電偶；PI-壓力計；1-調壓閥；2-轉子流量計；3-干燥器；4-三通閥；5-預熱器；6-預熱爐；7-反應器; 8-反應爐；9-馬達;10-直管冷凝器;11-氣液分

9、離器；12-取樣器;13-濕式氣體流量計;14-緩沖罐；15-加料泵；16-加料罐平頂山學院 內循環(huán)無梯度反應實驗裝置流程示意圖五、數(shù)據(jù)處理3-18-1。實驗過程中，應將有用的數(shù)據(jù)及時、準確地記錄下來，所有數(shù)據(jù)記入表表3-18-1數(shù)據(jù)記錄與結果表實驗號反應溫度C乙醇進料(ml h -1)產物組成（mol%）原料乙醇濃度Ca乙醇轉化 率x乙烯收率y反應速率r反應速率常數(shù)k乙醇水乙醇乙醚計算說明:乙醇的轉化率=反應掉的乙醇摩爾數(shù)/原料中乙醇地摩爾數(shù) 乙烯的收率=生成乙烯的摩爾數(shù)/原料中乙醇的摩爾數(shù) 乙醇的進料速率=乙醇液的體積流量X 0.7893 （乙醇的密度）/46.07 （乙醇的分子量）乙醇進料速度迄烯收率催化劑用量反應器內乙醇的濃度:式中，PA為乙醇的分壓，反應的總壓為0.1M Pa,可以將反應器內的混合氣視為理想氣體。k可能通過下式求出:由于脫氫反應為一級反應，則生成乙烯的反應速率的常數(shù)k=r/c A根據(jù)阿累尼烏斯方程k=koexp( E/RT)，將Ink對1/T作圖，即可求出k。和E。在低溫有乙醚生成的情況下，參照上述計算過程，求出乙醇的消耗速率常數(shù)和相應的活化能。在此，同樣六、思考題1.用無梯反應測定化學反應動力學的優(yōu)、缺點是什么?2 .要想證明測定的是本征動力學數(shù)據(jù)，還需要補充哪些驗