乙醇脫水實驗報告

1、乙醇脫水反應研究實驗一、實驗目的1. 掌握乙醇脫水實驗的反應過程和反應機理、特點，了解針對不同目的產(chǎn)物的反應條件對正、副反應的影響規(guī)律和生成的過程；2. 學習氣固相管式催化反應器的構造、原理和使用方法，學習反應器正常操作和安裝，掌握催化劑評價的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步驟和方法；3. 學習動態(tài)控制儀表的使用，如何設定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床層溫度分布；4. 學習氣體在線分析的方法和定性、定量分析，學習如何手動進樣分析液體成分。了解氣相色譜的原理和構造，掌握色譜的正常使用和分析條件選擇；5. 學習微量泵和蠕動泵的原理和使用方法，學會使用濕式流量計測量流體流量。二、實驗儀器和藥品乙醇

2、脫水氣固反應器，氣相色譜及計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動泵。ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。三、實驗原理乙烯是重要的基本有機化工產(chǎn)品。乙烯主要來源于石油化工，但是由乙醇脫水制乙烯在南非、非洲、亞洲的一些國家中仍占有重要地位。乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個吸熱、分子數(shù)增多的可逆反應。提高反應溫度、降低反應壓力，都能提高反應轉化率。乙醇脫水可生成乙烯和乙醚，但高溫有利于乙烯的生在，較低溫度時主要生成乙醚，有人解釋這大概是因為反應過程中生成的碳正離子比較活潑，尤其在高溫，它的存在壽命更短，來不及與乙醇相遇時已經(jīng)失去質子變成乙烯而在較低溫度時，碳正離子存在時間長些

3、，與乙醇分子相遇的機率增多，生成乙醚。有人認為在生成產(chǎn)物的決定步驟中，生成乙烯要斷裂CH 鍵，需要的活化能較高，所以要在高溫才有和于乙烯的生成。乙醇在催化劑存在下受熱發(fā)生脫水反應，既可分子內脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚。現(xiàn)有的研究報道認為，乙醇分子內脫水可看成單分子的消去反應，分子間脫水一般認為是雙分子的親核取代反應，這也是兩種相互競爭的反應過程，具體反應式如下：C2H5OH C2H4 + H2O (1)C2H5OH C2H5OC2H5 +H2O (2)目前，在工業(yè)生產(chǎn)方面，乙醚絕大多數(shù)是由乙醇在濃硫酸液相作用下直接脫水制得。但生產(chǎn)設備會受到嚴重腐蝕，而且排出的廢酸會造成嚴重的環(huán)境污染

4、。因此，研究開發(fā)可以取代硫酸的新型催化體系已成為當代化工生產(chǎn)中普遍關注的問題。目前，在這方面的探索性研究已逐漸引起人們的注意，大多致力于固體酸催化劑的開發(fā)，主要集中在分子篩上，特別是ZSM-5分子篩。本實驗采用ZSM-5分子篩為催化劑，在固定床反應器中進行乙醇脫水反應研究，反應產(chǎn)物隨著反應溫度的不同，可以生成乙烯和乙醚。溫度越高，越容易生成乙烯，溫度越低越容易生成乙醚。實驗中，通過改變反應溫度和反應的進料速度，可以得到不同反應條件下的實驗數(shù)據(jù)，通過對氣體和液體產(chǎn)物的分析，可以得到反應的最佳工藝條件和動力學方程。反應機理如下：主反應：C2H5OH C2H4 + H2O副反應：C2H5OH C2H

5、5OC2H5 +H2O在實驗中，由于兩個反應生成的產(chǎn)物乙醚和水留在了液體冷凝劑中，而氣體產(chǎn)物乙烯是揮發(fā)氣體，進入尾氣濕式流量計計量總體積后排出。對于不同的反應溫度，通過計算不同的轉化率和反應速率，可以得到不同反應溫度下的反應速率常數(shù)，并得到溫度的關聯(lián)式。四、實驗流程圖五、實驗步驟1. 按照實驗要求，將反應器加熱溫度設定為270。在溫度達到設定值后，繼續(xù)穩(wěn)定10分鐘；2. 設置乙醇的加料速度為0.4ml/min，開始加入乙醇；3. 反應進行15分鐘后，正式開始實驗。打開氣液分離器旋塞，放出液體倒入回收瓶，記錄濕式流量計讀數(shù)，而后關閉旋塞。每隔10min記錄反應溫度、預熱溫度和爐內溫度等實驗條件；

6、4. 每個加料速度下反應30分鐘。反應終止后，打開旋塞，用洗凈的三角錐瓶接收液體產(chǎn)物，并用天平對液體產(chǎn)物準確稱重（注意接收液體產(chǎn)物前應先稱出錐形瓶的重量），并且記下此刻濕式流量計的讀數(shù)；5. 改變加料速率，每次提高0.4ml/min，重復上述實驗步驟。 六、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理表1 實驗過程記錄加料速率mL/min時間流量計讀數(shù)/L預熱溫度/反應溫度/爐內溫度/0.414:553968.21150266.8269.915:053968.79151.3267269.915:153969.4150.7267.3269.915:253970.04149.8267.1270.10.815:503981.

7、5149.6266.8270.116:003982.12150.7266.8270.116:103982.7151266.827016:203983.3149.6266.7270.11.216:303983.95149.7265.227016:403984.55151.2264.927016:503985.16150.7264.927017:003985.73150.5264.9270表2 色譜分析條件固定相GDX104檢測器溫度/122柱前壓1/MPa0.05衰減4柱前壓2/Mpa0.055進料量/L0.2橋電流/mA100相對校正因子水f1=1.00氣化室溫度/101乙醇f2 柱箱溫度/1

8、21乙醚f3=1.15表3 色譜分析原始記錄水乙醇乙醚樣品質量/g時間/min峰面積峰面積百分比/時間/min峰面積峰面積百分比/時間/min峰面積峰面積百分比/標樣0.3532432369.917011.0191046530.082990.362774868.720531.0231263031.279470.313258270.39050.9771370529.6095加料速率0.4mL/min的樣品0.2993465138.453740.8984443949.316582.2281102012.229686.40.3993130338.57771.0044011949.443542.348

9、972011.97877加料速率0.8mL/min的樣品0.363701117.279880.9872357458.100142.31998924.6199916.60.2691082218.024310.883454457.53152.1631467724.44419加料速率1.2mL/min的樣品0.275655313.802510.8862959262.328652.21133223.8688524.380.302667214.311780.9152893662.065872.2361101323.62235表4 實驗數(shù)據(jù)處理整理表進料速率/(mL/min)物質平均峰面積百分比/質量百分

10、含量乙醇轉化率乙烯收率乙烯選擇性乙醚收率乙醚選擇性0.4水38.515720.3662410.6610750.3701930.5599860.0556120.084123乙醇49.380060.501397乙醚12.104230.1323620.8水17.65210.1640510.497020.1820620.3663070.1428620.287437乙醇57.815820.57376乙醚24.532090.2621891.2水14.057150.1304240.4710840.1200260.2547870.1351690.286932乙醇62.197260.616215乙醚23.745

11、60.253361計算過程舉例：1.計算乙醇相對校正因子：f 2= 原料氣乙醇濃度×色譜分析水面積原料氣水濃度×色譜分析原料乙醇面積weth=13.6813.68+29.47=0.3170 f 2 = 0.3170×28217.67（1-0.3170）×12266.67 = 1.067832.色譜定量數(shù)據(jù)處理： 以進料量為1.2 mL/min時乙醇為例，其質量百分含量為w3=1.06783×62.197261×14.05715+1.06783×62.19726+1.15×23.7456=0.6162153.轉化率、

12、選擇性和收率計算： 以進料量為1.2 mL/min時的數(shù)據(jù)為例，已知表5 20各物質物性參數(shù)物質密度/g/mL摩爾質量/g/mol水0.998218.02乙醇0.78946.07乙醚0.713574.12進料質量流率為Q=0.789×1.2=0.9468g/min 30min內進料的物質的量為n20=0.9648×30÷46.07=0.61654mol 濕式流量計測得產(chǎn)品的體積為V=3985.73-3983.95=1.78L假設實驗條件是標況，則乙烯的物質的量為 neth=PVRT=101325×1.78×10-38.314×(273

13、.15+20)=0.074001mol 由色譜定量結果可得乙醇物質的量 n2=0.616215×24.3846.02=0.326098mol 乙醚的物質的量n3=0.253361×24.3874.12=0.083337 乙醇的轉化率X=n20- n2n20=0.471084 乙烯的收率Yeth =nethn20=0.120026 乙烯的選擇性S=YX=0.254787 同理得乙醚收率0.135169，選擇性0.286932.七、實驗結果分析圖2 乙醇轉化率和乙烯收率、選擇性圖3 乙醚含量、收率及選擇性 隨進料量增加，乙醇轉化率和乙烯收率、選擇性下降；乙醚含量、收率及選擇性上

14、升。說明反應存在單分子和雙分子過程的競爭。在進料流率較低的情況下，乙醇分壓較低，容易發(fā)生單分子反應，此時以主反應即乙醇脫水反應為主。隨著進料流量的增加，反應器內乙醇分壓上升，此時乙醇分子間反應加劇，導致乙烯收率和選擇性下降，乙醚含量和選擇性上升。 由于催化劑催化能力的限制，催化劑不能完全催化進料的轉化，導致隨進料量增加，乙醇轉化率不斷降低。八、問答題1. 改變哪些實驗條件，可以提高乙醇的反應轉化率?乙醇反應轉化率的提高和空速、反應溫度、進料乙醇濃度等因素有關?？账僦苯雨P系到反應停留時間長短。反應停留時間越長，反應越徹底，乙醇的轉化率也就越高。反應溫度關系到反應常數(shù)，反應溫度越高，反應常數(shù)越大，

15、因而反應速率提高，轉化率也就跟著提升。而進料乙醇的濃度越高，從氣體反應的碰撞理論上來看，反應器內分子碰撞次數(shù)也隨之提高，因而反應速率提高，轉化率提高。2. 怎樣使反應的平衡向有利于產(chǎn)物乙烯生產(chǎn)的方向發(fā)展？可以降低乙醇的進料速率，并通過增加反應器長度增加空時。乙醇脫水制乙烯是放熱反應，分子數(shù)不變，提高反應溫度，降低反應壓力均能提高反應轉化率。3. 結合本實驗的結果，敘述怎樣確定最適宜的分析條件？多次不同條件下進行試驗，分析載氣流速變化、進樣量大小及柱溫高低對色譜峰和峰面積的影響，選擇合適的色譜分析條件。4. 怎樣對液體產(chǎn)物進行定性分析？可以利用相對保留值ris對液體產(chǎn)物進行定性分析。選擇水作為基

16、準物，液體產(chǎn)物各組分的相對保留值可以通過下式求出：ris=tRi'tRs' (tRi'為i物質的調整保留時間，可以通過調整分辨率得到)將實驗測得的待測組分對標準物質的相對保留值與文獻記載的相對保留值進行對照，即可定性。根據(jù)氣相色譜峰面積比值和所得相對校正因子，利用下面公式即可以得到液體產(chǎn)物的組成。i=fi'Aifi'Ai5. 怎樣對整個反應過程進行物料恒算？應該注意哪些問題？根據(jù)反應方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質量可以算出反應所需的乙醇的總量，利用下面表達式對乙醇進行物料恒算：液體產(chǎn)物中乙醇質量 + 生成反應物消耗的乙醇質量 - 乙醇進量若上式等于零，

17、則表明物料守恒。要進行物料衡算應該注意下述條件：1) 保證反應過程應達到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標溫度確定；2) 確保色譜讀數(shù)可靠。實驗中，通過完成兩次色譜測定，只有當兩次色譜結果各值差距不超過2時，才能確保色譜操作可信。3) 確保每次稱量液體產(chǎn)品前，都要對三角錐瓶進行稱重，不能以第一次結果進行測量。因為每次實驗都要對容器進行徹底地清洗，凡士林不能保證每次涂抹量一樣。4) 最好保證實驗的時間控制精確到秒。這是因為乙醇進量是根據(jù)流量乘以時間求出，相差幾十秒對實驗衡算結果影響也是不小的。6. 實驗中，那些簡化的處理方法可能造成實驗誤差？應怎樣進一步改進？將進入濕式氣體流量計的氣體

18、全部視為乙烯，此簡化計算造成實驗誤差，尤其在乙烯本身收率已經(jīng)很高時，造成的誤差很大。應測量氣液分離器內的溫度與壓力，通過氣體分壓方程和安托尼方程計算乙烯、乙醇蒸氣，乙醚蒸氣、水蒸氣各自含量，分配對應體積。九、參考文獻1 趙本良，王靜波，王春梅，趙寶中，雜多酸催化劑催化乙醇脫水制乙烯，東北師大學報白然科學版，第3期 ，l997年 。JOURNAL OF NORTHYAST NORMAL UNIVERSITY No.3，1997 。2 潘履讓，賈春娟，李赫晅，NKC-03A 乙醇脫水制乙烯催化劑的活性位和失活規(guī)律的研究，催化學報，第10卷第4期，1989年12月。3 王文國，許利閩，顏掛場，BZSM5分子篩催化乙醇脫水制乙醚，福建師范大學