乙醇脫水反應(yīng)研究

1、.化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： _乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)_實(shí)驗(yàn)人員：_駱加威 同組人：_聶新宇 吳鋒 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：天大化工技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心_630_室實(shí)驗(yàn)時(shí)間：_2012年3月29日 班級(jí)/學(xué)號(hào)：_2009 級(jí) _化工2 班_3009214146 學(xué)號(hào)_1 實(shí)驗(yàn)組號(hào)指導(dǎo)老師：_郭紅宇 實(shí)驗(yàn)成績(jī)：_乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?. 掌握乙醇脫水實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理、特點(diǎn)，了解針對(duì)不同目的產(chǎn)物的反應(yīng)條件對(duì)正、副反應(yīng)的影響規(guī)律和生成的過(guò)程；2. 學(xué)習(xí)氣固相管式催化反應(yīng)器的構(gòu)造、原理和使用方法，學(xué)習(xí)反應(yīng)器正常操作和安裝，掌握催化劑評(píng)價(jià)的一般方法和獲得適宜工藝條件的研究步驟和方法；3. 學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)控

2、制儀表的使用，如何設(shè)定溫度和加熱電流大小，怎樣控制床層溫度分布；4. 學(xué)習(xí)氣體在線(xiàn)分析的方法和定性、定量分析，學(xué)習(xí)如何手動(dòng)進(jìn)樣分析液體成分。了解氣相色譜的原理和構(gòu)造，掌握色譜的正常使用和分析條件選擇；5. 學(xué)習(xí)微量泵和蠕動(dòng)泵的原理和使用方法，學(xué)會(huì)使用濕式流量計(jì)測(cè)量流體流量。二、實(shí)驗(yàn)原理乙烯是重要的基本有機(jī)化工產(chǎn)品。乙烯主要來(lái)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(guó)家中仍占有重要地位。乙醇脫水生成乙烯和乙醚，是一個(gè)吸熱、分子數(shù)增不變的可逆反應(yīng)。提高反應(yīng)溫度、降低反應(yīng)壓力，都能提高反應(yīng)轉(zhuǎn)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(shí)主要生成乙醚，有人解釋這大

3、概是因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)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(lái)不及與乙醇相遇時(shí)已經(jīng)失去質(zhì)子變成乙烯而在較低溫度時(shí)，碳正離子存在時(shí)間長(zhǎng)些，與乙醇分子相遇的機(jī)率增多，生成乙醚。有人認(rèn)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(yīng)，既可分子內(nèi)脫水生成乙烯，也可分子間脫水生成乙醚?，F(xiàn)有的研究報(bào)道認(rèn)為，乙醇分子內(nèi)脫水可看成單分子的消去反應(yīng)，分子間脫水一般認(rèn)為是雙分子的親核取代反應(yīng)，這也是兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)過(guò)程，具體反應(yīng)式如下：C2H5OH C2H4 + H2O (1)C2H5OH C2H5OC2H5 +H

4、2O (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(shè)備會(huì)受到嚴(yán)重腐蝕，而且排出的廢酸會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，研究開(kāi)發(fā)可以取代硫酸的新型催化體系已成為當(dāng)代化工生產(chǎn)中普遍關(guān)注的問(wèn)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(kāi)發(fā)，主要集中在分子篩上，特別是ZSM-5分子篩。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)反應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算分析可了解到乙醇脫水制乙烯、制乙醚是熱效應(yīng)相反的兩個(gè)過(guò)程，升高溫度有利于脫水制乙烯(吸熱反應(yīng))，而降低溫度對(duì)脫水制乙醚更為有利(微放熱反應(yīng))，所以要使反應(yīng)向要求的方向進(jìn)行，必須要選擇相適應(yīng)的反應(yīng)溫度區(qū)域，另外還應(yīng)該考慮

5、動(dòng)力學(xué)因素的影響。本實(shí)驗(yàn)采用ZSM5分子篩為催化劑，在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行乙醇脫水反應(yīng)研究，反應(yīng)產(chǎn)物隨著反應(yīng)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(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變反應(yīng)的進(jìn)料速度，可以得到不同反應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)氣體和液體產(chǎn)物的分析，可以得到反應(yīng)溫度下的最佳工藝條件和動(dòng)力學(xué)方程。反應(yīng)機(jī)理如下：主反應(yīng)：C2H5OH C2H4 + H2O (1)副反應(yīng)：C2H5OH C2H5OC2H5 +H2O (2)在實(shí)驗(yàn)中，由于兩個(gè)反應(yīng)生成的產(chǎn)物乙醚和水留在了液體冷凝液中，而氣體產(chǎn)物乙烯是揮發(fā)氣體，進(jìn)入尾氣濕式流量計(jì)計(jì)量總體積后排出。對(duì)于不同的反應(yīng)溫度，通過(guò)計(jì)算

6、不同的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率，可以得到不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，并得到溫度的關(guān)聯(lián)式。實(shí)驗(yàn)儀器和藥品：乙醇脫水固反應(yīng)器，氣相色譜及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，精密微量液體泵，蠕動(dòng)泵。ZSM-5型分子篩乙醇脫水催化劑，分析純乙醇，蒸餾水。三、實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)裝置流程圖：1、原料無(wú)水乙醇；2、乙醇進(jìn)料泵；3、濕式流量計(jì)；4、催化劑床層溫度控制顯示儀表；5、預(yù)熱器加熱溫度控制顯示儀表；6、反應(yīng)器加熱溫度控制顯示儀表；7、反應(yīng)器；8、產(chǎn)物空氣冷卻器；9、產(chǎn)物氣液分離器；10、ZSM5分子篩催化劑；11、樣品采出閥實(shí)驗(yàn)步驟：1、按照實(shí)驗(yàn)要求，將反應(yīng)器加熱溫度設(shè)定為260，預(yù)熱器溫度設(shè)定為150。2、溫度

7、達(dá)到設(shè)定后，繼續(xù)穩(wěn)定10-20min，然后開(kāi)啟乙醇進(jìn)料泵，三組實(shí)驗(yàn)乙醇的加料速度分別為0.4mL/min、0.8mL/min和1.2mL/min。在這期間，同時(shí)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)液（水、乙醇、乙醚的混合液）的配制，三種液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為乙醚10%-20%，乙醇20%-50%，水30%-70%。標(biāo)準(zhǔn)液配制完成后，對(duì)其進(jìn)行至少兩次色譜分析，兩次色譜分析峰面積比例不得相差大于1%。3、反應(yīng)進(jìn)行10min后，正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，記錄下預(yù)熱器加熱溫度、反應(yīng)器加熱溫度、催化劑床層溫度和濕式流量計(jì)讀數(shù)。每隔10min，記錄預(yù)熱器加熱溫度、反應(yīng)器加熱溫度、催化劑床層溫度和濕式流量計(jì)讀數(shù)。每組進(jìn)料流率下反應(yīng)30min，結(jié)束時(shí)

8、打開(kāi)旋塞，用洗凈的三角錐瓶接收液體產(chǎn)物，并用天平對(duì)液體產(chǎn)物準(zhǔn)確稱(chēng)重（稱(chēng)量時(shí)空瓶重、總重等數(shù)據(jù)都應(yīng)記錄下來(lái)），并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行至少兩次色譜分析，兩次色譜分析峰面積比例不得相差大于1%。4、改變加料速度，重復(fù)上述步驟。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)料開(kāi)關(guān)。繼續(xù)加熱20分鐘，之后關(guān)閉各加熱器，打開(kāi)尾液收集器閥門(mén)，放掉尾液，關(guān)閉總電源。四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄表一 實(shí)驗(yàn)原始條件天氣晴大氣壓101.325kPa室溫16實(shí)驗(yàn)日期2012.3.29實(shí)驗(yàn)時(shí)間14:00實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)20-630實(shí)驗(yàn)內(nèi)容乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)人數(shù)聶新宇、駱加威、吳鋒、李軍良表二 實(shí)驗(yàn)試劑規(guī)格表試劑名稱(chēng)乙醇乙醚純度（wt%）99.7%99.0%密度（2

9、0）0.789-0.791g/mL0.713g/mL雜質(zhì)（wt%）0.3%1.0%表三 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間加料速率（mL/min）預(yù)熱溫度（）反應(yīng)溫度（）爐內(nèi)溫度（）濕式流量計(jì)讀數(shù)（L）液體產(chǎn)物質(zhì)量（g）114:540.4150.2257.7255.13952.37115:24采集產(chǎn)品，空瓶重57.69g，總重62.58g，樣品重4.83g215:040.4150.2257.5255.13953.160315:140.4150.0257.6255.03954.180415:240.4150.1257.5255.23955.120515:350.8150.0260.2255.13956.

10、16515：55采樣，空瓶重58.17g，總重67.40g，樣品重9.23g615:450.8149.9260.1255.03957.221715:550.8150.0261.3255.03958.372816:061.2150.0263.7255.13959.58116：26采樣，空瓶重53.52g，總重66.27g，樣品重12.75g916:161.2150.0264.4255.13960.7801016:261.2150.1264.5255.03962.220表四 標(biāo)準(zhǔn)液數(shù)據(jù)空瓶重（g）64.20乙醇質(zhì)量（g）3.16乙醚質(zhì)量（g）1.15水質(zhì)量（g）6.15表五 色譜分析條件載氣1柱前

11、壓0.45MPa載氣2柱前壓0.50MPa橋電流90mA柱箱溫度122氣化室溫度112檢測(cè)室溫度109進(jìn)料量0.2L載氣流量40mL/min訊號(hào)衰減1:1表六 標(biāo)準(zhǔn)液色譜分析結(jié)果分析次數(shù)峰序號(hào)保留時(shí)間/min峰面積峰面積比例（%）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 液相產(chǎn)品色譜分析結(jié)果加料速率（mL/min）分析次數(shù)峰序號(hào)保留時(shí)間/min峰面積峰面積比例（%）0.4第一次分析水0.1

12、9212387761.616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0079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第二次分析水0.2003

13、791827.352乙醇0.7177327252.856乙醚1.6922743719.792五、數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出原料乙醇的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)物乙烯的收率及乙烯的選擇性：表八 相對(duì)校正因子計(jì)算結(jié)果f1f2f311.2972.317表九 進(jìn)料流量變化與轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性關(guān)系表進(jìn)料流量（mL/min）乙醇轉(zhuǎn)化率（Xal）乙烯收率（Y）乙烯選擇性（S）0.40.7870.5630.7150.80.6830.3390.4961.20.6740.2700.401計(jì)算舉例：1、計(jì)算相對(duì)校正因子 （1）其中：為各組分在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A、B、C分別為水、乙醇、乙醚；為每個(gè)組分的校正因子；為每

14、個(gè)組分在色譜上的峰面積；其他組分對(duì)第一個(gè)組分的相對(duì)校正因子，則有： （2） （3） （4）(2)式與（3）式相除，（2）式與（4）式相除得： （5） （6） （7）標(biāo)準(zhǔn)液中各組分含量分別為A（水）6.15g，B（乙醇）3.16g，C（乙醚）1.15g，則有：取兩次標(biāo)準(zhǔn)色譜結(jié)果的平均值作為正式結(jié)果: 則有： 由（1）式和（7）式相等，將數(shù)據(jù)代入可求得各組分相對(duì)組分1（水）的校正因子為：2、以進(jìn)料速率0.4mL/min為例計(jì)算根據(jù)色譜分析結(jié)果，由得： 液體產(chǎn)物中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)液相產(chǎn)物中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)液相產(chǎn)物中乙醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙烯生成的物質(zhì)的量為（實(shí)驗(yàn)氣溫16）：由化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（有機(jī)卷）查得：乙

15、醇液體在16時(shí)的密度為790kg/m3則30min內(nèi)原料乙醇的進(jìn)料量為：原料乙醇的轉(zhuǎn)化率為：乙烯的收率為：乙烯的選擇性為：六、結(jié)果分析及討論進(jìn)料流率對(duì)乙醇轉(zhuǎn)化率、乙烯收率、乙烯選擇性的影響：由表九中的數(shù)據(jù)作圖：乙醇進(jìn)料流量增大，說(shuō)明反應(yīng)空速增大。由表九及圖一都可清晰的看出：隨著反應(yīng)空速的增大，乙醇的轉(zhuǎn)化率降低，乙烯的收率下降，反應(yīng)對(duì)乙烯的選擇性也降低。空速是指單位時(shí)間內(nèi)，單位體積（或質(zhì)量）的催化劑所通過(guò)的反應(yīng)物的體積（或質(zhì)量）。乙醇進(jìn)料流量增大，反應(yīng)空速增大，反應(yīng)物乙醇在催化劑床層的停留時(shí)間縮短，即有一部分乙醇沒(méi)來(lái)得及反應(yīng)就隨氣流離開(kāi)反應(yīng)器，隨后進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物中，并且進(jìn)料流量越大，未反應(yīng)的乙醇的

16、量就越多。所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)如表九及圖一所示：隨著乙醇進(jìn)料流量增大，乙醇轉(zhuǎn)化率降低，乙烯收率下降，反應(yīng)對(duì)乙烯的選擇性也降低。七、實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題和思考1、乙醇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的提高和那些因素有關(guān)系？詳細(xì)說(shuō)明原因。乙醇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)溫度，反應(yīng)空速及乙醇的濃度等有關(guān)。反應(yīng)溫度會(huì)影響到反應(yīng)常數(shù)，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)常數(shù)也隨之增大，因而反應(yīng)速率增大，轉(zhuǎn)化率也跟著升高?？账俸头磻?yīng)停留時(shí)間直接相關(guān)，空速越大，反應(yīng)停留時(shí)間越短，反應(yīng)越不徹底，乙醇的轉(zhuǎn)化率也就越低。若乙醇的濃度增大，從氣體反應(yīng)碰撞理論看，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物分子碰撞的幾率和次數(shù)也隨之增大，從而反應(yīng)速率增大，轉(zhuǎn)化率也就相應(yīng)地會(huì)提高。2、怎樣計(jì)算乙烯收率和選擇性？應(yīng)

17、如何提高生成乙烯的選擇性？乙烯收率，乙烯選擇性為了提高乙烯選擇性，可以減小乙醇進(jìn)料速率并且提高反應(yīng)溫度。3、改變氣相色譜的柱箱溫度對(duì)分離效果有什么影響？怎樣確定最適宜的分析條件？柱箱溫度是一個(gè)重要的操作參數(shù)，它能直接影響分離效能和分析速度。提高柱溫可以縮短分析時(shí)間，降低柱溫可以使色譜柱選擇性增大，有利于組分的分離和色譜柱穩(wěn)定性的提高。選擇柱溫時(shí)應(yīng)考慮混合物的沸點(diǎn)范圍，固定液的配比和鑒定器的靈敏度等，采用等于或高于數(shù)十度于樣品的平均沸點(diǎn)的柱溫較為合適，對(duì)易揮發(fā)樣用低柱溫，不易揮發(fā)的樣品采用高柱溫。4、怎樣對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行物料恒算？應(yīng)該注意哪些問(wèn)題？根據(jù)反應(yīng)方程式，利用求出的乙烯和乙醚的質(zhì)量可以

18、算出反應(yīng)所需的乙醇的總量，利用下面表達(dá)式對(duì)乙醇進(jìn)行物料恒算：液體產(chǎn)物中乙醇質(zhì)量 + 生成反應(yīng)物消耗的乙醇質(zhì)量 - 乙醇進(jìn)量若上式等于零，則表明物料守恒。要進(jìn)行物料衡算應(yīng)該注意下述條件：1) 保證反應(yīng)過(guò)程應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這可以根據(jù)設(shè)備儀表的讀數(shù)是否穩(wěn)定在目標(biāo)溫度確定；2) 確保色譜讀數(shù)可靠；3) 最好保證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間控制精確到秒；4) 確保每次稱(chēng)量液體產(chǎn)品前，都要對(duì)三角錐瓶進(jìn)行稱(chēng)重。5、談?wù)勗趯?shí)驗(yàn)中得到的一些體會(huì)和對(duì)實(shí)驗(yàn)的建議。實(shí)驗(yàn)中的體會(huì)：1) 通過(guò)本次試驗(yàn)，我對(duì)氣相色譜儀的使用有了一定的掌握，進(jìn)樣更加熟練了。此外，我不僅掌握根據(jù)氣相色譜峰值分析混合物中各組分的含量，還掌握了對(duì)相對(duì)較正因子的求算方法。2) 本次試驗(yàn)極大地提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，通過(guò)積極參與試驗(yàn)操作，學(xué)生可以了解并熟悉很多儀器設(shè)備的基本操作，并且可以總結(jié)出一系列的準(zhǔn)則，對(duì)今后的工作很有幫助。3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)合作精神也很重要，比如實(shí)驗(yàn)中既要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，又要