實(shí)驗(yàn)八催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定(精)

1、實(shí)驗(yàn)八催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定159一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x“多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象”是反應(yīng)工程課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，通過 實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解內(nèi)、外擴(kuò)散過程及其對反應(yīng)的影響；掌握催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念及 其實(shí)驗(yàn)測定方法；了解本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1 苯加氫氣固相催化反應(yīng)方程式在Ni/Al2O3固體催化劑作用下，苯加氫反應(yīng)方程式為:_ , , ,“ 、1301800C_ , “、C6H6(g) +3H2(g)、C6H 12(g)此反應(yīng)為單一不可逆放熱反應(yīng)。在氫氣大大過量情況下可視為擬一級反應(yīng)。2內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定在外擴(kuò)散影響已消除的基礎(chǔ)上測定催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子。經(jīng)預(yù)

2、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于本體 系所使用的氫氣大大過量，因此在實(shí)驗(yàn)溫度、流量范圍內(nèi)，外擴(kuò)散的影響均已消除。本實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)管內(nèi)裝填 1028目范圍內(nèi)的粒子（假定為球形顆粒）、質(zhì)量為W（g）的催化 劑。在某一床層溫度（如 150C左右）下，通過改變苯和氫氣的進(jìn)料流量，測定相應(yīng)的出口轉(zhuǎn)化率Xa,得到XaV/Fao曲線。曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反應(yīng) 速率（一Ra）。對一級不可逆反應(yīng)，宏觀反應(yīng)速率又可寫成:(-Ra)=叫 PCAG式中:Cag = Cao (1 一 Xa )所以:r _(-Ra) kP cag由于本征反應(yīng)速率常數(shù) kp值未知，故不能直接由式（2）求出內(nèi)擴(kuò)散有效因子 n。 根據(jù)：s

3、=特=R2 kP (-Ra) = R2 (-Ra)DeA kPcagDeAC AG式中：S為大西勒（Thiele）模數(shù)沖S為球形顆粒一級反應(yīng)時(shí)的西勒Thiele）模數(shù)。R為催化劑顆粒半徑、DeA為氣態(tài)苯在催化劑顆粒內(nèi)部的有效擴(kuò)散系數(shù)、 應(yīng)速率、Cag為轉(zhuǎn)化率為Xa時(shí)苯的摩爾濃度，均可由實(shí)驗(yàn)測得，故由式（-Ra）為宏觀反3）就可直接求出S （即耗2n）值。n= 3 ( 1- 1 )*S (tanh(%) *S所以可先假設(shè)*s 代入式n* %勺此時(shí)判斷得到的 戀耳值是否等于由式（3）求得的 軋勺值？若不等，重新假設(shè) 值,反復(fù)計(jì)算，直到相等。若相等，此時(shí)的n值即為所求。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖 實(shí)驗(yàn)裝置

4、：該裝置由反應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成：20mm ; 長度：550mm。管內(nèi)有直徑為1、反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)器為管式，不銹鋼材質(zhì)。反應(yīng)管內(nèi)徑：3mm的不銹鋼管穿過反應(yīng)管的上下兩端，以便在3mm管內(nèi)插入直徑為1mm的塏裝式熱電偶，通過上下拉動(dòng)熱電偶可測出床層內(nèi)不同高度處的反應(yīng)溫度。 預(yù)熱器直徑：10mm ; 長度：250mm ;加熱功率：反應(yīng)加熱爐采用三段加熱控溫方式，加熱爐直徑：220mm;長度：550mm ;各段加熱功率:1k W。上下段溫度控制靈活，恒溫區(qū)較寬?？販嘏c測溫?cái)?shù)據(jù)均數(shù)字顯示。0.5kW。2.實(shí)驗(yàn)裝置流程圖14氫氣鋼瓶一穩(wěn)壓閥一調(diào)節(jié)閥一苯計(jì)量泵一壓力表-催化劑/填料復(fù)合床層（14）-苯儲罐

5、（15） 氣相色譜儀預(yù)熱器-床層測溫?zé)犭娕迹?1）、（12）、（13）加熱爐上、中、下三段熱電偶轉(zhuǎn)子流量計(jì)反應(yīng)管60圖1.實(shí)驗(yàn)流程示意圖Vp mL ;再稱取四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1.準(zhǔn)確稱取2克1028目的催化劑，并量出該催化劑的體積，記為 20克相同目數(shù)的瓷粒子，然后均勻混合，并用量筒量取其體積，將其裝入反應(yīng)管中，記錄 床層高度和床層位置。再將反應(yīng)器固定在反應(yīng)加熱爐中。通氣體進(jìn)行試漏，直至不漏。2催化劑活化。催化劑床層溫度以25C/h的升溫速率從室溫升到 180C,控制合適的氫 氣流量（300mL/min左右）通入反應(yīng)器。在 180C恒溫2h,然后以25C/h的降溫速率降溫， 到50C以下時(shí)關(guān)閉氣

6、源和電源。3.計(jì)量泵苯流量的標(biāo)定。（上述三步由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師預(yù)先完成）。4 打開氫氣鋼瓶減壓表，開啟氣相色譜儀，分析條件為：柱室80 C,進(jìn)樣器150C,橋流150MA,柱前壓力0.15MPa。5.打開氫氣鋼瓶減壓表，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥，控制合適的氫氣流量 (400mL/min左右)，150、通入反應(yīng)器，目的是床層溫度升高時(shí)使床層溫度均勻，同時(shí)氫氣又是反應(yīng)原料氣。6開啟電源開關(guān)，設(shè)置好預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別為 110、140、110C 左右。7.調(diào)節(jié)預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的電流給定旋鈕，預(yù)熱器電流不超過1A ,反應(yīng)器加熱爐上、中、下段不超過2 A,電流表有電流指示

7、表明已開始加熱。&待預(yù)熱器和反應(yīng)器加熱爐上、中、下三段的溫度分別達(dá)到所設(shè)定的溫度時(shí)，開啟計(jì) 量泵，泵入苯，苯的流量根據(jù)停留時(shí)間的要求控制在某一適當(dāng)?shù)牧髁?苯的流量可控制在 0.21g/min),并要求苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比維持在1: 6,根據(jù)此摩爾配比調(diào)節(jié)氫氣的流量。9 苯在預(yù)熱器汽化并與氫氣混合后進(jìn)入催化劑床層發(fā)生反應(yīng)。由于是放熱反應(yīng)，反應(yīng) 器加熱爐上、中、下三段的溫度均會升高，待操作一段時(shí)間，溫度穩(wěn)定后，拉動(dòng)床層測溫 熱電偶，檢測整個(gè)床層的溫度分布是否在150 C左右且各處是否接近等溫。否則需要對加熱爐中段給定溫度稍作調(diào)整。10. 當(dāng)反應(yīng)器床層溫度達(dá)到所要求的溫度，且加熱爐上、中、

8、下三段的溫度均穩(wěn)定不 變時(shí)，用2mL玻璃注射器對反應(yīng)器出口氣體進(jìn)行取樣，注入到色譜儀中進(jìn)行熱導(dǎo)分析，得 到反應(yīng)器出口氣體的組成結(jié)果。5個(gè)流量時(shí)，可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉苯計(jì)量泵，關(guān)閉加熱電源。繼續(xù)通入氫100 C以下可關(guān)閉氫氣鋼瓶，以防止溫度過高造成催化劑失活。11. 改變苯進(jìn)料流量，同時(shí)相應(yīng)改變氫氣進(jìn)料流量，保持苯和氫氣的進(jìn)料摩爾配比不 變，仍為1: 6。重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟 910。12. 共進(jìn)行了 氣，待床層溫度降至五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄： 氣溫：C大氣壓:MPa 實(shí)驗(yàn)日期:表1催化劑目數(shù)催化劑(g)催化劑(mL)填料(g)稀釋比總體積(mL)床層咼(cm)表2序號氫氣流量(mL/mi n)苯流量(mL/mi

9、 n)上段溫度(C)中段溫度(C)下段溫度(C)設(shè)定實(shí)測設(shè)定實(shí)測設(shè)定實(shí)測12345表3序號床層溫度分布情況1床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）2床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）3床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）4床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）5床層長度（cm）實(shí)測溫度（C）表4分析結(jié)果數(shù)據(jù)序號y1(%)y2(%)Xa(%)Xa(%)W/Fa0(g.h/mol)12345六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1.反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率的計(jì)算設(shè)苯的流量為FA0（mol/h），反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率為Xa，出口氣體中，苯的質(zhì)量百分含量為yi ,環(huán)己烷的質(zhì)量百分含量為y2 （不考慮其中氫氣的質(zhì)量百分含量），即由化學(xué)方程式:C6H6(g) +

10、3H2(g)-1 甦T C6Hi2(g)F A0反應(yīng)后：(mol/h) Fao*(1-Xa)Fa0*Xa即：(g/h)Fa0*(1-Xa)*78Fa0*Xa*8478* Fa0*(1-Xa)13(1 Xa)y1 =78* Fa0* (1 -Xa ) + 84* Fa0 * Xa 13(1 - X a) + 14X a84 * Fa0 * Xa14Xa目2 =78* Fa0*(1 -Xa)+84* Fa0*Xa 13(1-Xa) +14Xa化簡得：Xa13 + y1或 XA=13y214-y2y1和y2可通過氣相色譜分析反應(yīng)器出口氣體組成而得。因此可通過式 率。2.反應(yīng)速率(Ra)的計(jì)算由實(shí)測的XAVp/Fa0曲線，可用多項(xiàng)式擬合，然后求導(dǎo)，任何一個(gè) 就是該點(diǎn)的反應(yīng)速率值。3有效擴(kuò)散系數(shù) DeA值苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)可取0.2cm2/s。(7)計(jì)算出口轉(zhuǎn)化XA所對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.2.3.4.實(shí)驗(yàn)前，一定要檢查管路的氣密性，尾氣要接到室外； 實(shí)驗(yàn)操作一定要按步驟進(jìn)行，防止催化劑失活； 實(shí)驗(yàn)中要注意保持氫氣、苯流量的穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，檢查水、電、氣的閥門，關(guān)閉后才能離開。八、思考題1. 外擴(kuò)散阻力如何消除？2. 本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如何測定?九、參考文獻(xiàn)1.陳甘棠主編.化學(xué)反