化工過程與開發(fā)第三章 化工過程開發(fā)的實驗室工作

1、4/19/2022整理課件1第三章第三章 化工過程開發(fā)的化工過程開發(fā)的實驗室工作實驗室工作4/19/2022整理課件2第二章回顧選題選題市場需求調研市場需求調研所需資料所需資料立項立項來源來源3種原則原則4點定性定性定量定量專門專門外圍外圍一元線性一元線性回歸回歸4/19/2022整理課件3主要內容v第一節(jié) 概述v第二節(jié) 測量技術v第三節(jié) 催化劑研究v第四節(jié) 反應動力學研究方法簡介v第五節(jié) 標準樣品及分析方法v第六節(jié) 化工單元過程和化工單元操作試驗4/19/2022整理課件4第一節(jié) 概述（參考P37-46）一、實驗分類預實驗預實驗系統實驗系統實驗實驗的進實驗的進展和目的展和目的的不同的不同實驗

2、試驗？實驗試驗？4/19/2022整理課件51. 預實驗v為提出設想流程而進行的實驗。v內容：針對可行性研究中提出的疑問或前面實驗發(fā)現的新問題來進行研究。v特點：無全面規(guī)劃、定性或半定量的實驗v要求：研究者必須建立明確的思路 。v如對化學反應過程的研究，從三個方面建立思路： 4/19/2022整理課件6（1）從認識對象的特征來建立思路。（2）從影響過程的因素出發(fā)來建立思路 （3）從工藝的特殊條件建立思路 化學反應的化學反應的特征？特征？影響反應影響反應速率的因速率的因素？素？如催化反應如催化反應的控制步驟的控制步驟等等目的：目標明確、簡化實驗目的：目標明確、簡化實驗4/19/2022整理課件7

3、預實驗的三種形式（1）認識實驗（2）析因實驗（3）驗證實驗4/19/2022整理課件8（1）認識實驗v 認識試驗是為了認識過程研究對象的特征和初步規(guī)律而專門設計的試驗 。 方法：對比實驗如考察反應的轉化率和收率的高低，如考察反應的轉化率和收率的高低，考察溫度或濃度對過程影響的敏感程考察溫度或濃度對過程影響的敏感程度，以及考察傳熱方式或傳質條件改度，以及考察傳熱方式或傳質條件改變對過程的影響等。變對過程的影響等。目的：獲得感性認識，要求研究者善于思考、分析問題。目的：獲得感性認識，要求研究者善于思考、分析問題。4/19/2022整理課件9（2）析因實驗v 析因試驗是為了弄清實驗的各種影響因素影響

4、因素而專門組織的試驗 。v應注意以下法則：A、注意工程因素的等效性，不必對所有的因素都逐個進行試驗；B、分清可調和不可調因素，對不可調因素一般不作考察；C、分清敏感因素和非敏感因素，對非敏感因素，一般也不作重點考察 直接直接工程工程非常規(guī)非常規(guī)4/19/2022整理課件10（3）驗證（鑒別）實驗v針對已形成的技術結論或設想的技術措施，判別其是與非而專門設計的試驗。v采取一些簡易設備和簡便方法來進行，采取一些簡易設備和簡便方法來進行，要求研究者要善于運用工程因素等效性的概念要求研究者要善于運用工程因素等效性的概念來合理簡化試驗過程來合理簡化試驗過程。 4/19/2022整理課件112、系統實驗v

5、系統試驗是在預試驗的基礎上迸行，它是有目的有計劃地對預試驗測定的定性結論或技術方案作系統考察并定量測取有關設計數據。預試驗預試驗-概念設計；概念設計；系統試驗系統試驗-基礎設計?；A設計。4/19/2022整理課件12包括：vA、實驗目的vB、實驗方案vC、裝置設計和建立vD、實驗點的安排vE、獲得數據vF、數據處理4/19/2022整理課件13二、實驗工作程序v基本程序：規(guī)劃-實驗及記錄-分析整理-報告1.擬定實驗計劃2.實驗過程3.總結新產品？新技術新產品？新技術對老工藝改造？對老工藝改造？認真操作、觀察現認真操作、觀察現象、測數據、記錄象、測數據、記錄成果、不足成果、不足4/19/202

6、2整理課件14第二節(jié) 測量技術一、溫度測量二、壓力測量三、流量測量4/19/2022整理課件15一、溫度測量v常用的測溫元件？ 玻璃液柱 雙金屬 熱電偶4/19/2022整理課件16名稱測溫范圍優(yōu)點缺點玻璃液柱溫度計酒精-8030水銀-10300直觀，結構簡單，穩(wěn)定性好，價格低廉易碎、溫度范圍有限，安裝位置要求準確，熱響應慢雙金屬溫度計低溫型-8080高溫型0500直觀，堅固耐用，無汞危險性，價格低廉僅用于現場測量，需要一定浸入長度，表盤所限精度差，熱響應慢熱電偶低溫-20040高溫01700測溫范圍寬，響應快安裝靈活需顯示儀表測溫元件特點4/19/2022整理課件17二、壓力測量vU型管液柱

7、壓差計結構簡單、制作方便、讀數直觀、價格低廉缺點：易碎v彈簧管壓力表測量范圍大，讀數精確度較差。4/19/2022整理課件18三、流量測量v轉子流量計v皂膜流量計皂膜流量計v毛細管流量計毛細管流量計4/19/2022整理課件19第三節(jié) 催化劑研究一、催化技術概況1. 催化劑及性能指標（1）活性（2）選擇性（3）穩(wěn)定性4/19/2022整理課件202.催化劑開發(fā)內容v催化劑開發(fā)包括了催化劑的設計、制備、測試、評價等各方面多專業(yè)的工作，也包括了實驗室研究（小試）、中試以及大廠生產和使用等各個工作段在內。v是一個龐大的工作體系。v 一般來講，即使局部更新一個已經工業(yè)化的催化劑也需要35年的時間，而且

8、需要耗費大量的資金和人力。開發(fā)工作的每一步都要仔細考慮經濟因素。4/19/2022整理課件213.催化劑開發(fā)中的實驗室工作實驗室工作包括幾個部分：（1）資料準備（2）催化劑參考樣品的剖析（3）配方篩選4/19/2022整理課件22資料準備通過查閱文獻做以下幾項工作:1、待開發(fā)催化劑及其相關的工藝過程的歷史及其現狀2、課題的由來和意義3、技術路線的選擇4、技術上的先進性和可行性5、經濟上的合理性4/19/2022整理課件23樣品剖析ICI 46-1催化劑的剖析（剖析結果） （1）外觀（2）物理性質（3）催化劑的元素組成分析（4）催化劑中某些元素的分布（5）催化劑物相組成的測定4/19/2022整

9、理課件24（6）催化劑的差熱譜圖（7）催化劑可還原性的考察（8）催化劑中活性組分鎳晶粒大小和吸附氫氣的測定（9）催化劑熱穩(wěn)定性的考察（10）催化劑的活性和抗碳性能的考察 推斷推斷:高嶺土、氧化鋁、氧化鎂為載體；氧高嶺土、氧化鋁、氧化鎂為載體；氧化鈣為助劑；鎳為活性組分；鋁酸鈣水泥化鈣為助劑；鎳為活性組分；鋁酸鈣水泥為粘結劑；高溫處理為粘結劑；高溫處理4/19/2022整理課件25二、催化劑制備方法v沉淀1.單組分沉淀法單組分沉淀法 沉淀劑與一種待沉淀組分溶液作用以制備單一組沉淀劑與一種待沉淀組分溶液作用以制備單一組分沉淀物分沉淀物2.多組分共沉淀法多組分共沉淀法 將催化劑所需的兩種或兩種以上組

10、分同時沉淀的將催化劑所需的兩種或兩種以上組分同時沉淀的一種方法一種方法3.均勻沉淀均勻沉淀 待沉淀溶液與沉淀劑母體混合均勻，調節(jié)反應條待沉淀溶液與沉淀劑母體混合均勻，調節(jié)反應條件（溫度、件（溫度、PH值等）使體系逐步生成沉淀劑，值等）使體系逐步生成沉淀劑，使沉淀進行，得到均勻純凈固體。使沉淀進行，得到均勻純凈固體。4/19/2022整理課件26v浸漬將載體浸泡在含有活性組分（主、助催化劑將載體浸泡在含有活性組分（主、助催化劑組分）的可溶性化合物溶液中，而后除去組分）的可溶性化合物溶液中，而后除去過剩溶液，再經干燥、焙燒和活化即可過剩溶液，再經干燥、焙燒和活化即可v離子交換法離子交換法1、無機離

11、子交換劑制備（分子篩）、無機離子交換劑制備（分子篩）2、有機離子交換劑制備（離子交換樹脂）、有機離子交換劑制備（離子交換樹脂）4/19/2022整理課件27共混法4/19/2022整理課件284/19/2022整理課件29三、催化劑評價方法v微反檢測4/19/2022整理課件30微反活性測試裝置微反活性測試裝置 4/19/2022整理課件31第四節(jié) 反應動力學研究方法簡介（P86-92）4/19/2022整理課件32動力學研究的目的和作用目的：為研究的催化劑提供數學模型，使之能夠在較大的范圍內更有把握地、更準確地反映溫度、空速、壓力等參數對反應速率、轉化率和選擇性的影響規(guī)律。作用：為催化劑設計

12、以及催化劑反應器的設計提供科學依據。4/19/2022整理課件33多相催化機理v對于多相催化反應，以化學物種與催化劑的接觸開始，需要經歷一系列的物理和化學基本步驟。稱這些步驟序列為“歷程”，而包括吸附、脫附、物理傳輸和化學變化步驟在內的序列關系稱為機理。4/19/2022整理課件34動力學實驗方法動力學實驗內容：主要是測取不同溫度和反應動力學實驗內容：主要是測取不同溫度和反應物濃度條件下的反應速率，由此確定反應活化物濃度條件下的反應速率，由此確定反應活化能、反應級數和頻率因子等動力學參數。能、反應級數和頻率因子等動力學參數。測試方法：可以在間歇操作的反應器內進行，測試方法：可以在間歇操作的反應

13、器內進行，也可以在連續(xù)操作的反應器內進行。也可以在連續(xù)操作的反應器內進行。不論哪種方法，都不能直接測出反應速率；不論哪種方法，都不能直接測出反應速率；而必須通過測試數據計算方能求得。而必須通過測試數據計算方能求得。4/19/2022整理課件35反應器1. 間歇反應器間歇反應器2. 連續(xù)反應器連續(xù)反應器 3. 脈沖式反應器脈沖式反應器4/19/2022整理課件361. 間歇反應器v特點：反應速率隨時間而相應下降反應速率隨時間而相應下降溫度、濃度均勻溫度、濃度均勻4/19/2022整理課件371. 間歇反應器（續(xù)）v測定的數據：v適用的物料體系：時間與濃度的時間與濃度的關系（關系（tC）液相反應系

14、統液相反應系統慢反應慢反應4/19/2022整理課件381. 間歇反應器（續(xù)）優(yōu)點：缺點：試驗方法簡便，測試所消耗的試驗方法簡便，測試所消耗的物料量很少。物料量很少。數據處理較為繁瑣，且準確程數據處理較為繁瑣，且準確程度較差。度較差。圖解微分圖解微分積分積分How？4/19/2022整理課件392. 連續(xù)反應器積分積分微分微分無梯度無梯度4/19/2022整理課件40積分反應器v特點：v適用反應體系：催化劑床層高度大于反催化劑床層高度大于反應器內徑應器內徑2倍以上。倍以上。催化劑裝填量大，反應轉催化劑裝填量大，反應轉化率較大；一般化率較大；一般x25%連續(xù)多相催化連續(xù)多相催化快反應快反應床層各

15、個截床層各個截面上，反應面上，反應物的濃度不物的濃度不同，出口測同，出口測定的反應的定的反應的轉化率反應轉化率反應的積分結果。的積分結果。4/19/2022整理課件41積分反應器（續(xù)）v試驗數據:v反應速率：4/19/2022整理課件424/19/2022整理課件43優(yōu)點：v缺點：設備結構簡單，對分析儀器設備結構簡單，對分析儀器要求不高要求不高,試驗與工業(yè)生產過試驗與工業(yè)生產過程相近程相近不易恒溫，存在溫度梯度。不易恒溫，存在溫度梯度。數據處理有一定難度，誤差數據處理有一定難度，誤差較大較大4/19/2022整理課件444/19/2022整理課件45微分反應器v特點：催化劑的填充量少（常在催化

16、劑的填充量少（常在1g以下）以下）高空速進料，控制很低的反應轉化率。高空速進料，控制很低的反應轉化率。4/19/2022整理課件46微分反應器v測定數據：v反應速率：進出口轉化率進出口轉化率4/19/2022整理課件47微分反應器優(yōu)點：缺點：能直接給出反應速率，數據處理簡單；催能直接給出反應速率，數據處理簡單；催化劑床層容易維持等溫化劑床層容易維持等溫分析的精度要求高，分析的精度要求高，配料配料困難。如果困難。如果催化劑床層內出現溝流，則對反應過催化劑床層內出現溝流，則對反應過程的影響很大。程的影響很大。怎樣配料？怎樣配料？4/19/2022整理課件484/19/2022整理課件49無梯度反應

17、器v特點：理想混合反應器理想混合反應器特點？特點？能直接測出反應速率；無配能直接測出反應速率；無配料的困難；無需控制很小的料的困難；無需控制很小的進、出口轉化率之差，測試進、出口轉化率之差，測試手段也容易解決手段也容易解決。4/19/2022整理課件50無梯度反應器v測定數據：v反應速率：進出口轉化率進出口轉化率4/19/2022整理課件514/19/2022整理課件524/19/2022整理課件53脈沖反應器v簡稱“微反”。是用一臺氣相色譜儀與一個微型管式反應器串聯。4/19/2022整理課件544/19/2022整理課件55動力學實驗的流程和方法v流程與方法 動力學實驗與催化劑評價實驗在設

18、備、裝置和動力學實驗與催化劑評價實驗在設備、裝置和流程一般是基本相同的，但做評價實驗時，改流程一般是基本相同的，但做評價實驗時，改變催化劑而不改變條件，做動力學實驗則不改變催化劑而不改變條件，做動力學實驗則不改變催化劑變催化劑4/19/2022整理課件56v本征、宏觀動力學 只有在排除了內外擴散因素影響的前提只有在排除了內外擴散因素影響的前提下，才能評價催化劑的本征活性和研究下，才能評價催化劑的本征活性和研究催化劑的本征動力學。催化劑的本征動力學。機理、數機理、數模模宏觀宏觀工業(yè)生產實際工業(yè)生產實際4/19/2022整理課件57第五節(jié) 標準樣品及分析方法v一、標準樣品v二、分析方法和產品標準4

19、/19/2022整理課件58一、標準樣品v購買v自制v標準樣品提純的方法：意義：定性研意義：定性研究反應過程、究反應過程、定量計算、各定量計算、各種評價種評價分析純、色譜純分析純、色譜純合成、表征合成、表征精餾、結晶、色譜（閃精餾、結晶、色譜（閃柱色譜和薄層色譜）柱色譜和薄層色譜）4/19/2022整理課件59二、分析方法和產品標準v產品標準：v是具體產品應達到的規(guī)格指是具體產品應達到的規(guī)格指標，而這種規(guī)格指標又是按一標，而這種規(guī)格指標又是按一定分析方法制定的。定分析方法制定的。產品的標準由開發(fā)單位提產品的標準由開發(fā)單位提出，完善認定后形成企業(yè)、出，完善認定后形成企業(yè)、部門、國家標準。部門、國家標準。已有產品可收集權威標準如已有產品可收集權威標準如美國美國ASTM、德國、德國DIN4/19/202