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(diào)研市場需求調(diào)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(nèi)容v第一節(jié) 概述v第二節(jié) 測量技術(shù)v第三節(jié) 催化劑研究v第四節(jié) 反應(yīng)動力學(xué)研究方法簡介v第五節(jié) 標(biāo)準(zhǔn)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(yù)實驗預(yù)實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)實驗實驗的進(jìn)實驗的進(jìn)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(yù)實驗v為提出設(shè)想流程而進(jìn)行的實驗。v內(nèi)容：針對可行性研究中提出的疑問或前面實驗發(fā)現(xiàn)的新問題來進(jìn)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(xué)反應(yīng)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(rèn)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(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的特征？特征？影響反應(yīng)影響反應(yīng)速率的因速率的因素？素？如催化反應(yīng)如催化反應(yīng)的控制步驟的控制步驟等等目的：目標(biāo)明確、簡化實驗?zāi)康模耗繕?biāo)明確、簡化實驗4/19/2022整理課件7

3、預(yù)實驗的三種形式（1）認(rèn)識實驗（2）析因?qū)嶒灒?）驗證實驗4/19/2022整理課件8（1）認(rèn)識實驗v 認(rèn)識試驗是為了認(rèn)識過程研究對象的特征和初步規(guī)律而專門設(shè)計的試驗 。 方法：對比實驗如考察反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率的高低，如考察反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhì)條件改度，以及考察傳熱方式或傳質(zhì)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(rèn)識，要求研究者善于思考、分析問題。目的：獲得感性認(rèn)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?qū)嶒瀡 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(yīng)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(jìn)行試驗；B、分清可調(diào)和不可調(diào)因素，對不可調(diào)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(shù)結(jié)論或設(shè)想的技術(shù)措施，判別其是與非而專門設(shè)計的試驗。v采取一些簡易設(shè)備和簡便方法來進(jìn)行，采取一些簡易設(shè)備和簡便方法來進(jìn)行，要求研究者要善于運(yùn)用工程因素等效性的概念要求研究者要善于運(yùn)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(tǒng)實驗v

5、系統(tǒng)試驗是在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上迸行，它是有目的有計劃地對預(yù)試驗測定的定性結(jié)論或技術(shù)方案作系統(tǒng)考察并定量測取有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)。預(yù)試驗預(yù)試驗-概念設(shè)計；概念設(shè)計；系統(tǒng)試驗系統(tǒng)試驗-基礎(chǔ)設(shè)計。基礎(chǔ)設(shè)計。4/19/2022整理課件12包括：vA、實驗?zāi)康膙B、實驗方案vC、裝置設(shè)計和建立vD、實驗點的安排vE、獲得數(shù)據(jù)vF、數(shù)據(jù)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(jié)新產(chǎn)品？新技術(shù)新產(chǎn)品？新技術(shù)對老工藝改造？對老工藝改造？認(rèn)真操作、觀察現(xiàn)認(rèn)真操作、觀察現(xiàn)象、測數(shù)據(jù)、記錄象、測數(shù)據(jù)、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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)確，熱響應(yīng)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(xiàn)場測量，需要一定浸入長度，表盤所限精度差，熱響應(yīng)慢熱電偶低溫-20040高溫01700測溫范圍寬，響應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單、制作方便、讀數(shù)直觀、價格低廉缺點：易碎v彈簧管壓力表測量范圍大，讀數(shù)精確度較差。4/19/2022整理課件18三、流量測量v轉(zhuǎn)子流量計v皂膜流量計皂膜流量計v毛細(xì)管流量計毛細(xì)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(shù)概況1. 催化劑及性能指標(biāo)（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(nèi)容v催化劑開發(fā)包括了催化劑的設(shè)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(chǎn)和使用等各個工作段在內(nèi)。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(jīng)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(xì)考慮經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)備通過查閱文獻(xiàn)做以下幾項工作:1、待開發(fā)催化劑及其相關(guān)的工藝過程的歷史及其現(xiàn)狀2、課題的由來和意義3、技術(shù)路線的選擇4、技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性5、經(jīng)濟(jì)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(jié)果） （1）外觀（2）物理性質(zhì)（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(jié)劑；高溫處理為粘結(jié)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(diào)節(jié)反應(yīng)條待沉淀溶液與沉淀劑母體混合均勻，調(diào)節(jié)反應(yīng)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(jìn)行，得到均勻純凈固體。使沉淀進(jìn)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(jīng)干燥、焙燒和活化即可過剩溶液，再經(jīng)干燥、焙燒和活化即可v離子交換法離子交換法1、無機(jī)離

11、子交換劑制備（分子篩）、無機(jī)離子交換劑制備（分子篩）2、有機(jī)離子交換劑制備（離子交換樹脂）、有機(jī)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(yīng)動力學(xué)研究方法簡介（P86-92）4/19/2022整理課件32動力學(xué)研究的目的和作用目的：為研究的催化劑提供數(shù)學(xué)模型，使之能夠在較大的范圍內(nèi)更有把握地、更準(zhǔn)確地反映溫度、空速、壓力等參數(shù)對反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響規(guī)律。作用：為催化劑設(shè)計

12、以及催化劑反應(yīng)器的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。4/19/2022整理課件33多相催化機(jī)理v對于多相催化反應(yīng)，以化學(xué)物種與催化劑的接觸開始，需要經(jīng)歷一系列的物理和化學(xué)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(xué)變化步驟在內(nèi)的序列關(guān)系稱為機(jī)理。4/19/2022整理課件34動力學(xué)實驗方法動力學(xué)實驗內(nèi)容：主要是測取不同溫度和反應(yīng)動力學(xué)實驗內(nèi)容：主要是測取不同溫度和反應(yīng)物濃度條件下的反應(yīng)速率，由此確定反應(yīng)活化物濃度條件下的反應(yīng)速率，由此確定反應(yīng)活化能、反應(yīng)級數(shù)和頻率因子等動力學(xué)參數(shù)。能、反應(yīng)級數(shù)和頻率因子等動力學(xué)參數(shù)。測試方法：可以在間歇操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，測試方法：可以在間歇操作的反應(yīng)

13、器內(nèi)進(jìn)行，也可以在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。也可以在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。不論哪種方法，都不能直接測出反應(yīng)速率；不論哪種方法，都不能直接測出反應(yīng)速率；而必須通過測試數(shù)據(jù)計算方能求得。而必須通過測試數(shù)據(jù)計算方能求得。4/19/2022整理課件35反應(yīng)器1. 間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器2. 連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器 3. 脈沖式反應(yīng)器脈沖式反應(yīng)器4/19/2022整理課件361. 間歇反應(yīng)器v特點：反應(yīng)速率隨時間而相應(yīng)下降反應(yīng)速率隨時間而相應(yīng)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(yīng)器（續(xù)）v測定的數(shù)據(jù)：v適用的物料體系：時間與濃度的時間與濃度的關(guān)系（關(guān)系（tC）液相反應(yīng)系

14、統(tǒng)液相反應(yīng)系統(tǒng)慢反應(yīng)慢反應(yīng)4/19/2022整理課件381. 間歇反應(yīng)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(shù)據(jù)處理較為繁瑣，且準(zhǔn)確程數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，且準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)器v特點：v適用反應(yīng)體系：催化劑床層高度大于反催化劑床層高度大于反應(yīng)器內(nèi)徑應(yīng)器內(nèi)徑2倍以上。倍以上。催化劑裝填量大，反應(yīng)轉(zhuǎn)催化劑裝填量大，反應(yīng)轉(zhuǎn)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(yīng)快反應(yīng)床層各

15、個截床層各個截面上，反應(yīng)面上，反應(yīng)物的濃度不物的濃度不同，出口測同，出口測定的反應(yīng)的定的反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率反應(yīng)轉(zhuǎn)化率反應(yīng)的積分結(jié)果。的積分結(jié)果。4/19/2022整理課件41積分反應(yīng)器（續(xù)）v試驗數(shù)據(jù):v反應(yīng)速率：4/19/2022整理課件424/19/2022整理課件43優(yōu)點：v缺點：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對分析儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對分析儀器要求不高要求不高,試驗與工業(yè)生產(chǎn)過試驗與工業(yè)生產(chǎn)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(shù)據(jù)處理有一定難度，誤差數(shù)據(jù)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(yīng)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(jìn)料，控制很低的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。高空速進(jìn)料，控制很低的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。4/19/2022整理課件46微分反應(yīng)器v測定數(shù)據(jù)：v反應(yīng)速率：進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率4/19/2022整理課件47微分反應(yīng)器優(yōu)點：缺點：能直接給出反應(yīng)速率，數(shù)據(jù)處理簡單；催能直接給出反應(yīng)速率，數(shù)據(jù)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(nèi)出現(xiàn)溝流，則對反應(yīng)過催化劑床層內(nèi)出現(xiàn)溝流，則對反應(yīng)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(yīng)

17、器v特點：理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器特點？特點？能直接測出反應(yīng)速率；無配能直接測出反應(yīng)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(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率之差，測試進(jìn)、出口轉(zhuǎn)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(yīng)器v測定數(shù)據(jù)：v反應(yīng)速率：進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率進(jìn)出口轉(zhuǎn)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(yīng)器v簡稱“微反”。是用一臺氣相色譜儀與一個微型管式反應(yīng)器串聯(lián)。4/19/2022整理課件544/19/2022整理課件55動力學(xué)實驗的流程和方法v流程與方法 動力學(xué)實驗與催化劑評價實驗在設(shè)

18、備、裝置和動力學(xué)實驗與催化劑評價實驗在設(shè)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(xué)實驗則不改變催化劑而不改變條件，做動力學(xué)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(xué) 只有在排除了內(nèi)外擴(kuò)散因素影響的前提只有在排除了內(nèi)外擴(kuò)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(xué)。催化劑的本征動力學(xué)。機(jī)理、數(shù)機(jī)理、數(shù)模模宏觀宏觀工業(yè)生產(chǎn)實際工業(yè)生產(chǎn)實際4/19/2022整理課件57第五節(jié) 標(biāo)準(zhǔn)樣品及分析方法v一、標(biāo)準(zhǔn)樣品v二、分析方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)4

19、/19/2022整理課件58一、標(biāo)準(zhǔn)樣品v購買v自制v標(biāo)準(zhǔn)樣品提純的方法：意義：定性研意義：定性研究反應(yīng)過程、究反應(yīng)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(jié)晶、色譜（閃精餾、結(jié)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(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)v產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：v是具體產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到的規(guī)格指是具體產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到的規(guī)格指標(biāo)，而這種規(guī)格指標(biāo)又是按一標(biāo)，而這種規(guī)格指標(biāo)又是按一定分析方法制定的。定分析方法制定的。產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)由開發(fā)單位提產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)由開發(fā)單位提出，完善認(rèn)定后形成企業(yè)、出，完善認(rèn)定后形成企業(yè)、部門、國家標(biāo)準(zhǔn)。部門、國家標(biāo)準(zhǔn)。已有產(chǎn)品可收集權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)如已有產(chǎn)品可收集權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)如美國美國ASTM、德國、德國DIN4/19/202