化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)室工作

第三章化工過程開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室工作2/2/20231第二章回顧選題市場(chǎng)需求調(diào)研所需資料立項(xiàng)來源3種原則4點(diǎn)定性定量專門外圍一元線性回歸2/2/20232主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)測(cè)量技術(shù)第三節(jié)催化劑研究第四節(jié)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法簡(jiǎn)介第五節(jié)標(biāo)準(zhǔn)樣品及分析方法第六節(jié)化工單元過程和化工單元操作試驗(yàn)2/2/20233第一節(jié)概述（參考P37-46）一、實(shí)驗(yàn)分類預(yù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展和目的的不同實(shí)驗(yàn)＝試驗(yàn)？2/2/202341.預(yù)實(shí)驗(yàn)為提出設(shè)想流程而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容：針對(duì)可行性研究中提出的疑問或前面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的新問題來進(jìn)行研究。特點(diǎn)：無全面規(guī)劃、定性或半定量的實(shí)驗(yàn)要求：研究者必須建立明確的思路。如對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的研究，從三個(gè)方面建立思路：2/2/20235（1）從認(rèn)識(shí)對(duì)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)的特征？影響反應(yīng)速率的因素？如催化反應(yīng)的控制步驟等目的：目標(biāo)明確、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)2/2/20236預(yù)實(shí)驗(yàn)的三種形式（1）認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)（2）析因?qū)嶒?yàn)（3）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)2/2/20237（1）認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)試驗(yàn)是為了認(rèn)識(shí)過程研究對(duì)象的特征和初步規(guī)律而專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)。方法：對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)過程影響的敏感程度，以及考察傳熱方式或傳質(zhì)條件改變對(duì)過程的影響等。目的：獲得感性認(rèn)識(shí)，要求研究者善于思考、分析問題。2/2/20238（2）析因?qū)嶒?yàn)析因試驗(yàn)是為了弄清實(shí)驗(yàn)的各種影響因素而專門組織的試驗(yàn)。應(yīng)注意以下法則：A、注意工程因素的等效性，不必對(duì)所有的因素都逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)；B、分清可調(diào)和不可調(diào)因素，對(duì)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(duì)非敏感因素，一般也不作重點(diǎn)考察直接工程非常規(guī)2/2/20239（3）驗(yàn)證（鑒別）實(shí)驗(yàn)針對(duì)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(jì)的試驗(yàn)。采取一些簡(jiǎn)易設(shè)備和簡(jiǎn)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來合理簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程。2/2/2023102、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)是在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上迸行，它是有目的有計(jì)劃地對(duì)預(yù)試驗(yàn)測(cè)定的定性結(jié)論或技術(shù)方案作系統(tǒng)考察．并定量測(cè)取有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。預(yù)試驗(yàn)-------概念設(shè)計(jì)；系統(tǒng)試驗(yàn)-----基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。2/2/202311包括：A、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腂、實(shí)驗(yàn)方案C、裝置設(shè)計(jì)和建立D、實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的安排E、獲得數(shù)據(jù)F、數(shù)據(jù)處理2/2/202312二、實(shí)驗(yàn)工作程序基本程序：規(guī)劃---實(shí)驗(yàn)及記錄---分析整理---報(bào)告1.擬定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃2.實(shí)驗(yàn)過程3.總結(jié)新產(chǎn)品？新技術(shù)對(duì)老工藝改造？認(rèn)真操作、觀察現(xiàn)象、測(cè)數(shù)據(jù)、記錄成果、不足2/2/202313第二節(jié)測(cè)量技術(shù)一、溫度測(cè)量二、壓力測(cè)量三、流量測(cè)量2/2/202314一、溫度測(cè)量常用的測(cè)溫元件？玻璃液柱雙金屬熱電偶2/2/202315名稱測(cè)溫范圍℃優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)玻璃液柱溫度計(jì)酒精-80～30水銀-10～300直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，價(jià)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(jì)低溫型-80～80高溫型0～500直觀，堅(jiān)固耐用，無汞危險(xiǎn)性，價(jià)格低廉僅用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，需要一定浸入長(zhǎng)度，表盤所限精度差，熱響應(yīng)慢熱電偶低溫-200～40高溫0～1700測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)快安裝靈活需顯示儀表測(cè)溫元件特點(diǎn)2/2/202316二、壓力測(cè)量U型管液柱壓差計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：易碎彈簧管壓力表測(cè)量范圍大，讀數(shù)精確度較差。2/2/202317三、流量測(cè)量轉(zhuǎn)子流量計(jì)皂膜流量計(jì)毛細(xì)管流量計(jì)2/2/202318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2/2/2023192.催化劑開發(fā)內(nèi)容催化劑開發(fā)包括了催化劑的設(shè)計(jì)、制備、測(cè)試、評(píng)價(jià)等各方面多專業(yè)的工作，也包括了實(shí)驗(yàn)室研究（小試）、中試以及大廠生產(chǎn)和使用等各個(gè)工作段在內(nèi)。是一個(gè)龐大的工作體系。一般來講，即使局部更新一個(gè)已經(jīng)工業(yè)化的催化劑也需要3－5年的時(shí)間，而且需要耗費(fèi)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。2/2/2023203.催化劑開發(fā)中的實(shí)驗(yàn)室工作實(shí)驗(yàn)室工作包括幾個(gè)部分：（1）資料準(zhǔn)備（2）催化劑參考樣品的剖析（3）配方篩選2/2/202321資料準(zhǔn)備通過查閱文獻(xiàn)做以下幾項(xiàng)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2/2/202322樣品剖析ICI46-1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(cè)定2/2/202323（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(cè)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:高嶺土、氧化鋁、氧化鎂為載體；氧化鈣為助劑；鎳為活性組分；鋁酸鈣水泥為粘結(jié)劑；高溫處理2/2/202324二、催化劑制備方法沉淀1.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分沉淀物2.多組分共沉淀法

將催化劑所需的兩種或兩種以上組分同時(shí)沉淀的一種方法3.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)條件（溫度、PH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。2/2/202325浸漬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，而后除去過剩溶液，再經(jīng)干燥、焙燒和活化即可離子交換法1、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）2/2/202326共混法2/2/2023272/2/202328三、催化劑評(píng)價(jià)方法微反—檢測(cè)2/2/202329微反活性測(cè)試裝置

2/2/202330第四節(jié)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法簡(jiǎn)介

（P86-92）2/2/202331動(dòng)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(duì)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(jì)以及催化劑反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。2/2/202332多相催化機(jī)理對(duì)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。2/2/202333動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：主要是測(cè)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)活化能、反應(yīng)級(jí)數(shù)和頻率因子等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。測(cè)試方法：可以在間歇操作的反應(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(cè)出反應(yīng)速率；而必須通過測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算方能求得。2/2/202334反應(yīng)器1.間歇反應(yīng)器2.連續(xù)反應(yīng)器3.脈沖式反應(yīng)器2/2/2023351.間歇反應(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)速率隨時(shí)間而相應(yīng)下降溫度、濃度均勻2/2/2023361.間歇反應(yīng)器（續(xù)）測(cè)定的數(shù)據(jù)：適用的物料體系：時(shí)間與濃度的關(guān)系（t～C）液相反應(yīng)系統(tǒng)慢反應(yīng)2/2/2023371.間歇反應(yīng)器（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，測(cè)試所消耗的物料量很少。數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，且準(zhǔn)確程度較差。圖解微分積分How？2/2/2023382.連續(xù)反應(yīng)器積分微分無梯度催化劑裝填量2/2/202339積分反應(yīng)器特點(diǎn)：適用反應(yīng)體系：催化劑床層高度大于反應(yīng)器內(nèi)徑2倍以上。催化劑裝填量大，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較大；一般x＞25%連續(xù)多相催化快反應(yīng)床層各個(gè)截面上，反應(yīng)物的濃度不同，出口測(cè)定的反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率反應(yīng)的積分結(jié)果。2/2/202340積分反應(yīng)器（續(xù)）試驗(yàn)數(shù)據(jù):反應(yīng)速率：2/2/2023412/2/202342優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)分析儀器要求不高,試驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)過程相近不易恒溫，存在溫度梯度。數(shù)據(jù)處理有一定難度，誤差較大2/2/2023432/2/202344微分反應(yīng)器特點(diǎn)：催化劑的填充量少（常在1g以下）高空速進(jìn)料，控制很低的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。2/2/202345微分反應(yīng)器測(cè)定數(shù)據(jù)：反應(yīng)速率：進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率2/2/202346微分反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：能直接給出反應(yīng)速率，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單；催化劑床層容易維持等溫分析的精度要求高，配料困難。如果催化劑床層內(nèi)出現(xiàn)溝流，則對(duì)反應(yīng)過程的影響很大。怎樣配料？2/2/2023472/2/202348無梯度反應(yīng)器特點(diǎn)：理想混合反應(yīng)器特點(diǎn)？能直接測(cè)出反應(yīng)速率；無配料的困難；無需控制很小的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率之差，測(cè)試手段也容易解決。2/2/202349無梯度反應(yīng)器測(cè)定數(shù)據(jù)：反應(yīng)速率：進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率2/2/2023502/2/2023512/2/202352脈沖反應(yīng)器簡(jiǎn)稱“微反”。是用一臺(tái)氣相色譜儀與一個(gè)微型管式反應(yīng)器串聯(lián)。2/2/2023532/2/202354動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的流程和方法

流程與方法

動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與催化劑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在設(shè)備、裝置和流程一般是基本相同的，但做評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變催化劑而不改變條件，做動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)則不改變催化劑2/2/202355本征、宏觀動(dòng)力學(xué)

只有在排除了內(nèi)外擴(kuò)散因素影響的前提下，才能評(píng)價(jià)催化劑的本征活性和研究催化劑的本征動(dòng)力學(xué)。機(jī)理、數(shù)模宏觀—工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際2/2/202356第五節(jié)標(biāo)準(zhǔn)樣品及分析方法一、標(biāo)準(zhǔn)樣品二、分析方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)2/2/202357一、標(biāo)準(zhǔn)樣品購(gòu)買自制標(biāo)準(zhǔn)樣品提純的方法：意義：定性研究反應(yīng)過程、定量計(jì)算、各種評(píng)價(jià)分析純、色譜純合成、表征精餾、結(jié)晶、色譜（閃柱色譜和薄層色譜）2/2/202358二、分析方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：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)又是按一定分析方法制定的。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)、部門、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。已有產(chǎn)品可收集權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)如美國(guó)ASTM、德國(guó)DIN2/2/202359分析方法：首先要準(zhǔn)確，還要快速、簡(jiǎn)單、實(shí)用（氣譜、液譜、紫外）。包括產(chǎn)品、中間體2/2/202360第六節(jié)化工單元過程和化工單元操作試驗(yàn)

意義：對(duì)認(rèn)識(shí)過程規(guī)律、設(shè)備選型，能提出最直接的依據(jù)。反應(yīng)過程與分離新技術(shù)2/2/202361MTBE催化精餾技術(shù)的開發(fā)工藝概況：C4餾分中的異丁烯與甲醇反應(yīng)生成甲基叔丁基醚。可以實(shí)現(xiàn)C4中正丁烯與異丁烯的分離2/2/202362反應(yīng)、精餾分別