计算机控制小型脱氢反应及分离实验
一、实验目的
1、了解以乙苯为原料在铁系催化剂上进行固定床制备苯乙烯的过程，学会设计实验流程和操作。
2、掌握乙苯脱氢操作条件对产物收率的影响，学会获取稳定的工艺条件之方法。 3、掌握催化剂的填装、活化、反应使用方法。 4、掌握色谱分析方法。
二、实验原理
1、本实验的主副反应
乙苯脱氢生成苯乙烯和氢气是一个可逆的强烈吸热反应，只有在催化剂存在的高温条件下才能提高产品收率，其反应如下：
主反应：C 6H 5C 2H 5 C 6H 5C 2H 3 + H2 副反应：C 6H 5C 2H 5 C 6H 6 + C2H 4
C 2H 4 + H2 C 2H 6
C 6H 5C 2H 5 + H2 C 6H 6+ C2H 6 C 6H 5C 2H 5 C 6H 5－CH 3+ CH4
此外，还有部分芳烃脱氢缩合、聚合物以及焦油和碳生成。 2、影响本实验的因素 （1）温度的影响
∆H 0⎛∂ln K P ⎫乙苯脱氢反应为吸热反应，△H >0，从平衡常数与温度的关系式可⎪=2
∂T RT ⎝⎭P
知，提高温度可增大平衡常数，从而提高脱氢反应的平衡转化率。但是温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，设备材质要求增加，故应控制适应的反应温度。 （2）压力的影响
⎡P 总⎤乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式K P =K n ⎥可知，当⎣∑ni ⎦
△γ>0时，降低总压P 总可使K n 增大, 从而增加了反应的平衡转化率, 故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。实验中加入惰性气体或减压条件下进行，通常均使用水蒸气作稀释剂，它可降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。水蒸气的加入还可向脱氢反应提供部分热量, 使反
∆γ
应温度比较稳定, 能使反应产物迅速脱离催化剂表面, 有利于反应向苯乙烯方向进行; 同时还可以有利于烧掉催化剂表面的积碳。但水蒸汽增大到一定程度后，转化率提高并不显著，因此适宜的用量为：水：乙苯＝1.2～2.6：1（质量比）。 （3）空速的影响
乙苯脱氢反应中的副反应和连串副反应，随着接触时间的增大而增大，产物苯乙烯的选择性会下降，催化剂的最佳活性与适宜的空速及反应温度有关，本实验乙苯的液空速以0.6～1h -1为宜。 （4）催化剂
乙苯脱氢技术的关键是选择催化剂。此反应的催化剂种类颇多，其中铁系催化剂是应用最广的一种。以氧化铁为主，添加铬、钾助催化剂，可使乙苯的转化率达到40％，选择性90％。在应用中，催化剂的形状对反应收率有很大影响。小粒径、低表面积、星形、十字形截面等异形催化剂有利于提高选择性。
为提高转化率和收率，对工业规模的反应器的结构要进行精心设计。实用效果较好的有等温和绝热反应器。实验室常用等温反应器，它以外部供热方式控制反应温度，催化剂床层高度不宜过长。
三、实验装置与试剂
1、实验装置及流程：
图1为装置流程图
反应物料由计量泵打入，经预热器预热，反应器反应，反应产物经泠凝器冷凝，气液分离器分离，气体由湿式流量计计量，液相进入到油水分离器将油相和水相分离。
图1. 乙苯脱氢与产物分离流程图
2、装置参数及试剂： 装置参数如表1所示
表1
主要试剂如表2所示
表2
四、实验步骤
1、按流程组装好装置，检查各接口，试漏（空气或氮气）。 2、检查电路是否连接妥当。
3、上述准备工作完成后，开始升温，预热器温度控制在300℃。待反应器温度达到400℃后，开始启动注水加料泵，同时调整流量（控制在30ml/h以内），温度升至500℃时，恒温活化催化剂3个小时，此后逐渐升温至550℃，启动乙苯加料泵。调节流量在水：乙苯＝2：1（体积比）范围内，并严格控制进料速度使之稳定。反应温度控制在550℃、575℃、600℃、625℃。考查不同温度下反应物的转化率与产品的收率。
4、每个反应条件下稳定30分钟后，取20分钟样品二次，取样时用分液漏斗分离水相，用注射器进样至色谱仪中测定其产物组成。分别称量油相及水相重量，以便进行物料恒算。 5、完毕后停止加乙苯原料，继续通水维持30～60分钟，以清除催化剂上的焦状物，使之再生后待用。 6、结束后关闭水、电。
五、数据处理
实验内容自行设计记录表格，记录实验数据：
1）原始记录 室温： 大气压：
色谱分析条件：柱温100℃，进样温度160℃，检测温度180℃，电流100mA.
2）分析结果
3）按下式处理数据
苯乙烯选择性=
生成的苯乙烯的摩尔数
⨯100%
反应转化了的乙苯的摩尔数
苯乙烯收率＝转化率x 选择性
4）以单位时间为基准进行计算。绘出转化率和收率随温度变化的曲线，并解释和分析实验结果。
五、思考与讨论
1. 本实验的影响因素有哪些？
2. 讨论每个因素对实验结果的影响规律。
计算机控制小型脱氢反应及分离实验
一、实验目的
1、了解以乙苯为原料在铁系催化剂上进行固定床制备苯乙烯的过程，学会设计实验流程和操作。
2、掌握乙苯脱氢操作条件对产物收率的影响，学会获取稳定的工艺条件之方法。 3、掌握催化剂的填装、活化、反应使用方法。 4、掌握色谱分析方法。
二、实验原理
1、本实验的主副反应
乙苯脱氢生成苯乙烯和氢气是一个可逆的强烈吸热反应，只有在催化剂存在的高温条件下才能提高产品收率，其反应如下：
主反应：C 6H 5C 2H 5 C 6H 5C 2H 3 + H2 副反应：C 6H 5C 2H 5 C 6H 6 + C2H 4
C 2H 4 + H2 C 2H 6
C 6H 5C 2H 5 + H2 C 6H 6+ C2H 6 C 6H 5C 2H 5 C 6H 5－CH 3+ CH4
此外，还有部分芳烃脱氢缩合、聚合物以及焦油和碳生成。 2、影响本实验的因素 （1）温度的影响
∆H 0⎛∂ln K P ⎫乙苯脱氢反应为吸热反应，△H >0，从平衡常数与温度的关系式可⎪=2
∂T RT ⎝⎭P
知，提高温度可增大平衡常数，从而提高脱氢反应的平衡转化率。但是温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，设备材质要求增加，故应控制适应的反应温度。 （2）压力的影响
⎡P 总⎤乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式K P =K n ⎥可知，当⎣∑ni ⎦
△γ>0时，降低总压P 总可使K n 增大, 从而增加了反应的平衡转化率, 故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。实验中加入惰性气体或减压条件下进行，通常均使用水蒸气作稀释剂，它可降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。水蒸气的加入还可向脱氢反应提供部分热量, 使反
∆γ
应温度比较稳定, 能使反应产物迅速脱离催化剂表面, 有利于反应向苯乙烯方向进行; 同时还可以有利于烧掉催化剂表面的积碳。但水蒸汽增大到一定程度后，转化率提高并不显著，因此适宜的用量为：水：乙苯＝1.2～2.6：1（质量比）。 （3）空速的影响
乙苯脱氢反应中的副反应和连串副反应，随着接触时间的增大而增大，产物苯乙烯的选择性会下降，催化剂的最佳活性与适宜的空速及反应温度有关，本实验乙苯的液空速以0.6～1h -1为宜。 （4）催化剂
乙苯脱氢技术的关键是选择催化剂。此反应的催化剂种类颇多，其中铁系催化剂是应用最广的一种。以氧化铁为主，添加铬、钾助催化剂，可使乙苯的转化率达到40％，选择性90％。在应用中，催化剂的形状对反应收率有很大影响。小粒径、低表面积、星形、十字形截面等异形催化剂有利于提高选择性。
为提高转化率和收率，对工业规模的反应器的结构要进行精心设计。实用效果较好的有等温和绝热反应器。实验室常用等温反应器，它以外部供热方式控制反应温度，催化剂床层高度不宜过长。
三、实验装置与试剂
1、实验装置及流程：
图1为装置流程图
反应物料由计量泵打入，经预热器预热，反应器反应，反应产物经泠凝器冷凝，气液分离器分离，气体由湿式流量计计量，液相进入到油水分离器将油相和水相分离。
图1. 乙苯脱氢与产物分离流程图
2、装置参数及试剂： 装置参数如表1所示
表1
主要试剂如表2所示
表2
四、实验步骤
1、按流程组装好装置，检查各接口，试漏（空气或氮气）。 2、检查电路是否连接妥当。
3、上述准备工作完成后，开始升温，预热器温度控制在300℃。待反应器温度达到400℃后，开始启动注水加料泵，同时调整流量（控制在30ml/h以内），温度升至500℃时，恒温活化催化剂3个小时，此后逐渐升温至550℃，启动乙苯加料泵。调节流量在水：乙苯＝2：1（体积比）范围内，并严格控制进料速度使之稳定。反应温度控制在550℃、575℃、600℃、625℃。考查不同温度下反应物的转化率与产品的收率。
4、每个反应条件下稳定30分钟后，取20分钟样品二次，取样时用分液漏斗分离水相，用注射器进样至色谱仪中测定其产物组成。分别称量油相及水相重量，以便进行物料恒算。 5、完毕后停止加乙苯原料，继续通水维持30～60分钟，以清除催化剂上的焦状物，使之再生后待用。 6、结束后关闭水、电。
五、数据处理
实验内容自行设计记录表格，记录实验数据：
1）原始记录 室温： 大气压：
色谱分析条件：柱温100℃，进样温度160℃，检测温度180℃，电流100mA.
2）分析结果
3）按下式处理数据
苯乙烯选择性=
生成的苯乙烯的摩尔数
⨯100%
反应转化了的乙苯的摩尔数
苯乙烯收率＝转化率x 选择性
4）以单位时间为基准进行计算。绘出转化率和收率随温度变化的曲线，并解释和分析实验结果。
五、思考与讨论
1. 本实验的影响因素有哪些？
2. 讨论每个因素对实验结果的影响规律。