实验3乙醇气相脱水制乙烯宏观反应速率的测定题库

验三简易内循环无梯度反应（乙醇气相脱水制乙烯宏观反应速率的测定）

验目的

．巩固所学有关反应动力学方面的知识。

．掌握测取宏观反应动力学数据的手段和方法。

．学会实验数据的处理方法，并能根据动力学方程求出相关的动力学参数值。

．了解内循环式无梯度反应器的特点及其使用方法。

验原理

反学动力学描述了化学反应速率与各种因素如浓度、温度、压力、催化剂等之间的定量关系。动力学在反应过程开发和反应器设计过要的作用。它也是反应工程学科的重要组成部分。

气固相催化反应是一个多步骤的反应，它包括以下七个步骤：

．反应物分子由气流主体向催化剂的外表面扩散（外扩散）；

．反应物分子由催化剂外表面向催化剂微孔内表面扩散（内扩散）；

．反应物分子在催化剂微孔内表面上被吸附（表面吸附）；

．吸附的反应物分子在催化剂的表面上发生化学反应，转化成产物分子（表面反应）；

．产物分子从催化剂的内表面上脱附下来（表面脱附）；

．脱附下来的产物分子从微孔内表面向催化剂外表面扩散（内扩散）；

．产物分子从催化剂的外表面向气流主体扩散。

这七个步骤可分为物理过程和化学过程。其中步骤1、2、6、7为物理扩散过程，步骤3、4、5为化学过程。在化学过程中，步骤3、为化学吸附和化学脱附过程，步骤4为表面化学反应过程。整个反应的总速率取决于这7个步骤中阻力最大的一步，该步骤称为反步骤。如果步骤1或7为控制步骤，称反应为外扩散控制反应；如果步骤2或6为控制步骤，称反应为内扩散控制反应；如果步骤任何一步为控制步骤，称反应过程为反应控制或动力学控制。在考虑以上所有步骤的影响的反应速率为为宏观反应速率，在消除了括热量传递和质量传递）的影响的理想情况下，测得的化学反应的反应速率为相应反应的本征反应速率。

在实际反应过程中，由于固体催化剂一般都具有很大的内表面，反应物质通过扩散达到催化剂内部的不同深度进行反应，因而导致常梯度和温度梯度，而这个浓度梯度和温度梯度对催化反应影响一般很大，因此需要了解催化剂颗粒内表面的浓度和温度梯度，即内

速率的影响。在消除外扩散的影响的条件下，测出宏观反应速率，再和本征反应速率比较，即可得出内扩散对总反应速率的影响。内循环无梯度反应器来测定内扩散对总反应速率的影响。

图3-18-1为实验室用内循环无梯度反应器的示意图。该反应器中催化剂固定不动，采用涡轮搅拌器实现反应气体在反应器内循环流只有少量的反应气从进口加入补充和少量的反应气从出口离开反应器，而有由大量气体在反应器进、出口处循环流动，并和补充的通过催化剂床层。当循环气流量和原料气流量之比足够大时，反应气体的组成在催化剂床层进出口处变化甚微，此时反应器内就不，即可以用反应物出口浓度计算反应速率。同时通过合理设计反应器的温度保温与控制系统，很容易实现反应器中温度无梯度。这应气体中浓度和温度梯度。

图3-18-1 无梯度反应器示意图

设反应气进口流量为q V0，反应原料A浓度为c A0；反应气出口流量为q V1，反应原料A浓度为c A1，循环气体的流量为q c，反应器进口处循环气刚混合时反应原料A的浓度为c Ai，则有：

q V0c A0＋q c c A1= (q V0＋q c) c Ai (3比R c＝q c / q V0，上式可变换为：

(3很大时，c Ai= c A1，此时反应器内原料浓度处处相等。一般来说当R c>25时，无梯度反应器实质上是全混流反应器，反应速率可以简单

(3-1式中，V R为催化剂床层的体积。当反应过程中气体体积无变化时，上式可写为：

(3因而，在某一反应条件下，只要测得进、出气体的流量和进、出口气体原料的浓度，就可以反应在该条件下的宏观反应速率。按

参数的实验设计方法设计并进行实验，测得在不同反应温度和浓度条件下的宏观反应速率，通过计算便可求得宏观动力学方程。

本实验是测定乙醇脱水是制备纯净乙烯的宏观动力学方程。所用催化剂，该催化剂的优点是乙烯收率高，反应温度较低（约300°C 乙醇脱水属于平行反应，既可以进行分子内脱水生成乙烯，又可以进行分子间脱水生成乙醚。一般而言，较高的温度有得于生成乙烯温度有利于生成乙醚。因此，对于乙醇脱水这样一个复合反应，随着反应条件的变化，脱水过程的机理也会有所不同。借鉴前人在工作，将乙醇在分子筛催化剂作用下的脱水过程描述成：

2C2H5OH®C2H5OC2H5+H2O

C2H5OH®C2H4+H2O

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三、实验装置与流程

图3-18-2为实验流程示意图。

原料乙醇经微量进料泵1计量后，进入汽化器2汽化，然后通过六通阀3进入无梯度反应器5，反应气体离冷凝器7冷凝后放空。通过旋转六通阀3或4向气相色谱仪6进样后，分析出反应器进口和出口的气体的组成。

四、实验步骤

开始实验之前，需熟悉流程中所有设备、仪器、仪表的性能及使用方法。然后才可按实验步骤进行实验。

1．在反应器中加入3.0g粒度为60~80目的分子筛催化剂。

2．打开H2钢瓶高速色谱仪的柱前压力至0.05MPa。确认色谱检测器有载气通过反启动色谱仪。调整柱温到定后，打开热导池的开关，并调整桥电流至150mA。

3．在色谱仪升温的同时，打开阀恒温箱和管路加热器开关，使之升温到110℃。

由于脱氢反应为一级反应，则生成乙烯的反应速率的常数k可能通过下式求出：

k=r/c A

根据阿累尼乌斯方程k=k0exp(－E/RT)，将1nk对1/T作图，即可求出k0和E。

在低温有乙醚生成的情况下，参照上述计算过程，求出乙醇的消耗速率常数和相应的活化能。在此，同样

六、思考题

1．用无梯反应测定化学反应动力学的优、缺点是什么？

2．要想证明测定的是本征动力学数据，还需要补充哪些验内容？

3．分另画出温度和乙醇进料速率与乙醇收率的关系曲线，并对这两类曲线所反映出的规律作出解释。

参考文献

1．刘光永主编. 化工开发实验技术. 天津：天津大学出版社，1994

2．房鼎业，乐清华，李福清主编. 化学工程与工艺专业实验. 北京：化学工业出版社，2000

3. 朱炳辰主编. 化学反应工程. 北京：化学工业出版社，2001

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