实验报告

课程名称：  化工专业实验        指导老师：     王晓钟          成绩：__________________

实验名称： 乙苯脱氢制苯乙烯    实验类型：         同组学生姓名：                      

一、实验目的和要求（必填）                         二、实验内容和原理（必填）

三、实验材料与试剂（必填）              四、实验器材与仪器（必填）                 

五、操作方法和实验步骤（必填）          六、实验数据记录和处理          

七、实验结果与分析（必填）              八、讨论、心得

一、实验目的

    1．了解以乙苯为原料，氧化铁为催化剂，在固定床单管反应器种制备苯乙烯的过程;

2．学会使用化学工艺类实验中温度控制和流量控制的仪表、仪器;

3．学会稳定工艺操作条件的方法。

二、实验原理

1．本实验的主副反应

主反应：

          －CH2－CH3        _—CH=CH2 + H2    117.8KJ/mol

副反应：

          －C2H5         ＋C2H4                105KJ/mol

          －C2H5+H2         ＋C2H6             -31.5KJ/mol

          －C2H5+H2         －CH3＋CH4        -54.4KJ/mol

在水蒸气存在的条件下，还可能发生下列反应：

          －C2H5+2H2O         －CH3＋CO2+3H2 

此外还有芳烃缩合及苯乙烯聚合生成焦油和焦等。这些连串副反应的发生不仅使反应选择性下降，而且极易使催化剂表面结焦进而活性下降。

    2．影响本反应的因素

    1）温度的影响

    乙苯脱氢反应为吸热反应，，从平衡常数与温度的关系式可知，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，故应控制适宜的反应温度。本实验的反应温度为：540~600℃。

2）压力的影响

乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式可知，当时，降低总压P总可使Kn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。本实验加水蒸气的目的使降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。较适宜的水蒸气用量为：水：乙苯=1.5：1（体积比）或8：1（摩尔比）。

    3）空速的影响

    乙苯脱氢反应系统中有平衡副反应和连串副反应，随着接触时间的增加，副反应也增加，苯乙烯的选择性可能下降，适宜的空速与催化剂的活性及反应温度有关，本实验乙苯的液空速以0.6/h为宜。

3．  催化剂

本实验采用氧化铁系催化剂。其组成为：Fe2O3－CuO－K2O－Cr2O3－CeO2。

三、实验装置及流程

1-水计量管；2-乙苯计量管；3、4-进料泵； 5-汽化室；6-反应室；7-冷凝室；

8-集液罐；9-H2流量计；10-N2流量计；11-湿式气体流量计；12-N2压力表。

图1   乙苯脱氢制备苯乙烯实验工艺流程图

四．实验步骤与方法

（1）   反应条件控制：

汽化温度300℃，脱氢反应温度540和580℃，水：乙苯=1.5：1（体积比），相当于乙苯加料0.5毫升/分钟，蒸馏水0.75毫升/分钟。

（2）   操作步骤

1）  了解并熟悉实验装置及流程，搞清物料走向及加料、出料方法。

2）  将气化室温度控制设定在300℃，反应器温度控制设定为540℃

3）  系统通氮气20l/h，打开气化室加热开关，并打开冷却水开关。

4）  打开反应器加热开关。

5）  当反应器温度到达400℃，开始加入蒸馏水，控制流量为0.75毫升/分钟，并改变氮气流量为10l/h。

6）  当反应器温度稳定在540℃，停止通入氮气，开始加入乙苯，控制流量为0.50毫升/分钟。

7）  记录乙苯加料管内起始体积，并将积液灌放空。

8）  反应50分钟后停止进料改通氮气流量为10l/h。

9）记录原料加入体积。

10）将粗产品取出后静置分层，用分液漏斗分去水层，称出烃层质量。

11）取少量样品进行气相色谱分析并计算出各组分的百分含量。

12）改变反应器温度为580℃后再加入乙苯，重复8~11，测得有关数据。

13）反应结束后，维持温度为500℃持续通入水蒸气，进行催化剂的清焦再生，半小时后停止加水，通入氮气并使反应器降温，至300℃以下时，可切断电源和冷却水，停通氮气。

五．实验数据记录及处理

1）原始记录

2）粗产品分析结果

3)计算结果

乙苯的转化率：  

540℃下，

580℃下，

苯乙烯的选择性：

   540℃下，

   580℃下，

苯乙烯的收率：  

540℃下，Y=α·S×100%=0.449×0.507×100%=22.8%

580℃下，Y=α·S×100%=0.641×0.585×100%=37.5%

    注：—298K下标准热焓，KJ/mol；

KP，Kn—平衡常数；

ni—i组分的摩尔分数；

P总—压力，Pa；

R—气体常数；

T—温度，K；

—反应前后摩尔数变化；

—原料的转化率%；

S—目的产物的选择性%；

Y—目的产物的收率；

RF—原料消耗量，g；

FF—原料加入量，g；

P—目的产物的量，g。

六．结果与讨论

由实验计算结果可以知道，在较高温度下乙苯制苯乙烯的反应在转化率上有一定提高，而且在选择性上也有一定，说明这个反应在高温下更加有利，这与理论相符合。

实验转化率很低，可能是由于水未完全汽化，导致部分催化剂失效或流失，或催化剂使用时间过长，部分已失效。

七、思考题

1、该反应是吸热还是放热，如何判断？如果是吸热，则升高温度对反应是否有利？是不是越高越好？

答：因为温度升高后乙苯的转化率和苯乙烯的收率均变大，该反应吸热；从热力学角度上来看，温度越高越好，但不能超过催化剂的适用温度，而且反应温度越高，就需要消耗更多能源，导致费用增大。

2、对本反应而言，体积增大还是减小？加压对反应有利吗？为什么要加入蒸馏水？可以用自来水吗？

答？反应压力  对于给定的反应温度和水比，乙苯的转化率随着反应压力的降低而显著增加。体积增大后，反应压强减小，对反应有利。

加压对反应不利，苯乙烯是容易聚合的物质。反应压力高，将有利于苯乙烯自聚，生成对装置正常运转十分不利的聚合物，它会造成管道、设备的堵塞。

加入水蒸汽可以较少乙苯分压，达到类似于降低反应压力的效果；水蒸汽可与催化剂上生成的碳发生反应，起到减少催化剂表面结焦的作用；水蒸汽还可防止催化剂的活性组份还原为金属，有利于延长催化剂寿命。

不能用自来水，自来水中含有微量金属离子和氯离子，会使催化剂中毒失效。

 

第二篇：浙江大学化工原理(过程工程与控制乙)实验报告 精馏实验

实验报告

课程名称：过程工程原理实验（乙）            指导老师：xx       成绩：__________________

实验名称：筛板塔精馏操作及效率测定    实验类型：工程实验   同组学生姓名：xx

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）                                          四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理                                              六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

筛板塔精馏操作及效率测定

1实验目的

 1.1 了解板式塔的结构和流程，并掌握其操作方法；

1.2 测定筛板塔在全回流和部分回流时的全塔效率。

2 实验装置

 2.1 精馏塔装置由塔釜、塔体、全凝器、加料系统、回流系统、贮槽（原料、产品、釜液）以及测量、控制仪表等组成。装置流程如图1所示。

2.2 装置规格介绍：筛板精馏塔内径68mm，共7块塔板，其中精馏段5块，提馏段2块；精馏段塔板间距150mm，提馏段塔板间距180mm；筛孔孔径1.5m，正三角形排列，孔间距4.5mm，开孔数104个。装置采用电加热，塔釜内有3支额定功率为3kW的螺旋管加热器。

3 实验原理

 3.1在板式精馏塔中，偏离平衡的汽液两相在塔板上进行传质、传热，当离开该板的汽、液两相组成平衡、温度相同时，则此板称为理论板。

实际操作中，由于塔板上的汽、液两相接触时间有限及相间返混等因素影响，使汽、液两相尚未达到平衡即离开塔板。即一块实际塔板的分离效果达不到一块理论板的作用，因此精馏塔所需的实际板数比理论板数多。

 3.2 全回流操作时的全塔效率ET的测定

全塔效率（总板效率）ET

                                                                     （1）式中：—为完成一定分离任务所需的理论板数，包括蒸馏釜；

      —为完成一定分离任务所需的实际板数，本装置=7块。

在全回流操作中，操作线在x-y图上为对角线。根据实验中所测定的塔顶组成xD、塔底组成xW（均为摩尔百分数）在操作线和平衡线间作梯级，即可得到理论板数。

 

图1.实验装置图

3.3 部分回流时全塔效率ET’的测定

  3.3.1 精馏段操作线方程为：

                                         （2）

式中：R—回流比；

      xD—塔顶产品的组成，摩尔百分数。

    实验中回流量由回流转自流量计测量，但由于实验操作中一般作冷液回流，所以实际操作回流量应作如下修正：

                                                            （3）

式中：L0—回流转子流量计上的读数值，ml/min；

      L—实际回流量，ml/min；

tD—塔顶液相温度，℃；

tR—回流液温度，℃；

CpD——塔顶回流液在平均温度下的比热，kJ/kg·K；

rD——塔顶回流液组成下的汽化潜热，kJ/kg 。

产品量D可由产品转子流量计测量。由于产品量D与回流量L的组成和温度相同，故回流比R可直接用两者的比值来得到。

                                                                 （4）

式中：D—产品转子流量计上的读数值，ml/min 。

实验中根据塔顶取样可得塔顶组成xD，并测量回流和产品转子流量计读数L0和D以及回流温度tR和

塔顶液相温度tD，再查附表可得CPD、rD，代入即可以得到精馏段操作线方程。

  3.3.2 进料q线方程为：

                                                                  （5）

式中：q—进料的液相分率；

      xF—进料液的组成，摩尔百分数；

且：                                 （6）

式中：ts—进料液的泡点温度，℃；

      tF—进料液的温度，℃；

      CpF—进料液在平均温度下的比热，kJ/kg·K；

      rF—进料液组成下的汽化潜热，kJ/kg 。

实验中根据进料液取样可得到xF，并测量其进料温度tF，再查附表得到ts、tF、CpF，代入就可以得到q，进而得到q线方程。

3.3.3 理论板数的求取

根据上述得到的精馏段操作线方程和q线方程，以及测量得到的塔顶组成xD、塔底组成xW和进料组成xF，就可以在x-y图上作出精馏段操作线、q线和提馏段操作线，然后用x-y图解法即可得到理论板数NT，代入(1)式即可得到全塔效率ET。

4 实验步骤

 4.1 全回流操作：关闭进、出料阀门，全开冷凝器顶部排气阀，稍开冷凝冷却水阀门，将回流和产品流量计开为最大。待灵敏板温度稳定后，分别取塔顶液和塔釜液两个样品，并读取回流液流量，再分别读取各个温度计温度读数。用比重法测定塔顶液和塔釜液的组成度。

 4.2 部分回流操作：打开进料阀门，调节转子流量计读数为200ml/min左右，调节产品转子流量计，使回流比保持在3~5。通过对釜液转子流量计得调整，使塔釜液位计的液位保持恒定。等待釜液液面恒定以及灵敏板温度逐渐稳定后，记录温度计的温度，记录进料、馏出液、釜液流量计读数，测定组成。

 4.3 实验结束：先关闭进料、产品和釜液得流量调节阀，再将调压器旋钮调至零位，关总电源开关切断电源，等待酒精蒸气完全冷凝后，再关闭冷却水，并做好整洁工作。

5 实验数据处理

 5.1 原始数据记录表

5.2 数据处理

 5.2.1 全回流操作塔板数，如图2

由图可知：所需理论板数为6.4

所以全塔效率为：

                        

5.2.2部分回流时全塔效率ET′

5.2.2.1  精馏段操作线方程

平均温度，乙醇质量分数：90%，查表得： kJ/kg·K ，  kJ/kg

                  

                            图2. 全回流时理论塔板数计算

5.2.2.2  q 线方程：同理可得：

                    

根据精馏段操作线方程和q 线方程，以及取样得到的馏出液组成xD，塔釜组成x w和进料液组成

x F，在x-y图中用图解法即可得到理论塔板数NT，见图3 ：

 图3. 部分回流时理论塔板数计算

    由图可知，NT=5.5

6 实验分析及讨论

 6.1 在进行部分回流实验时，由于没有控制好回流比在3~5之间，导致实验结果出现很大的偏差，所以在时间允许的条件下，本小组重新进行实验，才得到比较理想的结果。这告诉我们实验前要充分预习实验得步骤和注意事项，掌握好实验条件的要求，才能将实验顺利完成。

 6.2 精馏是利用回流手段、经过多次平衡级过程，使物系实现高纯度分离的操作。二元连续精馏的简化计算前提为理论板假定和恒摩尔流假定，而实际上这两个假定并不严格成立，所以计算的结果会有一定误差。但是过程工程原理实验是工程实验，对精确度要求并不是特别高，所以工程上可以认为假定成立。

 6.3影响精馏操作稳定的因素是哪些？维持塔稳定操作应注意哪些操作？如何判断塔的操作已经达到稳定？

影响精馏操作稳定的因素有：回流比、进料状态、进料量、进料组成、进料温度、塔顶冷剂量、塔顶采出量、塔底采出量等。

为了维持塔操作的稳定，需要在操作中不断调节回流比，使之基本固定在3~5之间，并维持塔底采出量不变。

判断操作是否达到稳定的依据是灵敏板的温度是否稳定。

6.4 塔顶冷回流对塔内回流流量有何影响？如何校正？

塔顶冷回流时，回流液的温度与塔顶的蒸气之间有温差，将一部分热量传递给回流液后蒸气自身凝结成液体，即内回流的部分，从而增大了回流液的流量。

应作以下的校正 （实验原理部分已经阐明，此处不再重复）。

6.5 操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的。而进料状况则影响到提馏段传质推动力和再沸器的热负荷，本实验中并不涉及再沸器。

6.6 本实验用图解法求理论塔板数。具体做法为：做出精馏、提留以及进料操作线。分做过回流液浓度点点的垂线，与对角线交于a点，以塔釜液浓度点为b点。从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；所画的总阶梯数就是全塔所需的理论塔板数。另外也可用逐步计算的方法求得理论塔板数。

参考文献：《过程工程原理实验（乙）》 . 杭州：浙江大学化学工程实验室 . 2009.8.

          《化工原理下册》 . 何潮洪等 . 北京：科学出版社 . 2008.5.