实验3乙醇气相脱水制乙烯宏观反应速率的测定

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1、实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）一、实验目的1.巩固所学有关反应动力学方面的知识。2.掌握测取宏观反应动力学数据的手段和方法。3.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。4.了解内循环式无梯度反应器的特点及其使用方法。二、实验原理反学动力学描述了化学反应速率与各种因索如浓度、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程屮起着重要的作用。它也是反应工程学科的重要纽成部分。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：1.反应物分了由气流主体向催化剂的外表面扩散（外

2、扩散）；2.反应物分了由催化剂外表面向催化剂微孔内表面扩散（内扩散）；3.反应物分了在催化剂微孔内表面上被吸附（表面吸附）；4.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（表而反应）;5.产物分子从催化剂的内表面上脱附下来（表面脱附）；6.脱附下来的产物分子从微孔内表而向催化剂外表面扩散（内扩散）；7.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。其屮步骤1、2、6、7为物理扩散过程，步骤3、4、5为化学过程。在化学过程小，步骤3、步骤5分别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

3、取决于这7个步骤屮阻力最大的一步，该步骤称为反应的速率控制步骤。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3、4或5的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。在考虑以上所冇步骤的影响的反应速率为为宏观反应速率，在消除了传递过程（包括热屋传递和质虽传递）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木征反应速率。在实际反应过程屮，由于固体催化剂一般都具有很人的内表而，反应物质通过扩散达到催化剂内部的不同深度进行反应，因而导致常常具有浓度梯度和温度梯度，而这个浓度梯度和温

4、度梯度对催化反应影响一般很人，因此需要了解催化剂颗粒内表而的浓度和温度梯度，即内扩散对总反应速率的影响。在消除外扩散的影响的条件下，测出宏观反应速率,再和木征反应速率比较，即可得出内扩散对总反M速率的影响。目前一般采用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动。反应器中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、出口处循坏流动，并和补充的反应气混合后通过催化剂床层。当循环气流虽和原料气

5、流量Z比足够大时，反应气体的组成在催化剂床层进出口处变化英微，此时反应器内就不存在浓度梯度，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，很容易实现反应器屮温度无梯度。这样就消除了反应气体屮浓度和温度梯度。鬆化剂做H-图3-18-1无梯度反应器示意图设反应气进口流量为00,反应原料A浓度为Qo;反应气出口流量为0!,反应原料A浓度为Q!,循环气体的流最为G，反应器进口处进口气和信循环气刚混合时反应原料A的浓度为CAi,则有：Go6o+g：Cai二（So+g）Cm（3-18-1）令循环比Rc=qjGo,上式可变换为：(3-1

6、8-2)当他很大时，久二加，此时反应器内原料浓度处处相等。一般來说当肚＞25吋，无梯度反应器实质上是全混流反应器，反应速率可以简单的求得:=■:心（3-18-3）式中，％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：（3-18-4）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。按照测定动力学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，通过计算便口J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

7、点是乙烯收率高，反应温度较低（约300°C）o乙醇脱水属于平行反应，既可以进行分子内脱水住成乙烯，乂可以进行分子间脱水牛成乙瞇。一般而言，较高的温度有得于牛成乙烯，而较低的温度有利于牛成乙瞇。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。借鉴前人在这方面所做的工作，将乙醇在分子筛催化剂作用卜-的脱水过程描述成：2C2H50H®C2H50C2H5+H20C2H50H®C2H4+H2O)你的位置：第三章实验部分-〉实验十八乙醉气相脱水制乙烯宏观反应速率的测定(2/2)三、实验装置与流程图3-18-2为实验流程示意图。原料

8、乙醇经微量进料泵1计量示，进入汽化器2汽化，然示通过六通阀3进入无