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化工专业实验报告
实验名称：乙醇气相脱水制乙烯动力学实验学院：化学工程学院
专业：化学工程与工艺
班级：化工095班
姓名：何小龙
学号：09402010541
指导教师：杨春风
日期：2012年3月22日
一.实验目的
1. 巩固所学有关反应动力学方面的知识；
2. 掌握获得反应动力学数据的手段和方法；
3. 学会动力学数据的处理方法，根据动力学方程求出相应的参数值；
4. 熟悉内循环式无剃度反应器的特点及其它有关设备的使用方法，提高实验技能。

二.实验原理及原理图
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，较高的温度有利于生成乙烯，而较低的温度有利于生成乙醚。

乙醇在分子筛催化剂作用下的脱水过程可描述成：
2C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O
C2H5OH→C2H4+H2O
三.实验装置、流程及试剂
1. 装置
本实验装置由三部分构成：
第一部分是由微量进料泵、氢气钢瓶、汽化器和取样六通阀组成的进料系统。

第二部分是反应系统，它是由一台内循环式无剃度反应器、温度控制器和显示仪表组成。

反应器的结构如图1所示。

1-直流电机；2-磁钢固定片；3-磁钢；
4-上法兰；5-磁钢；6-磁钢固定片；7-轴承；
8-密封垫片；9-冷却水夹套；10-反应器上部；
11-轴承；12-密封垫片；13-密封垫片；
14-反应器下部；15-旋转轴；16-反应器外壁；
17-旋转叶片；18-催化剂及固定框；19-加热
电炉；20-热电偶套管；21-进气口；22-出气口
图1无梯度反应器结构图
第三部分是取样和分析系统。

包括取样六通阀、产品收集器和在线气相色谱仪。

整套实验装置安装在一个实验柜中，操作方便。

2.实验流程
PI
内循环无梯度反应色谱实验装置流程示意图10
17
TI
TCI 8
911
TIC-控温;TT-测温；PI-压力计;V1-进气截止；V2-进气预热截止阀；
K3-进气旁路调节阀；K2-阀箱产物流量调节；K3-气液分离后尾气调节；J-进液排放三通阀；1-气体钢瓶；2－稳压阀；3-转子流量计；4-过滤器；5-质量流量计；6-缓冲器；7－压力传感器；8－预热器；9-预热炉；10-反应器；11-反应炉；12-马达;13-恒温箱;14-气液分离器；15-调压阀;16-皂膜流量计；17-加料泵
12
1
1
V 1
PI
色谱
TCI
TCI
TCI
2
3
4
56
13
14
15
3
16
18
K 1
K 2
V 2
进气预热截止
K 3
7
J
内循环无梯度反应色谱实验装置流程示意图
3. 试剂和催化剂：无水乙醇，优级纯；分子筛催化剂，装填量为0.8g 。

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。

然后才可以按步骤进行实验。

1.打开H 2钢瓶调整色谱仪的柱前压力至0.05kg/cm 2确认色谱检测器有载气通过后启动色谱仪。

柱温110℃，汽化室130℃，检测室温达到120℃，待温度稳定后，打开热导池－微电流放大器的开关，并调整桥电流至150mA 。

2.在色谱仪升温同时，打开阀恒温箱加热器开关，使之升温到110℃。

开启保温加热器升温至150℃。

3.打开反应器温度控制器的电源开关使反应器加热升温，同时向反应器的冷水夹套中通入冷却水。

4.打开微量进料泵，以小流量向汽化器内通入原料乙醇。

5.用阀箱内旋转六通阀取样分析尾气组成，记录色谱处理的浓度值。

6.在200～380℃之间选择三个温度，在各温度下各测三次，测定各种条件下的数据。

五.实验数据处理
实验过程中，应将有用的数据及时、准确地记录下来。

记录表格可参见表1。

ρ（乙醇）=0.79g/ml 操作时间t=5min
m总（乙醇）=0.79 g/ml×0.3ml/min×5min=1.185g
n总（乙醇）=1.185/46=0.0258mol
表1：
序号设定温
度℃乙醇进料
mol
乙醇剩余量
g
乙醇剩余量
mol
m平均值（乙烯）
g
n平均值（乙烯）
mol
1 202.0 0.0258 1.17 0.02540.0150.000536
2 246.9 0.0258 1.1
3 0.02460.0550.001964
3 288.7 0.0258 0.845 0.01840.3400.012143由第一组数据：
n乙醇剩余量=1.17g/46g/mol=0.0254mol
m平均值（乙烯）=1.185-1.17=0.015g
n平均值（乙烯）=0.015g/28g/mol=0.000536mol
乙醇的转化率=反应掉的乙醇摩尔数/原料中乙醇的摩尔数
乙烯的收率=生成乙烯的摩尔数/原料中乙醇的摩尔数
乙醇的进料速度=乙醇液的体积流量×0.79（乙醇的密度）/46（乙醇的分子量）
乙烯的生成速度=（乙醇进料速度×乙烯的收率）/[催化剂用量（g）] mol/（g·h）
反应器内乙醇的浓度：C A=P A/（R·T）
式中P A为乙醇的分压；反应的总压为0.1Mpa。

所以可将反应器内的混合气视为理
想气体。

生成乙烯的反应步骤的速率常数k可以通过下式求出：
k =r/c A
由阿仑尼乌斯方程k=k0exp(-E/RT),将lnk对1/T作图，即可求出k0和E。

由第一组数据：乙醇的转化率=(0.0258-0.0254) /0.0258=0.0142
乙烯的收率=0.000536/0.0258=0.02076
乙醇的进料速度=0.3 × 0.79 / 46= 5.15×10-3mol/min=0.309 mol/h
乙烯的生成速率=（0.309×0.02077）/0.8=8.02×10-3mol/（g·h）
反应器内乙醇的浓度：C A =P A /（R·T ）
0.1：P A =0.0258：0.0254 P A =0.0986MPa
C A =P A /（R·T ）=0.09845×106/(8.3145×475.15)=24.92mol/m 3=0.02496mol/L 生成乙烯的反应步骤的速率常数k 可以通过下式求出：
K =r/c A =8.02×10-3/0.02492=0.32138L/（g·h ）
同理可得如下：
序号 设定温度T/℃ 1/T 1/K 乙醇的转化率
乙烯的收率
乙烯的生成速率mol/（g·h ） P A MPa C A mol/L
K L/（g·h ）
ln K
1 202.0 0.002105 0.014
2 0.02076 0.00802 0.0986 0.02496 0.32138 -1.135 2 246.9 0.00192
3 0.0479 0.0761
4 0.02940 0.0952 0.02202 1.33539 0.2892 3
288.7 0.001780
0.2880 0.47065
0.18179
0.0712
0.01524 11.9267 2.4788
由阿仑尼乌斯方程k=k 0exp(-E/RT),将lnK 对1/T 作图，即可求出k 0和E 。

以lnK 为纵坐标，1/T 为横坐标作图如下:
由k=k 0exp(-E/RT)，则lnk=lnk 0-E/(R·T), 由图中可知：-E/R=-10973， lnk 0=21.787 得：E=91.235KJ/mol k 0=2.90×109L/（g·h ）
六.实验讨论
1. lnK 与1/T 的趋势线如图呈线性关系，Y= - 10973x+ 21.789，R 2= 0.964，在误差范围内这个实验是成功的。

得：E=91.235KJ/mol k 0=
2.90×109L/（g·h ） 2. 乙烯易挥发，做实验时室温应较低。

y = -10973x + 21.787
R 2 = 0.964
-2
-1 0
1
2
3 0.0017 0.0018
0.0019
0.002
0.0021
0.0022
1/T
lnK 系列1
趋势线
数据图 lnK-1/T
3. 本实验相对来说比较的简单，但是由于实验的仪器问题，只能进行实验的了解，
在实验的操作上还是较欠缺的，所以实验还是较顺利的完成了。

本次实验数据主要误差可能是：实验仪器的误差；乙醇溶剂的不纯；反应不够完全，出来的物质不均匀等。

七.思考题
1. 用无梯度反应器测定化学反应动力学的优、缺点是什么？
答：反应器进口浓度物料循环，使累计的转化率较高,进料浓度和出口浓度有较大的差值,因此对组成分析没有过苛要求和出口浓度十分接近,反应器内不存在浓度梯度和温度梯度。

2. 要证明测定的本证动力学数据，还需要补充哪些实验内容？
答：还需要补充热量传递，质量传递，动量传递等内容，加上前面的反应，即三传一反是化学动力学的本证特性。