新实验-异丙醇脱氢制备丙酮

异丙醇脱氢法合成丙酮
1.实验目的
（1）掌握非均相催化脱氢化反应的原理和影响反应转化率和收率的因素；（2）掌握换热式固定反应器的特点及应用；
（3）熟悉异丙醇脱氢法合成丙酮的工艺过程；
（4）熟悉原料与产品的分析方法；
（5）熟悉常见温度、压力及流量仪表在化工过程的应用。

2.实验原理
2.1丙酮及异丙醇的性质
丙酮(一般工厂俗称ACE)，CH
3COCH
3
，分子量58.08，密度：在25℃时比重
0.788，熔点:-94℃，沸点:56.48℃，闪点:-17.78℃(闭杯)，又名二甲基甲酮，为最简单的饱和酮。

一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味。

易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等有机溶剂。

易燃、易挥发，化学性质较活泼。

丙酮是一种重要的有机化工原料，用于生产甲基丙烯酸甲酯等，丙酮也是用途广泛的溶剂。

异丙醇（CH
3）
2
CHOH是无色透明可燃性液体，有与乙醇、丙酮混合物相似
的气味。

比重0.7851、熔点－88℃、沸 82.5℃。

异丙醇能溶于水、醇、醚、氯仿。

蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 3.8～10.2%(体积)。

与水能形成共沸物。

用于制取丙酮、二异丙醚、醋酸异丙酯和麝香草酚等；用于防冻剂、快干油等，更可作树脂、香精油等溶剂；也可用作涂料，松香水，混合脂等方面。

2.2丙酮的生产方法
主要有异丙醇法、异丙苯法、发酵法、乙炔水合法和丙烯直接氧化法。

目前世界上丙酮的工业生产以异丙苯法为主。

世界上三分之二的丙酮是制备苯酚的副产品，是异丙苯氧化后的产物之一。

2.3异丙醇脱氢法
异丙醇催化脱氢生成丙酮的反应：
主反应：(CH
3)
2
CHOH→(CH
3
)
2
CO+H
2
副反应：(CH
3)
2
CHOH+(CH
3
)
2
CO→(CH
3
)
3
CHCH
2
CO+H
2
O
2(CH
3)
2
CHOH→(CH
3
)
2
CHOCH(CH
3
)
2
+H
2
O
脱氢反应是脱氢催化剂（Dehydrogenation catalysts）下进行的气固相催化反应，且反应是吸热的。

所用催化剂有铜、银、铂、钯等金属以及过渡金属的硫化物，负载于惰性载体上，反应在管式反应器中进行，温度400～600℃。

在使用氧化锌-氧化锆、铜-铬氧化物或铜-二氧化硅催化剂时，脱氢温度降低为300～500℃。

也有的采用二段反应，以提高收率。

以异丙醇计丙酮收率为90％，此法开发较早，目前在丙酮生产中尚占有一定的地位。

3.实验装置流程及试剂
3.1装置
本装置由四部分构成。

第一部分是加料及预热系统。

由加料泵汽化预热器、温度显示仪表等组成。

第二部分为反应系统。

由管式反应器、加热炉、温度控制器和显示仪表等组成。

第三部分为取样和分析系统。

包括六通阀、产品收集器和在线气相色谱仪等组成。

第四部分精馏分离系统。

由多个侧线的精馏塔（填料塔）、塔釜、塔头及温度控制、显示，回流比调节装置等组成。

3.2、流程
实验流程见附图.
3.3试剂和催化剂
异丙醇，优级纯。

催化剂：试验装置生产厂家提供。

4.实验步骤
开始实验前，必须熟悉流程中所有设备、仪器、仪表的性能及使用方法。

然后方可按实验步骤进行实验。

4.1.有关装置容器的称重
准确称量冷凝器和气液分离器的质量，为后面数据处理提供条件。

4.2.催化剂装填与系统试漏
（1）催化剂装填
松开反应器的下部热电偶套管密封件，拆去下部出口与分离器连接接头和上部预热器连接接头，卸开大螺帽将反应器从加热炉上部拉出，再卸下反应器上部大螺帽，上部朝下用铁丝拉出玻璃棉，倒出催化剂，取出套管和支撑架，用丙酮或乙醇清洗干净后吹干，再插入测温套管及催化剂支撑架和不锈钢支撑网后，连接大螺帽（从套管中穿过，用手拧紧螺帽再拧紧反应器的下部热电偶套管密封件，是套管不能移动），最后装入经准确称量质量和体积的新催化剂。

注意！装催化剂要将套管放在反应器中心位置，要用小直径长棍测量催化剂床层高度，使床层处于加热炉的中部。

将上盖大螺帽通过测温套管安装好，用扳手拧紧反应器下部大螺帽，再连接好分离器接头，插入测温热电偶。

（2）系统试漏
通过稳压阀和调节阀通入空气或其他气体，卡死出口，充压至0.1MPa，5分钟不下降为合格。

否则要用毛刷涂肥皂水在各接点涂试，找出漏点重新处理后再次试漏，直至合格为止。

打开卡死出口，可进行实验。

4.3.反应器升温
向反应系统通入一定流量的氢气，打开反应器温度控制器的电源开关使反应器加热升温，同时接通冷却水。

控制上段温度230℃左右，中段温度300℃，下段温度230℃左右。

4.4.预热器升温
同时打开预热器温度控制器的电源开关加热升温，控制温度在100～150℃。

（同时记录4.2，4.3项的相关实验数据，此后每分钟记录一次）
4.5.进料
打开进料泵，以小流量向汽化器内通入原料异丙醇。

流量0.5～1.0毫升/分钟。

4.6.温度控制
过程中通过调节控温电流及进料速率保证反应温度在300～400℃，并控制上段和下段温度较中段低50～100℃。

实验数据记录表格式样：
4.7.停车
反应结束后停止加料，停止加热，关闭电源后将电流逆时针转至零。

电源关闭后要继续通气，待温度降至300℃以下时可关闭气体。

4.8.取样分析
反应结束后，准确称量产物质量，取样由色谱仪分析产物液的组成，并记录色谱处理器打印出的峰值面积。

4.9.注意事项
（1）必须熟悉仪器使用方法；
（2）升温操作一定要有耐心，不能忽高忽低，乱改乱动； （3）流量调节要随时观察及时调节，否则温度不容易稳定。

5.数据处理
根据获取数据计算异丙醇的转化率，以异丙醇计丙酮的选择性和收率，作过程的物料衡算。

可能时计算本过程的空间速度及接触时间。

并进行误差分析。

％
理论产量
按通入异丙醇计丙酮的实际获得丙酮的量
＝以异丙醇计丙酮的收率％理论产量
按反应异丙醇计丙酮的实际获得丙酮的量
性＝以异丙醇计丙酮的选择％
通入的异丙醇的量
反应的异丙醇的量异丙醇转化率＝100100100⨯⨯⨯
6.思考题
（1）换热式固定床反应器有何特点，可通过那些措施调节床层温度？ （2）该反应的转化率、选择性和收率和那些因素有关，分析其原因。

（3）若系统不能满足物料守恒关系，试分析原因。

附:气固相反应器相关技术指标
反应器直径 20mm ；长度550mm 。

反应炉直径 220mm ；长度500mm ；各段加热功率1kW 。

预热器直径 12mm ；长度300mm ，加热功率0.5kW 。

热电偶 K 型铠装式Φ10mm ；长度550mm 。

催化剂装填量 30～50ml ；气体流量0～500ml/min 。

最高反应压力0.2MPa ：最高使用温度600℃。

讨论：
异丙醇脱氢过程热力学分析
主反应：（1） (CH 3)2CHOH →(CH 3)2CO+H 2
副反应：（2） (CH 3)2CHOH+(CH 3)2CO →(CH 3)3CHCH 2CO+H 2O （3） 2(CH 3)2CHOH →(CH 3)2CHOCH(CH 3)2+H 2O
查有关手册得298K 各相关物质的 f H ∆和 f G ∆值于下表：（kcal/mol ）
求出各反应在298K 的r H ∆、r G ∆和Kp 值列于下表：
由方程⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-∆=211211ln T T R H Kp Kp r 求出多个温度的Kp 值列于下表：
1、计算反应的平衡转化率，分析温度对热力学因素的影响。

2、讨论可采用哪些措施提高主反应的趋向性。

3、是否高温一定使主反应选择性提高，为什么？。