乙苯脱氢制取苯乙烯

一、实验目的

1、了解以乙苯为原料，氧化铁系为催化剂，在固定床单管反应器中制备苯乙烯的过程。

2、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：氢气

↔117.8kJ/mol

苯乙烯

乙苯+

副反应：乙烯

苯

↔105.0kJ/mol

乙苯+

↔

+-31.5kJ/mol

乙苯+

氢气

苯

乙烷

乙苯+

+-54.4kJ/mol

↔

乙烯

甲苯

氢气

在水蒸汽存在的条件下，还可能发生下列反应：

+

↔

2

+

+

氢气

乙苯3

二氧化碳

水

甲苯

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

2、影响反应的因素

（1）温度的影响

乙苯脱氢为吸热反应，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，使苯乙烯的选择性下降，能耗增加，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540~600ºC。

（2）压力的影响

乙苯脱氢为体积增大的反应，降低总压可使平衡常数增大，从而增加反应的平衡转化率，故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。本实验加水蒸汽的目的是降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。较适宜的水蒸汽用量为：水/乙苯＝1.5/1（体积比）。

（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0.6h-1为止。

3、本实验采用氧化铁系催化剂，其组成为：Fe2O3-CuO-K2O3-CeO2。

三、实验装置及流程

实验装置及流程如图1所示。

图1乙苯脱氢制苯乙烯工艺实验流程图

1－乙苯流量计；2、4－加料泵；3－水计量管；5－混合器；6－汽化器；7－反应器；8－电热夹套；9、11－冷凝器；10－分离器；12－热电偶

四、反应条件控制

汽化温度300ºC，脱氢反应温度540～600ºC，水：乙苯＝1.5：1（体积比），相当于乙苯加料0.5ml/min，蒸馏水0.75ml/min（50ml催化剂）。

五、实验步骤

1、注入原料乙苯和水，接通电源，使汽化器、反应器分别逐步升温至预定温度，同时打开循环冷却水。

2、当汽化温度（对应控制面板的预热控制）达到300°C，反应温度达到400°C 时，加入已设定好流量的蒸馏水，当反应温度达到500°C时，加入已设定好流量的乙苯，继续升温至540°C。稳定15min，取出粗产品（不用分析）。在此期间，用秒表标定蒸馏水和乙醇的确切流量，记录数据。

3、继续稳定15min，取出粗产品，放入小烧杯内，然后用分液漏斗分离水层和烃层（上层为烃层），分别称重，记录数据。

4、取少量烃类样品，用气相色谱分析其组成，记录数据。

5、结束反应，停止加乙苯，反应温度在500°C以上时，继续通水蒸气进行催化剂的清焦再生，约20min后停止通蒸馏水，且降温。同时停止通冷却水。整理清理实验仪器，结束实验。

六、实验记录及计算

1、数据记录

汽化器温度：299.8。C

反应器温度：580。C

反应温度：546.8。C

乙苯流量：2.2

水流量：2.7

乙苯加入量（15min）：7.8cm3

粗产品质量（15min/烃层液）：6.12g

粗产品色谱分析结果：

色谱条件：DNP 色谱柱（浙大智达）、D3*2m ；载气为氢气；载气流量40ml/min(柱头压0.06MPa)；进样量1μL ；柱温90°C ；检测器（使用检测器III ）温度140°C 桥流120mA ；气化室（使用气化室I ）温度140°C

理论色谱出峰顺序及停留时间：苯（0.87min ），甲苯（1.9min ），乙苯（3.8min ），苯乙烯（5.7min ）。

色谱质量相对校正因子f i ：苯（1.000），甲苯（0.969），乙苯（1.123），苯乙烯（0.970）。

组分i 的质量浓度w i =A i *f i /∑(A i *f i )，其中A i 为组分i 的色谱峰面积，f i 为组分i 的色谱质量相对校正因子。

2、数据处理

乙苯的密度为0.87g/cm 3,即乙苯加入质量为0.87*7.8=6.786g 色谱分析结果乙苯质量浓度 %37.78970.0*180528123.1*578011

969.0*27471*7.1276123

.1*578011**=+++==

∑i i f A f A w 乙苯乙苯乙苯

%

3.29%100786

.67837.0*12.6-786.6-%100=⨯==

⨯原料加入量

乙苯剩余量

原料加入量原料加入量消耗的乙苯量乙苯转化率＝

苯乙烯质量浓度

%

14.21970.0*180528123.1*578011

969.0*27471*7.1276970

.0*180528**=+++==∑i i f A f A w 苯乙烯苯乙烯苯乙烯

计算苯乙烯选择性

%

2.657837

.0*12.6-786.62114

.0*12.6%100==⨯消耗的乙苯量苯乙烯的产量苯乙烯选择性＝%

05.19%1006502.0*293.0%100=⨯=⨯⨯苯乙烯选择性

化率苯乙烯的收率＝乙苯转

七、思考题

1、乙苯脱氢生成苯乙烯反应是吸热还是放热反应？如何判断？如果是吸热反应，则反应温度为多少？本实验采用的什么方法？工业上又是如何来实现的？ 答：乙苯脱氢生成苯乙烯反应是吸热反应。

反应温度升高，平衡向生成乙苯的方向移动。 反应温度为540℃到600℃。

本实验采用的方法是接通电源使汽化器、反应器分别逐步升温至预定温度。 汽化器温度达到300℃，反应器温度达400℃左右，开始加入已校正好流量的蒸馏水。当反应度达到500℃左右时，加入已校正好流量的乙苯，继续升温，到540℃使之稳定，加热温度用热电偶控制。

工业上乙苯脱氢时常加入适量O 2，在合适的条件下，O 2与生成的H 2化合成H 2O ，相当于移走生成物H 2，促进平衡向生成苯乙烯的方向移动。

2、本反应是体积增大还是体积减小？加压有利还是减压有利？工业上如何实现减压操作？本实验采用什么方法？为什么加入水蒸汽可以降低烃分压？ 答：乙苯脱氢生成苯乙烯为体积增加的反应。

从平衡常数与压力的关系可知降低总压P 总可使Kn 增大，从而增加反应的平衡转化率，故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。

工业上通过加水蒸气和乙苯的混合气降低乙苯的分压，来实现减压操作。 本实验采用加水蒸气的方法来降低乙苯分压以提高平衡转化。因为水蒸气热容量大，产物易分离，产物不起反应，水蒸气还可以保护裂解炉管，同时水蒸气还有清焦作用。