天津大学乙醇脱水反应研究实验(论文资料)

乙醇脱水反应研究实验

一、实验目的

1.掌握乙醇脱水实验的反应过程和反应机理、特点，了解针对不同目的产物的

反应条件对正、副反应的影响规律和生成的过程。

2.学习气固相管式催化反应器的构造、原理和使用方法，学习反应器正常操作

和安装，掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。

3.学习动态控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小，怎样控制床层温

度分布。

4.学习气体在线分析的方法和定性、定量分析，学习如何手动进样分析液体成

分。了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。

5.学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。

二、实验原理

1.实验仪器和药品：

乙醇脱水固定床反应器，精密微量液体泵，蠕动泵，锥形瓶，烧瓶。

气相色谱仪GC−910及计算机数据采集和处理系统：

载气1柱前压：0.06MPa载气流量：36ml/min

载气2柱前压：0.07MPa 载气流量：28ml/min

桥电流：90mA 讯号衰减：1(而后调节为2)

柱箱温度：107℃

气化室温度：110℃

检测器温度：89℃

ZSM-5型分子筛乙醇脱水催化剂，分析纯乙醇，纯乙醚，蒸馏水。

2.反应机理：乙醇脱水生成乙烯和乙醚，是一个吸热、分子数增不变的可逆反

应。提高反应温度、降低反应压力，都能提高反应转化率。乙醇脱水可生成

乙烯和乙醚，但高温有利于乙烯的生在，较低温度时主要生成乙醚，有人解

释这大概是因为反应过程中生成的碳正离子比较活泼，尤其在高温，它的存

在寿命更短，来不及与乙醇相遇时已经失去质子变成乙烯．而在较低温度时，碳正离子存在时间长些，与乙醇分子相遇的机率增多，生成乙醚。有人认为

在生成产物的决定步骤中，生成乙烯要断裂C—H键，需要的活化能较高，所

以要在高温才有乙烯的生成。反应式如下：

主反应：C2H5OH→C2H4+H2O

副反应：2C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O

3.催化机理：ZSM-5分子筛，因其具有亲油疏水性，在催化脱水性能方面更具有

优势。[1]乙醇脱水生成乙烯主反应的机理主要有2种：生成乙醇盐中间体和生成碳正离子中间体。Kondo等[2]和Haw等[3]用红外光谱和核磁共振检测到在低温条件下分子筛上中间产物乙醇盐中间体，并提出了乙醇制乙烯反应在分

子筛上的反应机理。图1为Kondo等提出的反应机理与传统的碳正离子中间

产物机理的对比图。

可看出，乙醇吸附在分子筛上，乙醇羟基上的氧原子和氢原子分别和分子筛

上的氢原子和氧原子形成氢键，然后脱去一分子水形成乙醇盐中间体，最后

生成乙烯分子，同时分子筛的B酸质子恢复原位。Aronson等认为乙醇脱水制乙烯反应是碳正离子模型。

4.实验过程原理：本实验采用ZSM－5分子筛为催化剂，在固定床反应器中进行

乙醇脱水反应研究，反应产物随着反应温度的不同，可以生成乙烯和乙醚。

温度越高，越容易生成乙烯，温度越低越容易生成乙醚。实验中，通过改变反应温度和反应的进料速度，可以得到不同反应条件下的实验数据，通过对气体和液体产物的分析，可以得到反应的最佳工艺条件和动力学方程。A、B、ФPOOT研究了在Al2O3上乙醇脱水的动力学，导出了一级反应速度方程式：

ν0ln

1

1−y

=α+βν0y

其中：ν0—乙醇的加料速度(毫克分子/分)

y—乙醇转化率(% )

由ν0ln1

1−y

~ν0y作图，可得一条等温直线，其中的截距为α。

在实验中，由于两个反应生成的产物乙醚和水留在了液体冷凝液中，而气体产物乙烯是挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。

5.设备原理：

a)蠕动泵：目前作为商品出售的蠕动泵多为往复式柱塞泵。凸轮与连杆将电

机的圆周运动转变为柱塞杆的线性运动，在有单向阀的结构中，柱塞杆将

常压下储液瓶中的流动相吸至泵腔后再送出，其耐压可达41MPa。泵头通

常由两部分组成，单向阀和密封圈-柱塞杆。该单向阀一般由阀体、塑料

或陶瓷阀座和红宝石球组成。在压力的作用下宝石球离开阀座，流动相流

过单向阀；反之，在反向力的作用下，宝石球回到阀座上，此时流动相不

再流过单向阀。柱塞杆与密封圈：柱塞杆在泵头内做前后的往复运动，完

成将流动相吸入泵头然后再输出的过程。

b)湿式流量计：湿式流量计的构造如图2，流量计内有一个转鼓，转鼓被分

为四个体积相等的气室A、B、C、D，当气体通过进气口10到湿式流量中心

孔进入转鼓小室A，在气体的推动下，转鼓便以顺时针的方向旋转，随着A

气室漂浮出水面而升高，B气室因转鼓轴的移动而浸入水面，同时B气室中

气体从末端6排往空间5由出气口11导出，同时D气室随之上升，气体开始

进入D气室。由于各小气室的容积是一定的，故转鼓每转动一周，所通过

气体的体积是四个室容积的总和。由转鼓带动指针与计数器即可直接读出

气体的体积流量。

图2 湿式流量计

c)气相色谱法：气相色谱法是采用气体(载气)作为流动相的一种色谱法。当

流动相携带混合物流经色谱柱中的固定相是，由于与固定相之间的作用力

差异，因而使组分在柱内以不同的速度移动，依次流出色谱柱而得到分离。

选用合适的检测器予以检测，可得到电信号随时间变化的流出曲线，即色

谱图。根据色谱图中各组分色谱峰的出峰时间，可进行定性分析；根据峰

面积或峰高，可进行定量分析。