化学工程实验

实验一石脑油催化裂解实验

一、实验目的

通过实验，加深对石脑油催化裂解反应的理解，熟悉掌握小型固定床反应器的控温、进料、冷凝、回收等操作；联系所学过的知识，观察裂解的反应现象；对催化裂解的基本原理以及影响裂解的诸因素加深理解。

二、实验原理

石脑油低温催化裂解制低碳烯烃技术能够满足近年来市场对丙烯需求的迅速增长以及环保、节能等要求。其中, 应用较多的催化剂是分子筛催化剂。裂解反应是吸热反应，正碳离子学说是被公认的解释催化裂化反应机理比较好的一种学说。石脑油低温催化裂解过程中除了进行分解外，也进行异构化、氢转移、芳构化等反应，所得产品亦为一复杂混合物。因此，为了提高乙烯、丙烯等主要产品的收率，必须选择裂解反应最佳工艺条件，主要包括裂解温度、停留时间等。

三、实验内容和要求

本实验可以在实验室小型固定床反应器上制乙烯、丙烯，同时也可以考察裂解温度对乙烯、丙烯收率的影响，找出温度与乙烯、丙烯收率之间的关系。要求以石脑油为原料，测定某一温度下的乙烯、丙烯收率或测定三点温度（500-600℃之间）下乙烯、丙烯的收率，找出规律。

四、实验主要仪器设备和材料

实验主要仪器设备有小型固定床反应器(见图1）、充气袋、气相色谱仪等。原料油通过油计量管用微量柱塞泵分别送入裂解反应炉，进行裂解反应。裂解反应炉为不锈钢管，其中心插有两根热电偶测温，反应管外用二段电热丝控制加热。裂解气自反应管末端导出，进入碱洗罐洗去酸性气体，经过碱洗后的气体收集在充气袋中。

五、实验方法、步骤及结果测试

1.准备工作

（1）熟悉流程和设备，了解并掌握温度及流量调节控制操作方法，检查流程连接系统是否完好。

（2）准备三个充气袋，贴好标签以备气体取样用。

（3）为了保证操作顺利进行，检查装置是否严密是十分重要的环节。所有设备安装完毕，必须进行检漏。

图1 固定床反应器装置图

2.升温加热

检查电路设备完好后，打开总电源，将三段控温仪的温度设计到预定的温度，开始加热。

3.实验并获取数据

启动进料泵，温度达到要求后，调节柱塞泵，使进料速度达到预定值，记录三段炉温，实验进行到10～20分钟后，取裂解气样品，以备分析用。当实验结束后，通氮气对反应器降温，然后放出液体产品，关掉电源，记下数据。

4.注意事项

（1）温度及进料速度给定后，不要反复调整。

（2）不要频繁按温度显示按钮。

（3）注意用电及用泵安全。

六、实验数据处理

1．实验数据记录见表1

2．数据处理

通过气相色谱谱图，分析气体中双烯组成。

七、思考题

1.温度对双烯收率如何影响？

2.如何如何调节进料量？

表1 实验记录

日期

催化

剂／g

进油量/g

反应

温度1/℃

反应温度2/℃

反应温度3/℃

反应内温/℃

实验二 芳构化实验

一、实验目的

1．熟悉固定床反应实验装置的结构与操作过程。

2．了解H/ZSM-5负载型催化剂对芳构化反应的影响原理。 3．掌握气相色谱的分析原理和基本操作。 二、实验原理

芳构化反应是烷烃、烯烃环化后进一步氢转移反应，反应过程不断放出氢原子，最后生成芳烃。结构如下：

三、实验装置及试剂

1．实验装置

采用一套小型固定床反应实验装置，固定床反应器不仅可用于研究评价各种固体酸催化剂的性能，还可用于环氧乙烷催化水合制乙二醇、苯酚与丙酮树脂催化制双酚A 、异丁烯与甲醇催化醚化制甲基叔丁基醚、壬烯与苯酚烷基化制壬基酚、乙醇脱水制乙烯、有机酸与醇合成酯等固体酸催化的反应研究。该装置配置两个气路，一个液路，实验装置流程图见图

R + R R

R R

+

R

+R

2。

2．实验用试剂

原料：环己烷，化学纯；

催化剂：Mo/H-ZSM-5，工业级，用量5-10mL。

四、实验步骤及方法

1．实验系统熟悉及开停车过程

同实验七，步骤1.试验系统熟悉及准备。

2．反应条件

反应器装好催化剂后，安装到加热炉中，并接好管路，然后检查系统的气密性。本实验检查用氮气(压力 1.0MPa)，打开氮气源，氮表的分压指示超过操作压力，关闭截止阀，用肥皂水检测有无泄漏。

芳构化工艺的参数有温度、空速、压力。设定的芳构化反应压力为：0.5-0.6 MPa；反应温度：450-550℃；体积空速：0.5-1 h-l。

反应原料经预热器预热后进入反应器，控制反应的空速、反应温度、反应压力，得到不同芳烃转化率的反应结果。

图2 实验装置流程图

3．实验操作

(1) 系统上电方法：给箱柜上电（箱柜内），系统上电完毕，即可启动加热系统。

(2) 打开原料罐气源，调节压力为0.2MPa，调节液位控制仪表。

(3) 气量的控制：打开氮气源，调节气源输出压力，使之为2.0MPa；调节背压阀，使反应系统达到反应要求的压力。采用质量流量计控制气体的流量，确保流量计前后球阀已打开，前端压力大于后端压力。

(4) 液量控制：精密计量泵用来控制液体的流量，保证泵的进液管有液体，调节指定的流量，前端、后端球阀打开。

(5) 温度控制：每一加热段都有一控制项，包括：温庋当前值PV显示，温度设定值SP 显示，温度百分比输出OUT等。确保系统已上电，热电偶已插入指定测温点，设定值到SP 将控制设为自动AUTO，也可手动控制直接在MANL状态下输出一百分比到OUT等，PID 参数设好后一般不用改动，需要时可参考在线帮助。

(6) 液位控制：首先打入液体，以保证气液分离器始终有液体，防止无液体而只有气体通过液路排出。

(7) 尾气计量为连续统计气体的总流量。

(8) 取样分析：反应参数设定后，反应2h取样进行色谱分析，与原料的组成对比，确定反应的生成物。

五、实验数据处理

1．实验数据记录见表2

表2 实验记录

日期

催化

剂／g 进油量/g

反应

温度

℃

反应

压力

/MPa

体积

空速

h-1

反应

内温

℃

2．采用气相色谱仪分析芳构化前后的组成变化，谱图结果处理后打印。

六、实验报告要求

1.实验目的、意义

2.工艺原理流程框图

3.实验步骤

4.实验数据表

5.实验结论和讨论

七、思考题

1．结合催化课程所学内容，试述本装置的使用原理，除可以进行芳构化反应外，还可以进行哪些类型反应的实验研究？

实验三 鼓泡反应器中汽泡比表面及气含率的测定

一.实验目的

气液鼓泡的反应器的气泡表面和气含率，是判别反应器流动状态、传质效率的重要参数。气含率是鼓泡反应器中气相所占的体积分率，也是决定气泡比表面的重要参数，测定的方法很多，有体积法、重量法、光学法等。气泡比表面的测定有物理法、化学法等，己有许多学者进行了系统研究，确定了气泡比表面与气含率的计算关系，可以直接应用。本实验目的为：

1.掌握静压法测定气含率的原理与方法；

2.掌握气液鼓泡反应器的操作方法；

3.了解气液比表面的确定方法。 二.实验原理

1.气含率

气含率是表征气液鼓泡反应器流体力学特性的基本参数之一，它直接影响反应器内气液接触面积，从而影响传质速率与宏观反应速率，是气液鼓泡反应器的重要设计参数，测定气含率的方法很多，静压法是较精确的一种，基本原理由反应器内伯努利方程而来，可测定各段平均气含率，也可测定某一水平位置的局部气含率。根据伯努利方程有：

???

?

?????

??+=dH dp g g L c G ρε1 (1) 采用U 型压差计测量时，两测压点平均气含率为：

H

h

G ?=

ε (2) 当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率G ε会作相应变化，一般有如下关系：

n G

G u ∝ε (3)

n 取决于流动状况。对安静鼓泡流，n 值在0.7～1.2之间；在湍动鼓泡流或过渡流区，

G u 影响较小，n 为0.4—0.7范围内。

假设 n

G

G ku =ε (4)

则

G G u n k lg lg lg +=ε

(5)

根据不同气速下的气含率数据，以G εlg 对G u lg 作图标绘，或用最小二乘法进行数据拟合，即可得到关系式中参数k 和n 值。

2.气泡比表面

气泡比表面是单位液相体积的相界面积，也称气液接触面积，比相界面积，也是气液鼓泡反应器很重要的参数之一。许多学者进行了这方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技术、化学吸收法和探针技术等，每一种测试技术都存在着一定的局限性。

气泡比表成面积a 可由平均气泡直经dus 与相应的气含率G ε计算：

a dus

G

ε6=

(6)

Gestrich 对许多学者的计算a 的关系进行整理比较，得到了计算a 值的公式：

a G OO O K

D H ε26003

.3

.00?

?

?

??= (7)

方程式适用范围：

s

m u G 60.0≤

242.20

≤≤

D

H 11

5

10107.5<≤?K

因此在一定的气速G u 下，测定反应器的气含率G ε数据，就可以间接得到气液比表面a 。Gestrich 经大量数据比较，其计算偏差在%15±之内。 三.实验装置与流程

1

2

3

4

5

6

7

P

。

。。。。。。。。

。。。。。。。。。。。。

图3 鼓泡反应器气泡比表面及气含率测定实验装置 1–空压机；2–缓冲罐；3–流量计；4–调节阀；

5–反应器；6–放料口；7–压差计

实验装置见图3，实验室气液相鼓泡反应器直径φ200mm ，高H 为2.5米，气体分布器采用＋字型，并有若干小孔使气体达到一定的小孔气速。反应器用有机玻璃管加工，使于观察。壁上沿轴向开有一排小孔与U 型压力计相接，用于测量压差。

由空气压缩机来的空气经转子流量计计量后，通过鼓泡反应器的进口；反应器预先装水至一定高度；气体经气体分布器通入床层，并使床层膨胀，记下床层沿轴向的各点压力差数值。改变气体通入量可使床层含气率发生变化，并使床层气液相界面相应变化。 四.实验步骤及方法

1. 将清水加入反应器床层中，至一定刻度（m 2处）；

2. 检查U 型压力计中液位在一个水平面上，防止有气泡存在；

3. 通空气开始鼓泡，并逐渐调节流量值；

4. 观察床层气液两相流动状态；

5. 稳定后记录各点U 型压力计刻度值；

6. 改变气体流量，重复上述操作（可做8～10个条件）；

7. 关闭气源，将反应器内清水放尽 五．实验数据记录及处理 1. 实验数据记录

空气流量， U 型压差计读数， 静液位

2.实验数据处理

气体流量可在空塔气速s m 50.0~s m 05.0中选取10~8个实验点。

记录下每组实验点的气速，各测压点读数，并由公式(2)，计算每二点间的气含率，从而求出全塔平均气含率G ε；按不同空塔气速G u 下的实验结果，在双对数坐标纸上以G ε对

G u 进行标绘，或用最小二乘法拟合，可以得到式(4)之参数k 与n 。

利用式(7)计算不同气速G u 下的气泡比表面a ，并在双对数坐标纸上绘出a 与G u 的关系曲线。

六．结果及讨论

1.分析气液鼓泡反应器内流动状态的变化；

2.根据实验结果讨论

G ε与G u 关系，并分析实验误差；

3.由计算结果分析气泡比表面与G u 的变化关系。

七.主要符号说明

a - 气泡比表面, []

32m m ；

us d - 气泡平均直径， []m ；

D - 塔直径， []m ； c g - 转换因子；

0H - 静液层高度， []m ；

h ? - 两测压点间U 型压差计液位差， []m ；

H - 两测压点间的垂直距离， []m ；

K - 液体模数，4

3

=μρσg K ；

n k , - 关联式常数； G u - 空塔气速， []s m ； L ρ - 液体密度， []

3m kg ；

G ε - 气含率；

μ - 液体粘度， []s m kg ?； σ - 液体表面张力， []2s kg 。

八.思考题

1.试叙述静压法测定气含率的基本原理；

2.气含率与那些因素有关?

3.气液鼓泡反应区内流动区域是如何划分的?

4.如何获得反应器内气液比表面a 的值。