乙苯脱氢制苯乙烯

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课程名称： 化工专业实验 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： 乙苯脱氢制苯乙烯 实验类型： 同组学生姓名：

一．实验目的

1.了解以乙苯为原料，氧化铁为催化剂，在固定床单管反应器种制备苯乙烯的过程。 2.学会稳定工艺操作条件的方法。

3.掌握乙苯脱氢制苯乙烯的转化率，选择性，收率及反应温度的关系，找出最适宜的反应温度区域。 4.学会使用温度控制和流量控制的一般仪表，仪器。 5.了解气相色谱分析及使用方法。

装 二．实验原理

1.本实验的主副反应 主反应：

订 线

副反应：

在水蒸气存在的条件下，还可能发生下列反应：

此外还有芳烃脱氢缩合及苯乙烯聚合生成焦油和焦等。这些连串副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.影响本反应的因素 （1）温度的影响

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乙苯脱氢反应为吸热反应，∆H0＞0，从平衡常数与温度的关系式可知，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，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，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：0~600℃。 （2）压力的影响

P总n乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式Kp＝Kn=i可知，当∆γ＞0时，降低总压P

总可使Kn增大，从而增加了反应的平衡转化率，故降低压力（高温反应无法采用负压操作，可以通入惰性组分使分压下降）有利于平衡向脱氢方向移动。本实验加水蒸气的目的是降低乙苯的分压，以提高乙苯的平衡转化率。较适宜的水蒸气用量为：水﹕乙苯＝1.5﹕1(体积比)或8﹕1(摩尔比)。 （3）空速的影响

乙苯脱氢反应系统中有平行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，故采用较高的空速，以提高选择性。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为宜。 3.催化剂

本实验采用GS-08催化剂，以Fe，K为主要活性组分，添加少量的IA，IIA，IB族以稀土氧化物为助剂。

三．实验装置及流程

乙苯脱氢制苯乙烯实验装置及流程，用Microsoft Visio软件绘制见下图：

5放空P1210N269水1乙苯728粗产品34

1-水计量管；2-乙苯计量管；3,4-进料泵；5-汽化室；6-反应室；7-冷凝器；8-集液罐；9-H2流量计；10-N2流量计；11-湿式气体流量计；12-N压力表 2

四．实验准备物料及仪器

1.药品

乙苯（分析纯）1瓶；蒸馏水 1桶；氮气 1钢瓶。 2.实验器具

电子天平 1台；色谱 1台（测液体浓度）；秒表 1只（或用手机等其他代替）；100ml量筒 2个；100ml烧杯4只；100ml分液漏斗 2个；1ug色谱取样管 2个。

五．实验方法及步骤

1、 实验任务：

测定不同温度下乙苯脱氢反应的转化率、苯乙烯的选择性和收率，考察温度对乙苯脱氢反应转化率、苯乙烯选择性和收率的影响。 2、主要控制指标：

（1）汽化温度控制在300℃左右； （2）反应前温度控制在500℃左右； （3）脱氢反应温度为0℃、600℃； （4）水：乙苯=1.5:1（体积比）；

（5）控制乙苯加料速率为0.5毫升/分，蒸馏水进料速率为0.75毫升/分。 3、具体操作步骤

（1）了解并熟悉实验装置及流程，搞清物料走向及加料、出料方法。

（2）接通电源，使汽化器、反应器分别逐步升温至预定的温度。系统同氮气，调节氮气流量为20l/h，同时汽化器升温，冷却器通冷却水。

（3）分别校正蒸馏水和乙苯的流量(0.75mL／min和0.5mL／min)

（4）当反应器温度达400℃左右开始加入已校正好流量的蒸馏水，氮气流量为10l/h。当反应温度升至500℃左右，停止通氮气，加入已校正好流量的乙苯，继续升温至0℃使之稳定50min。

（5）反应开始每隔5~10分钟取一次数据，粗产品从分离器中放入量筒内。然后用分液漏斗分去水层，称出烃层液重量。

（6）取少量烃层液样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。 （7）改变反应器温度为600℃，继续升温，当反应器温度升至600℃左右并稳定后，再次加乙苯入反应器反应，重复步骤（4）、（5）、（6）中的相关操作，测得600℃下的有关实验数据。

（8）反应结束后，停止加乙苯。反应温度维持在500℃左右，继续通水蒸气，进行催化剂的清焦再生，约半小时后停止通水停止各反应器加热，通氮气消除反应器内的氢气，并使实验装置降温。实验装置降温至300以下时，可切断电源，切断冷却水，停止通氮气，整理好实验现场，离开实验室。

（9）对实验结果进行分析，分别求出转化率、选择性及收率，并对实验结果进行讨论，包括：误差分析、实验成败原因分析等。

六．数据记录及处理

（1）公式：

乙苯的转化率：

RF100%FF

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SP/M1苯乙烯的选择性： RF/M100%0

苯乙烯的收率：YS100%

α——原料的转化率％； S——目的产物的选择性%； Y——目的产物的收率%； P——苯乙烯的生成量，g； RF——消耗的原料量，g； FF——原料加入量，g；

M0——乙苯的分子量，kg/kmol； M1——苯乙烯的分子量，kg/kmol。

乙苯密度：0.867g/cm3

。 （2）原始数据

表1 反应器温度为0℃

温度/℃ 原料流量/（ml） 粗产品/g 时间/min 水 汽化器 反应器 乙苯 烃层液 始 差值 始 差值 0 304 537 1.6 2.7 0 10 299 0 6.9 9.9 10 20 302 8 12.1 16.3 20 生成有机相共30 300 517 17.4 13.5 30 20.3371g 40 299 533 22.3 27.7 40 50 301 539 29.1 37.2 50 乙苯密度为0.867g/cm³，所以加入了乙苯27.5ml，23.842g

表2 反应器温度为600℃

温度/℃ 原料流量/（ml） 粗产品/g 时间/min 汽化器 反应器 乙苯 水 烃层液 始 差值 始 差值 0 301 602 8 8.2 0 10 302 5 13.1 15.6 10 20 299 588 18.2 22.2 20 生成有机相共30 301 605 23.2 28.7 30 15.5750g 40 308 607 28.3 35.5 40 50 302 605 33.4 42.1 50 乙苯密度为0.867g/cm³，所以加入了乙苯25.4ml，22.022g

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七．实验结果与讨论

此反应的原料及所有产物中，沸点较高的有水、苯乙烯、乙苯、甲苯，其沸点分别为

表 3 主要物质沸点

物质 沸点/℃ 苯乙烯 146 乙苯 136 甲苯 111 水 100

由于此体系为非极性，故用非极性柱进行色谱分析，沸点低的先出峰，沸点高的后出峰，故最后一个大峰为苯乙烯，倒数第二个大峰为乙苯。

a. 反应温度0℃，实验结果见附图1（2-00604）：

其中，苯乙烯占34.43%，乙苯占62.65%。则生成目的产物苯乙烯

P20.337134.43%7.00g

剩余乙苯

LF20.337162.59%12.74g

消耗乙苯

RF23.84212.7411.10g

转化率

=苯乙烯的选择性

实际反应的乙苯11.10=100％=46.56％

总的乙苯23.84S苯乙烯的收率

P/M17.00/104.15100%=100%.24%RF/M011.10/106.16

YS46.56%.24%29.91%

b．反应温度600℃，实验结果见附图2（2-6000604）

其中，苯乙烯占60.0767%，乙苯占15.3869%。则生成目的产物苯乙烯

P15.575060.0767%9.36g

剩余乙苯

LF15.575015.3869%2.40g

消耗乙苯

RF22.0222.4019.62g

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转化率

=苯乙烯的选择性

实际反应的乙苯19.62=100％=.10％

总的乙苯22.022S苯乙烯的收率

P/M19.36/104.15100%=100%48.63%RF/M019.62/106.16

YS.10%48.63%43.33%

结论：

综上可以看出，反应温度设定为0℃时，乙苯的转化率为46.56%，苯乙烯的选择性为.24%，苯乙烯的收率为29.91%；反应温度设定为600℃时，乙苯的转化率为.10%，苯乙烯的选择性为48.63%，苯乙烯的收率为43.33%。

因此可以得出结论，升高温度时，可增大反应平衡常数，乙苯的反应平衡转化率提高；然而温度升高使副反应增加，苯乙烯的选择性下降；苯乙烯的收率则受转化率和选择性影响，不能确定。

八．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,则升高反应温度对乙苯脱氢生成苯乙烯有利还是降低反应温度对乙苯脱氢生成苯乙烯有利？是不是反应温度越高越好？

答：乙苯脱氢生成苯乙烯反应H117.8kJ/mol，是吸热反应。反应温度升高，平衡向生成苯乙烯的方向移动，升高温度对生成苯乙烯有利，但温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降；而且升温会使能耗增大，设备材料要求增加，故应选择合适的反应温度。

2. 对本反应而言，是体积增大还是减小？加压有利还是减压有利？本反应为什么要向反应系统中加入蒸馏水？可以用自来水代替蒸馏水吗？

答：本反应的主反应是单分子生成两个分子，所以体积变大，降低总压可以使得平衡转化率变大。加入蒸馏水的主要目的是为了降低乙苯的分压，以提高乙苯的平衡转化率；同时，水蒸气对催化剂床层也有清焦再生的作用。不能加入自来水，因为反应中催化剂很有可能因自来水中的杂质中毒；且自来水在预热器中受热蒸发时会留下大量的水垢等固体，长时间积聚会使预热器的换热效果变差；自来水中的杂质也有可能污染产品。

3. 在本实验中你认为有哪几种产物常温下是液体，哪几种产物常温下是气体？如何分析？

答：本实验中，常温下是液体的产物沸点在25℃以上，有苯、苯乙烯、甲苯；氢气，乙烯，乙烷，甲烷、二氧化碳是气体。根据产物的沸点即可从理论分析出来。

4. 本次化工实验以工业制备苯乙烯为背景，用小规模的实验室制备模拟实际生产过程。其中，对反应过程以及自控系统均进行了模拟，学生所需要的操作仅仅是在控制界面上进行工艺参数的设定以及数据的记录。

对于这套实验设备，其温度控制系统的稳定性可以进一步提高，可以通过修改控制系统PID的相关参数，如加大比例积分系数等；实验装置还可以增强换热效果，如换用大一点的换热器、或者在换热器内加内构件等增强传热。

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