内扩散有效因子实验测定.doc

PAGE 2 PAGE 63 实验八 催化剂内扩散有效因子的测定 一、实验目的及意义 “多相系统中的化学反应与传递现象”是《反应工程》课程的重点教学内容之一，通过实验使学生了解内、外扩散过程及其对反应的影响；掌握催化剂内扩散有效因子的概念及其实验测定方法；了解本征反应动力学的实验测定方法。 二、实验原理 1．苯加氢气固相催化反应方程式 在固体催化剂作用下，苯加氢反应方程式为： 此反应为单一不可逆放热反应。在氢气大大过量情况下可视为拟一级反应。 2．内扩散有效因子的测定 在外扩散影响已消除的基础上测定催化剂内扩散有效因子。经预实验发现，由于本体系所使用的氢气大大过量，因此在实验温度、流量范围内，外扩散的影响均已消除。 本实验在反应管内装填10～28目范围内的粒子(假定为球形颗粒)、质量为W(g)的催化剂。在某一床层温度（如150℃左右）下，通过改变苯和氢气的进料流量，测定相应的出口转化率xA，得到xA～/FA0曲线。曲线上任意一点的斜率就对应于该转化率下的宏观反应速率（－RA）。 对一级不可逆反应，宏观反应速率又可写成： (1) 式中： CAG＝CA0（1－xA） 所以： (2) 由于本征反应速率常数kP值未知，故不能直接由式（2）求出内扩散有效因子。 根据： (3) 式中：为大西勒（Thiele）模数;为球形颗粒一级反应时的西勒（Thiele）模数。R为催化剂颗粒半径、DeA为气态苯在催化剂颗粒内部的有效扩散系数、（－RA）为宏观反应速率、CAG为转化率为xA时苯的摩尔浓度，均可由实验测得，故由式（3）就可直接求出（即）值。 而 (4) 所以可先假设 代入式(4) 此时判断得到的值是否等于由式（3）求得的值？若不等，重新假设值，反复计算，直到相等。若相等，此时的值即为所求。 三、实验装置及流程图 实验装置： 该装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式，不锈钢材质。反应管内径：20mm； 长度：550mm。管内有直径为3mm的不锈钢管穿过反应管的上下两端，以便在3mm管内插入直径为1mm的垲装式热电偶，通过上下拉动热电偶可测出床层内不同高度处的反应温度。预热器直径：10mm； 长度：250mm；加热功率：0.5kW。 反应加热炉采用三段加热控温方式，加热炉直径：220mm；长度：550mm；各段加热功率：1k W。上下段温度控制灵活，恒温区较宽。控温与测温数据均数字显示。 2．实验装置流程图 15 ⑴－氢气钢瓶 ⑵－稳压阀 ⑶－调节阀 ⑷－苯计量泵 ⑸－转子流量计 ⑹－压力表 ⑺－预热器 ⑻－床层测温热电偶 ⑼－反应管 ⑽－催化剂/填料复合床层 ⑾、⑿、⒀－加热炉上、中、下三段热电偶 ⒁－苯储罐 ⒂－气相色谱仪 图1. 实验流程示意图 四、实验操作步骤 1．准确称取2克10～28目的催化剂，并量出该催化剂的体积，记为VP mL；再称取20克相同目数的瓷粒子，然后均匀混合，并用量筒量取其体积，将其装入反应管中，记录床层高度和床层位置。再将反应器固定在反应加热炉中。通气体进行试漏，直至不漏。 2．催化剂活化。催化剂床层温度以25℃/h的升温速率从室温升到180℃,控制合适的氢气流量（300mL/min左右）通入反应器。在180℃恒温2h,然后以25℃/h的降温速率降温，到50℃以下时关闭气源和电源。 3．计量泵苯流量的标定。（上述三步由实验指导老师预先完成）。 4．打开氢气钢瓶减压表，开启气相色谱仪，分析条件为：柱室80℃，进样器150℃，桥流150MA,柱前压力0.15MPa。 5. 打开氢气钢瓶减压表，调节稳压、稳流阀，控制合适的氢气流量（400mL/min左右），通入反应器，目的是床层温度升高时使床层温度均匀，同时氢气又是反应原料气。 6．开启电源开关，设置好预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别为150、110、140、110℃左右。 7．调节预热器和反应器加热炉上、中、下三段的电流给定旋钮，预热器电流不超过1A，反应器加热炉上、中、下段不超过2Ａ，电流表有电流指示表明已开始加热。 8．待预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别达到所设定的温度时，开启计量泵，泵入苯，苯的流量根据停留时间的要求控制在某一适当的流量（苯的流