加压氢化反应的虚拟仿真实验.pdfVIP

加压氢化反应的虚拟仿真实验 1.1 实验目的 加压氢化作为一种重要的技术与手段，在石油化工、精细化工、有机及药物 合成、材料科学等领域都有广泛应用，制备过程涉及催化氢化的产品有几千种。 催化氢化具有反应收率高、原子经济性高、污染少等特点。随着反应技术与方法 的发展，催化加氢已成为化学相关专业不可或缺的一种技术方法。 氢化反应应用广泛，但反应过程存在多种风险。主要有一下三种风险： 1）燃爆风险，氢气爆炸极限是4%～75% （体积浓度），且氢气比重小、易扩散、 燃点低，遇火花、摩擦或雷电感应等都可能引发爆炸。 2）氢化反应常需要在加压条件下进行，需要使用特种设备，而且多为强放热反 应，温度不易控制。 3）反应中使用的部分金属催化剂如Raney Ni 等，极易在空气中自燃。这些因素 大大限制了氢化反应在日常实验教学中的应用。 氢化反应种类繁多，从学生知识学习和能力培养的角度出发，本项目以三位 诺贝尔奖获得者Paul Sabatier，Geoffrey Wilkinson，Ryōji Noyori （野依良治）的 工作为基础，选择三类典型的催化剂 （非均相金属催化剂，均相催化剂，含手性 配体催化剂），通过虚拟仿真实验，预期达到以下教学目的： 按照加压氢化反应的安全规程要求使用危险气体及高压设备，培养学生安 全意识； 仿真操作加压氢化装置，培养学生基本动手能力； 完成加压氢化反应的参数设计，培养学生实验设计能力； 实现加压氢化实验条件优化设计，培养学生自主研究能力； 体会科学实验中重大发现和研究成果的应用，培养学生人文素质和创新意识。 1.2 实验原理 加压氢化反应是指在高压釜内使用催化剂，在特定的温度和氢气压力下，对 化合物进行催化加氢的反应。根据三位诺贝尔奖获得者在不同时期的相关工作， 选取三种典型的催化剂，进行不同目的的教学内容。在实现过程中，使用多种软 件技术，实现高压釜的使用、危险气体操作、加压氢化装置的使用等进行3D 仿 真操作。同时，根据实验数据，对均相催化反应建立数学仿真模型，便于学生在 自主设定条件的情况下，给出接近于真实实验的结果，实现了过程仿真与结果仿 真，整体仿真度接近90%。 知识点：共 5 个 （1）氢气安全知识与操作 （2）高压釜结构与使用 （3）气体置换操作 （4）催化加氢反应的操作 （5）改变单一反应条件，对反应条件进行优化。 1.3具体操作步骤 虚拟仿真软件系统共分四个模块，交互性操作步骤将按按模块分别加以说明： 1.3.1 基本单元操作模块 主要交互性操作步骤及说明： 表2. “基本单元操作”模块的交互性操作 交互性操作 说明 步骤编号 1 完成安全知识选择题与判断对错题目，检测学习效果 2 仿真操作应完成高压釜盖与釜体的连接与安装，拆卸 3 控制管路，向高压釜内充入指定压力的气体，并放气 4 使用氮气及氢气完成气体置换 主要是通过资料、视频等学习相关知识，在系统指导(提示)下完成仿真操作。 具体内容及说明：学习安全事项、操作的基本方法与规程； 阅读 《GB4962-2008 氢气使用安全技术规程》及高压气体相关演示文档、视 频，学习高压下氢气和氮气的基本安全知识和使用注意事项；完成选择题与判断 对错题目，检测学习效果。此模块只有全部答对才能到下一环节。 5 图 安全知识界面 1、学习高压釜的结构，仿真操作拆装高压釜； 2、反应容器由不锈钢制备的釜体和釜盖组成。釜体与法兰螺纹相连，釜盖与法 兰间采用螺栓连接，釜盖上的球面与釜体上的锥面形成线接触密封，无需垫片。 釜盖上装有压力表、爆破片、N 进气阀、H 进气阀、取样阀、冷却水管接头、 2 2 测温铂电阻插口、排气阀等。 3、学生通过观看视频和高压釜操作规程，了解高压釜的结构：认识压力表、爆 破片、各种阀门、接口等的位置及用途。 4、仿真操作应完成高压釜盖与釜体的连接：