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1、.实验六正丁烷氧化制顺丁烯二酸酐 一、实验目的 1、学习固定床反响器的流程布置及一般控制原理，了解气固相催化反响中温度和气体空速单位时间单位催化剂通过原料气的量变化对反响过程的影响。2、学习使用气相色谱分析气体含量，并学会用色谱对气体定性和定量分析的方法，掌握气体校正因子的计算和气体真实含量的计算。3.掌握自动化控制仪表在实验中的应用，学会不同仪表的使用和温度设置。了解气体质量流量计的原理和使用，并掌握气体流量的测试方法。4.了解气体六通阀的原理，了解气体自动进样分析的管路连接方式，了解色谱工作站的局部使用。二、实验原理 1、苯氧化法：通常采用VPTO催化剂，在固定床或流化床反响器于38045
2、0下反响。该方法工艺路线成熟，原料易得，是国应用比拟普遍的方法，但是由于在苯的六个碳中有两个变成CO2，对原料浪费较大，在国际上开场被正丁烷氧化代替。C6H6+4.5O2C4H2O3+CO2+H2O 2、碳四馏分氧化法 CH3-CH2-CH2-CH3+2O2C4H2O3+H2O 丁烷是碳四馏分中最廉价又容易获得的原料，它与空气混合氧化生产本钱较低，采用VOP催化剂，由于能充分利用原料，且原料的重量收率较高，近年来该法开展迅速，工业上已有替代苯氧化法的趋势，本实验采用此方法。但是，由于近年国际市场石油价格变动较大，丁烷气的价格也变化较大，使该工艺在原料材料价格上不占优势。同时，由于丁烷气在空气中
3、的爆炸极限只有1.8%，在用固定床进展生产时，反响放热剧烈，反响器体积和操作空速要求较高，生产的工艺要求和技术比苯直接氧化法高，现在国际上使用流化床反响器，可以使原料气浓度在丁烷的爆炸上限围，即40%以上，但该反响器对催化剂强度和活性要求较高，在我国尚未投入生产。三、实验流程及仪器设备 本实验由原料气配气系统，反响器控温系统，催化反响器，产物吸收及气相色谱分析系统组成。具体介绍如下：1、原料气配气系统由液化丁烷气罐、空气压缩机、空气储罐、丁烷气体及空气质量流量计、原料气混合罐组成。空气首先由压缩机压缩到空气储气罐里，然后经过减压阀到空气流量计，流量计的读数由显示仪控制，一般为1000ml/mi
4、n左右，注意流量计的读数是指气体在标准状态下的体积，不是实际测定状态下的体积或质量流量，流量计的读数和气体温度、压力没有太大关系。可.以换算摩尔或质量。丁烷经过减压阀也到质量流量计，并根据实验的条件，一般控制和空气的体积比为1.6%以下，以免发生爆炸危险。丁烷气体质量流量计的读数需乘以0.29，才是丁烷的标准体积。和空气分别进入红色混合罐的上部，并在罐进展混合，当混合气体的压力到达0.2Mpa时，才能开场实验。配好的反响原料气从罐的下部出来，分别进入到稳压阀、压力表和气体六通阀，然后进入每个反响器的转子流量计，可以根据实验要求调节进入反响器的流量。2、反响器控温系统 反响器采用三段加热系统控制
5、，每段加热功率1000W，分别控制反响器上段、中段和下段。反响器上段加热主要起对原料气进展预热，由位式仪表控制，该仪表使用时需设定高限和低限温度，控温精度较差，电流一般不大于1.5A。反响器中段温度采用人工智能仪表控制，只需要设定一个温度，使用方便，控制精度高，被用来控制床层中段的催化剂温度，加热电流不大于1.5A。下段加热和上段加热一样，使用位式仪表控制，主要是防止产物顺丁烯二酸酐在出口和反响器底部凝结堵塞。3、反响器 反响器由不锈钢制造，径20mm，长度为500mm。反响器底部装有支撑作用的瓷环，然后在中部装填催化剂，装填量20毫升堆体积，催化剂上部再装入瓷环，用于对原料气加热。反响管插入
6、三个加热炉，分别给反响管的上、中、下三台仪表控制，为了到达最好的恒温区，三块仪表的温度通常设置一样，一般和反响所需要的温度一样。为了准确测定催化剂的温度，在开场装填催化剂的时候，首先在反响器中心插入一根一端封死的3mm金属管。准确测量催化剂在反响器的起始高度，然后慢慢震荡参加用量筒准确测量体积的催化剂，并用天平称量重量。在催化剂参加完毕后，再测量出催化剂在反响器的高度。金属管可以插入热电偶，用于测量催化剂床层的中心温度，当热电偶在床层上下移动时，可以测定催化剂床层的轴向温度分布，并确定床层的热点温度和位置。4、产物吸收 丁烷气通过催化剂床层时被空气氧化，局部变成产物顺丁烯二酸，还有少量的变成C
7、O和CO2，产物和没有反响的气体一起从反响器下部流出，进入到水吸收瓶，吸收瓶参加少量蒸馏水，产物中的顺丁烯二酸酐被水吸收，变成顺丁烯二酸，没有反响的气体经过六通阀，可以分析丁烷含量，然后经过湿式气体流量计，记录尾气总体积后排入大气中。5、色谱在线分析 混合好的原料气和反响完毕的气体，均分别通过不同的六通阀进入气相色谱进展分析，色谱柱为邻苯二甲酸二壬酯，使用95，检测室100温度，柱前压0.05Mpa，色谱出峰的顺序为空气0.2min，水0.4min，丁烷1.41.7min，由于水对结果没有太大的影响，且尾气里的水多数是由于吸收饱和，含量不高，故为了方便数据处理，一般把空气和水峰放在一起。丁烷的
8、含量采用归一法处理，因为原料气用质量流量计配制，可以作为标准气体来分析，用原料分析进样，可以得到原料气在色谱的分析结果，由此计算出丁烷相对空气的校.正因子，然后，将几次分析得到的校正因子平均。将用尾气分析阀进样得到数值用校正因子计算，可得到尾气里丁烷的真实含量。四、实验流程图 五、操作步骤 1.调节转子流量计，使流量在0.2L/min。取下尾气吸收瓶，将其洗净，并换上蒸馏水约2/3处，并记下湿式流量计的读数。2.翻开主电源，然后在分别翻开上、中、下三段加热电源，再翻开显示仪表电源。按仪表使用说明，调节三段的加热温度为360、360、360，保持每段的加热电流不得超过1.5A。3.反响器中段状填
9、催化剂，使用程序仪表控制。按设定键，设定灯开场闪亮，此时可通过上下光标键调节温度值到需要的数值，然后再按设定键即可完成。4.当反响器每段温度都到达设定值后，再稳定15分钟，然后开场正式实验。将吸收瓶清洗干净，然后参加适量的水，使出气管能在水中鼓泡即可。记录尾气流量计的读数，记录开场实验的时间，以吸收瓶开场换上的时间为准。5.每个温度条件下实验持续30分钟，在30分钟应分析原料和尾气含量两次，并记录反响温度和床层中心轴向温度分布和热点温度。实验完毕时换下吸收瓶，记录尾气流量计的读数，前后的差值即30分钟渡过反响器的尾气 原料 气体体积。吸收瓶的酸溶液用稀碱滴定。6.改变反响器各段的温度为380和
10、380，当温度稳定时，再重复上述步骤，再做两组实验,完成后再改变各段温度为400，完成一样的步骤。7.色谱分析采用六通阀进样，一般阀应顺时针放置在进样位置，在点击工作站到出现 确定键的界面后，向逆时针方向转动阀，使分析样品进入六通阀的定量管，20秒以后再点击工作站的确定键的同时将阀转到进样位置。六、原始数据记录 表1 反响温度与流量计读数原始数据表 温度/时间 上段温度/下段温度/中段温度/热点温度/空气流量计读数 泵丁烷读数 360 9:44 360 200 360 365.9 983.7 50.4 10:04 360 205 360 365.6 985.6 50.1 10:14 360 2
11、07 360 365.6 986.3 50.3 380 10:37 380 218 380 386.1 987.1 50.5 10:47 380 221 380 386.1 986.8 50.0 10:57 380 222 380 386.0 986.1 50.0 11:05 380 223 380 385.8 985.7 50.1 400 11:28 400 233 400 406.5 927.9 51.5.11:35 400 234 400 406.7 958.3 50.9 11:43 400 235 400 406.3 957.0 50.7 11:51 400 236 400 406.7
12、 956.5 50.8 11:58 400 237 400 406.4 957.3 50.7 表2 原料和尾气含量原始数据表 温度/工程 物质 保存时间 峰面积 峰面积%360 原料气 1 空气 0.219 1483014 98.95162 丁烷 1.234 15712 1.04838 原料气 2 空气 0.211 1484620 98.93596 丁烷 1.221 15967 1.06404 尾气 1 空气 0.458 1283276 99.10071 丁烷 2.179 11645 0.89929 尾气 2 空气 0.399 1184707 99.14820 丁烷 1.902 10178 0
13、.85180 380 原料气 1 空气 0.224 1509882 98.96804 丁烷 1.226 15744 1.03196 原料气 2 空气 0.247 1795560 98.99752 丁烷 1.313 18182 1.00248 尾气 1 空气 0.293 806106 99.74740 丁烷 1.341 2041 0.25260 尾气 2 空气 0.296 848475 99.74775 丁烷 1.421 2146 0.25225 400 原料气 1 空气 0.229 1775596 98.43241 丁烷 1.674 2/781 1.15205 原料气 2 空气 0.209 1
14、646566 98.95495 丁烷 1.591 17389 1.04505 尾气 1 空气 0.298 842380 99.85693 丁烷 1.382 1207 0.14307 尾气 2 空气 0.303 850334 99.87568 丁烷 1.403 934 0.2432 表3 产物滴定原始数据表 设定温度/流量计初始读数/L 完毕读数/L 所测量体积数值/L 所用 NaOH 溶液体积/mL 360 29763.77 29771.14 7.37 2.32 380 29775.36 29783.36 8.00 2.30 400 29787.28 29796.49 9.21 3.45 七、
15、实验数据处理及计算举例 表 4 原料气丁烷浓度数据表 温度/原料气丁烷平均浓度 尾气取样总体积/L 360 0.01458 7.37.380 0.01453 8.00 400 0.01529 9.21 表 5 丁烷相对空气校正因子 f 表 工程 温度/丁烷相对空气校正因子 f 第一组原料气 第二组原料气 平均值 360 1.39659 1.37577 1.38618 380 1.41394 1.45600 1.43497 400 1.32647 1.47002 1.39825 表 6 尾气丁烷浓度 CA表 工程 温度/尾气丁烷浓度 CA 第一组尾气 第二组尾气 平均值 360 0.012515
16、 0.011681 0.012098 380 0.003567 0.003669 0.003618 400 0.001897 0.001612 0.001755 表 7 正丁烷转化率、顺酐收率、选择性数据表 温度/转化率*/%收率 Y/%选择性 S/%360 17.03 4.13 14.37 380 75.10 3.79 2.99 400 88.52 4.69 3.14 计算举例：以380时，第一组原料气和第一组尾气为例：1、原料气丁烷浓度计算 2、丁烷相对空气校正因子计算 可得：3、尾气丁烷浓度 CA计算 4、正丁烷转化率计算 5、顺酐收率计算 6、顺酐选择性计算 八、实验结果分析与讨论 由
17、数据分析可知，正丁烷转化率随反响温度升高而增大，本反响是可逆放热反响，故反响温度应该尽量靠近处在最正确反响温度的一侧，这样既可以保证实验快速高效地完成；顺酐收率随反响温度升高先减小后增大，而可以观察到顺酐选择性随反响温度减小。这就说明当反响温度过高时，副反响加剧是引起收率降低的主要原因。其深层次原因是该反响的副反响属于连串反响，因此转化率最大时收率并不会同时到达最大而是有一最适温度和转化率。而本实验存在较大误差，本组实验时，由于柱温较低，导致保存时间很长，当时后两组温度采用的是教师预实验的数据，使得实验结果不理想。九、思考题 1、为什么在用质量流量计准确配置原料气浓度后，仍然用色谱分析原料浓度
18、？.答：原料气采用质量流量计配置，可以作为标准气体来分析，用原料气分析进样，则可以得到原料气在色谱的分析结果，由此可以反算出丁烷相对空气的校正因子。将几次分析得到的校正因子平均，将用尾气分析阀进样得到数值用校正因子计算，可得到尾气里丁烷的真实含量。2、如何利用质量流量计读数计算气体的摩尔浓度？答：气体浓度 本实验中，校正后丁烷质量流量计读数为丁烷质量流量计读数乘以 0.29 后的值，而校正后的空气质量流量计读数等于空气质量流量计读数。3、如何计算气体的校正因子？如何计算气体的准确浓度？答：利用流量计定量进样配置标准气体，而后根据气相色谱峰面积，利用下面公式列出方程组，即可以得到气体中各组成的相
19、对校正因子。利用此公式正向运算，就可以求出气体的准确浓度。4、怎样选择反响温度？反响温度对实验结果有什么影响？答：本反响是可逆放热反响，故反响温度应该尽量靠近处在最正确反响温度的一侧，这样既可以保证实验快速高效地完成，如果反响温度离最正确反响温度较远，则反响速率很慢，改变反响温度，到达稳态需要较长的时间，不利于实验的操作。在本次实验中，反响温度越高，反响转化率越高。5、如何测定反响温度？如何确定反响器热点温度？有什么意义？答：温度即床层温度，在开场装填催化剂时，首先在反响器中心插入一根一端金属管，金属管可以插入热电偶，用语测量催化剂床层的中心温度，当热电偶在床层上下移动时，还可以测定催化剂床层
20、的轴向温度分布，并确定床层的热点温度和位置。确定反响热点温度，有助于判断反响是否正常进展。6、利用尾气流量计计算收率和选择性有什么误差？如何修正？答：实验中测量的数据是在非标准状态下的，而流量计的刻度是以标准状况下的气体标定的。需将其换算成标准状态的体积。7、六通阀在线分析的原理是什么？画图说明。答：有一个固定的气孔和一个可 60转动的芯，转芯上有可以覆盖两个孔的联通凹槽。随着转芯的左右转动，起到一个气路切换的作用。比方六个固定气孔如上图，当六通阀的转芯如第一幅图时，联通的三路气路是载气-载气，空气-右通路，空气-样品；当六通阀的转芯如第三幅图时，被联通的气路就改变为载气-样品，载气-左通路，
21、空气-空气。六通阀在线分.析的工作原理根本如上。8、如何使用温度控制仪表？控制仪表有那些不同？答：旧式加热仪表，先按 para 键，仪表显示窗显示 LAL，通过按 down 或 up 键可以减少或增加温度到需要设定的温度下限数值，再按 para 键，仪表显示窗显示 L，可设定该值为 0。再按 para 键，仪表显示窗显示 L HAL，按 down 或 up 键调节温度到需要的上限值为了控制准确，可以将上下限设为一样的数值，以提高控制精度。旧式控制仪表的控温必须通过设定上下限温度使温度在此围波动。对于新式温度控制仪表，按设定键，设定灯开场闪亮，此时可通过上下光标键调节温度值到需要的数值，然后再按设定键即可完成。新式仪表的控温只需通过改变目标温度，就可以使温度在设定值上下波动。