化工分离实验讲义

1实验一乙醇与正丁醇的精馏分离一、实验目的1．了解精馏是一个既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程。2.掌握精馏的原理及操作过程。3.能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。4.了解反应精馏与常规精馏的区别。5.学会分析塔内物料组成。二、实验原理利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如图所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提镏段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏的重要特点。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。反应精馏过程不同于一般精馏，它既有精馏的物理变化之传递现象，又有物质性质变化的化学反应现象。两者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下列两种情况特别适用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物质存在，则精馏过程可使其连续地从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因为它们的沸点接近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。2本实验以乙醇与正丁醇的混合物为原料，采用精馏方法将其进行分离。根据溶液的折射率确定液体组分含量。三、实验流程四、实验步骤1.溶液浓度与折射率关系曲线的确定分别测定乙醇、正丁醇以及一定组成混合液的折射率，作出浓度与折射率的关系曲线。2.将乙醇、正丁醇各200mL充分混合，测定折射率，确定溶液组成，然后加入塔釜内，开启釜加热系统、塔身保温开关以及塔顶冷凝水。塔釜设定温度200℃，上段保温设定100℃，中段保温设定120℃。3.当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作15分钟后，设定回流比为3：1，开启回流比控制电源，第一次取样，测折光率，确定液体组成。3.以后每隔15分钟从塔顶取样一次，测定折射率，确定液体浓度，总取样4次后停止加热，冷却后从塔底取样，测定折射率，确定塔底液浓度。记录各段实际温度。34.关闭塔釜及塔身加热电源，塔釜冷却后关闭冷凝水，最后关闭总电源。五、注意事项1、本实验装置全部采用玻璃制成，采用涂镀于塔体表面的导电透明膜对塔加热保温。在加热过程中不应过快，以免塔器炸裂。2、开车时，应先向塔顶分馏头通冷却水，再向塔釜加热。停车反之。3、连续精馏实验中，釜液流量通过计量泵计量。4、在实际操作中蒸发量过大，则会造成雾沫夹带，结果造成气液两相之间传质效果降低，严重影响产品的质量；严重时还会产生液泛现象，必须充分注意。5、严格按照操作规程进行操作。六、实验数据的处理1.样品质量浓度与折射率关系曲线的确定样品（配比）折射率乙醇，％正丁醇，％乙醇乙醇/正丁醇3：1乙醇/正丁醇2：1乙醇/正丁醇1：1正丁醇42.样品的折射率与液体浓度的确定样品折射率乙醇，％正丁醇，％原料液塔顶第一次塔顶第二次塔顶第三次塔顶第四次塔底七、结果分析与讨论八、思考题1.精馏过程的原理是什么?为什么精馏塔必须有回流?2.什么是全回流？全回流操作有哪些特点，在生产中有什么实际意义？如何测定全回流条件下的气液负荷？3.当回流比RRmin时，精馏塔是否还能进行操作？如何确定精馏塔的操作回流比？4.冷液进料对精馏塔操作有什么影响？进料口如何确定？5.精馏塔的常压操作如何实现？如果要改为加压或减压操作，如何实现？5实验二乙苯脱氢制苯乙烯实验指导书一、实验目的1.掌握乙苯脱氢的实验过程和反应机理、特点，了解副反应产物和生成副产物的过程。2.了解气固相管式反应器的构造、原理和使用方法，学会反应器的安装和操作，掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。3.学会使用动态控制仪表，会设定温度和加热电流大小，能控制床层温度分布。4.掌握气体在线分析方法，能够对样品进行定性、定量分析。了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。5.了解微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。二、实验仪器和药品乙苯脱氢气固反应器，气相色谱及计算机数据采集和处理系统，液体泵。乙苯脱氢催化剂，化学纯乙苯，蒸馏水。三、实验原理乙苯脱氢生成苯乙烯和氢气是一个吸热、分子数增加的可逆反应。提高反应温度、降低反应压力，都能提高反应转化率。乙苯脱氢生成苯乙烯反应转化率，不但受到催化剂和工艺条件的限制，更受到热力学平衡的限制。为了提高反应的单程转化率，在80年代国外开发了乙苯脱氢——氢氧化新工艺。我国燕山石化公司也在2001年首次采用了这种生产工艺。由于反应产物中的氢气可以和空气中的氧气发生氧化反应，这样就破坏了原来的化学平衡，使反应向着有利于生成苯乙烯的方向进行。同时，氢燃烧产生的热量，也正好用于反应物料的再加热，也有利于节约能源，降低生产成本。本实验仍然采用一步反应，即乙苯脱氢生成苯乙烯。该反应所用的催化剂为Pt/α-Al2O3，制备好后烘干、活化，得到工业用催化剂。乙苯脱氢生成苯乙烯过程，在水蒸气存在下，有以下反应：主反应：C6H5C2H5→C6H5C2H3+H2（1）副反应：C6H5C2H5→C6H6+C2H4（2）6C6H5C2H5+H2→C6H5CH3+CH4（3）C+2H2O→CO2+2H2CH4+H2O→CO+3H2C2H4+2H2O→2CO+4H2CO+H2O→CO2+H2在实验中，由于前两个副反应生成的产物苯和甲苯留在了液体冷凝液中，而其他几个副产物都是挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。不同反应温度下，反应（1）、（2）、（3）的反应热可以用下式估算：-ΔH1=-120679-4.56T（J/mol）（4）-ΔH2=-108750+7.95T（J/mol）（5）-ΔH3=53145+13.18T（J/mol）（6）主反应乙苯脱氢的化学平衡方程可以用下式来表示：LnKp=19.67-1.537×104/T-0.5223LnT（7）乙苯脱氢反应的动力学模型可以用Carra双曲模型：rsty=k1（pEB-pstyp2H/Kp）/（pEB+kapsty）（8）rBen=k2pEB/（pEB+kapsty）（9）rTol=k3pEBpsty/（pEB+kapsty）（10）式中：rsty、rBen、rTol（mol/kg.s）分别表示主产物苯乙烯生成速度、副产物苯和甲苯生成速度。pEB、psty、p2H（MPa）分别表示混合气中乙苯、苯乙烯和氢气的分压。对于不同的反应温度，通过计算不同的转化率和反应速率，可以得到不同反应温度下的反应速率常数，并得到温度的关联式。四、实验步骤1.实验流程见图1。7符号说明：TCl——控温热电偶；Tl——测温热电偶；Pl——压力计1---气体钢瓶；2---减压阀；3---稳压阀；4---转子流量计；5、5’---取样器；6---干燥器；7---预热炉；8---预热器；9---加热炉；10---反应器；11---冷凝器；12---尾液收集器；13---湿式流量计；14---进料管；15---液体泵图1.乙苯脱氢实验装置流程示意图2.装催化剂、连接反应器（1）在反应器底部放入少量岩棉，然后放入10～20cm高的瓷环，准确量取瓷环高度并记录，瓷环应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、高温烧结，以除去催化活性。（2）用量筒量取20mL催化剂，然后用天平称量出催化剂重量，并记录。（3）将称量好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂高度，确定催化剂在反应器内装填高度。（4）在催化剂上方继续加入瓷环，直到反应管顶部，然后将反应器顶部密封。（5）将反应管放入加热炉中，连接乙苯和水的进口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应器的接口，并把玻璃收集瓶和冷凝器连接好。玻璃收集瓶应放置在烧杯内，烧杯内装有适量的冰、盐混合物，以保持冷却温度在零度以下，使产物中的苯和甲苯能完全冷凝成液体，8而被收集起来，没有冷凝的氢气和甲烷、乙烷则进入到六通阀内进行分析，然后进入尾气湿式气体流量计计量尾气流量。3.按照实验要求，将反应器加热温度设定为620~630℃，预热器温度设定为300~500℃（可以根据反应器温度的分配情况调节）。在温度达到设定值后，继续稳定10～20分钟，然后加入乙苯和水。乙苯的加料速度为1.0～1.5mL/min。水和乙苯的进料摩尔比为8～9:1，并以此确定水的加料速度。4.反应进行20分钟后，正式开始实验。先换掉反应器下的吸收瓶，并换上清洗干净的新瓶，检查升降台的高度，并适量调节。记录湿式流量计读数，每隔一定时间记录反应温度等实验条件。5.每个温度反应30～60分钟，可以由每组学生自己确定。然后取下玻璃瓶，用天平对液体产物准确称重。6.改变反应温度，每次提高20～30℃，重复上述实验步骤，则得到不同反应温度下的原料转化率、产物苯乙烯收率、副产物苯和甲苯生成速率等，并根据动力学模型，可以得到反应速率常数。五、实验数据记录及处理1.数据记录：(1)在实验中，应每隔一定时间记录反应器和预热器加热温度、催化剂床层温度。如有必要，也可以轻轻拉动反应器内的测温热电偶，测定催化剂床层的温度分布。(2)实验中，每次完成一个温度下的实验时，应记录实验前后尾气流量计的体积，同时称量反应时间内得到的液体产物的重量，并用气相色谱进行分析（测定折射率，确定含量）。(3)至少分析两次所得液体产物的组成，并用校正因子校正所得的含量，对液体进行物料恒算。2.数据处理：(1)根据记录的数据，计算出原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含量，乙苯的选择性。(2)计算不同反应温度下，反应的化学平衡常数，并按照上面所述反应模型，计算出各步反应的反应速率和反应速率常数，并画图得到温度和反应速率常数的关系。六、实验结果讨论1.讨论原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含率，乙苯的选择性等9参数随反应温度变化的规律，并作图表示。2.讨论反应温度对反应平衡常数以及反应动力学常数的影响，并作图讨论。3.回归温度和反应平衡常数、反应速率常数的关系式。七、问答题1.反应转化率的提高和那些因素有关系？2.应如何提高反应的选择性？怎样使反应平衡向有利于产物苯乙烯生成的方向移动？3.如何使用和改变气相色谱条件？怎样确定最适宜的分析条件？4.怎样对液体产物进行定性和定量分析？如何求取校正因子？5.怎样对整个反应过程进行物料恒算？应该注意那些问题？6.实验中，那些简化的处理方法可能造成实验误差？应怎样进一步改进？7.谈谈在实验中得到的一些体会和对实验的建议。10实验三微型喷雾干燥造粒实验一、实验目的(1)了解微型喷雾干燥装置的结构。(2)熟悉微型喷雾干燥装置的基本原理及应用领域。(3)了解微型喷雾干燥装置的特点。二、基本原理微型喷雾干燥装置具有体积小、重量轻、易操作等优点。干燥塔的塔体为玻璃制成，塔直径只有130mm，塔高仅490mm，在实验操作过程中可观察到塔内喷嘴的雾化情况及造粒过程。喷雾干燥是干燥单元操作的特殊过程，主要用在化学工业的造粒，如催化剂的生产、染料的干燥；食品工业的饮料、奶粉制造；生物制药工业的药品生产等等，应用十分广泛。其基本原理都是将欲干燥的浆料分散成雾滴，然后与热气流接触，同时在瞬间脱水得到粉状或球状的颗粒。雾化是该装置最基本的条件，它依靠喷嘴去完成。喷头结构也有多种类型：通常有压力喷头、转盘和双流式等几种。本装置采用双流式喷嘴。操作方式为喷嘴在塔的顶部垂直向下雾化与从顶部进入的热风并流