实验六: 固体酸催化乙醇气相脱水制乙醚 84149318
一、 实验目的：
1．掌握乙醇脱水的反应过程及反应机理、特点，了解副反应和生成副产物的过程。
2. 掌握微反器的构造、原理和学习方法，学习反应器正常操作和安装，掌握催化剂的评价的一般的方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。
3. 学习自动控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流的大小。怎样控制床层温度分布。
4.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的选择, 学习采用内标法进行定量分析。 5. 学习微量泵的原理和使用方法。
二、实验原理：
乙醚是一种应用广泛的化工产品。目前在工业生产中主要采用硫酸作用下催化乙醇脱水的方法制备，但该方法存在明显的缺陷，如劳动强度大，设备腐蚀严重、对环境污染严重，使生产成本提高等。
本实验采用γ-Al2O3作为催化剂，在200-300℃左右进行脱水反应。实验条件下,乙醇脱水存在以下竞争反应:
主反应：
2CH3CH2OH→CH3CH2OCH2CH3+H2O 副反应：
CH3CH2OH→CH2=CH2+H2O
三、 实验仪器和药品：
微反装置，气相色谱仪和色谱工作站，微量液体泵, 样品筛(60-80目), 分析天平,样品管, 滴管
催化剂γ-Al2O3, 无水乙醇，乙醚，乙酸乙酯, 石英砂均为分析纯, 玻璃棉
四、 实验步骤：
图1 实验装置图 1. 准备工作： （1）色谱连接：
检查作为色谱载气的氮气钢瓶压力是否大于2.5kgf/cm2，如果低于该值要更换钢瓶，检查无误后，接好色谱载气接口，处理好色谱尾气接口，检查色谱柱的连接情况。 （2）催化剂的装填：
先准备好催化剂，然后用干量筒取催化剂5ml，在精密天平上称重并记录。根据反应管的内径，计算出催化剂所占的高度，然后根据恒温区曲线确定其在反应管内的最好填充位置。
从装置上拆下反应管，在反应器的底部放入少量的岩棉，然后加入适量高度处理过的瓷环和石英砂，再放入少量的岩棉，将称量好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微的振动，然后记录催化剂的高度，确定催化剂在反应器中的装填高度，再依次填入少量的岩棉、瓷环或石英砂、岩棉至反应管口，然后将反应器顶部密封。 （3）进料泵准备及流量校正 ：
液体物料由高压微量液体泵控制。放在原料瓶中的液体物料，经过过滤器进入到泵进口，液体从泵出口经三通阀打入到系统中进入与预热器预热，液体
的流量可以从面板上很方便的设备，读数从0.01-9.99可以任意选择，单位为ml/min。
2. 将反应管放入到加热炉中，把预热器出口与反应器的进口连接，把反应器出口和六通阀连接，各热电偶插入正确的位置。把玻璃收集瓶放在放液调节阀的出口。
3. 确认各流程及元件安装无误，连接良好后，插上设备电源开关。
4. 打开色谱载气钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.2-0.3MPa，调节色谱两通道压力调节阀，控制尾气流量为20-30ml/min。打开色谱总电源开关，按照实验的要求，调节好色谱条件：载气为氮气，柱箱温度：140℃，进样器温度：140℃， 检测器温度：150℃，色谱柱：乙醇脱水专用
5. 打开气路载气钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.4-0.5MPa。设置气体质量流量计为400SCCM，反应器加热温度为260 ℃[280 ℃]，预热器温度为100 ℃， 阀箱温度为100 ℃。设定无误后打开加热开关，开始加热。
6. 温度达到设定值后，继续稳定10-20分钟，然后开始加入乙醇，乙醇的加料速度为0.5-1.5 ml/min.[流速:1.0 ml/min]
7. 反应进行20分钟后，正式开始实验。每隔10-20分钟旋转六通阀进样一次，进行在线分析,同时记录反应器入口压力、反应器和预热器加热温度，催化剂床层温度等实验条件。
8. 取少量的液体样品，用气相色谱分析其组成，并计算各组分的百分含量。每个温度至少取两个数据，同温度下取样时间间隔10min,粗产品从分离器中放入量筒内，气体排空。取样量为1mL, 称量样品质量.
9. 改变反应温度，每次提高20-30℃，待温度稳定10-20 min后重复上述实验步骤，则得到不同温度下的原料转化率，产物乙醚收率、副产物乙烯的生成速率等，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
数据记录：
1、实验中，应每隔一定的时间记录反应器和预热器加热温度，催化剂床层温度，有必要，也可轻轻拉动反应器内测热电偶，测定催化剂床层的温度分布。 2、每一个温度下实验时，在一定时间内取液相产品样,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。所得液体产物的组成用内标法定量分析，用乙酸乙酯作为内标物。
表1 实验条件及取样量
表2 色谱分析结果
数据处理：
mi
fi'A
乙醇、乙醚的相对校正因子的测定：fi='=i
msfs
As样品中i组分的质量mi: mi=
Ai⋅fi
ms
As⋅fs
f′: 绝对校正因子 f: 相对校正因子 m: 样品质量 A: 气相色谱峰面积 下标i表示样品 下标s表示标准物
1. 根据色谱分析结果,按内标法公式计算液相产物中各组分的含量.
2. 根据记录的数据，计算出原料乙醇的转化率，产物乙醚的收率，乙醇的选择性。
乙醇转化率=
原料中乙醇的量-产物中乙醇的量
原料中乙醇的量⨯10%0
乙醚的选择性=
2⨯生成乙醚的摩尔量
反应的乙醇的摩尔量
⨯100%
乙醚的收率=乙醇的转化率⨯乙醚的选择性
乙烯的选择性=
生成乙烯的摩尔量
反应的乙醇的摩尔量
⨯100%
乙烯的收率=乙醇的转化率×乙烯的选择性
以某一反应温度下的数据处理为例的计算过程：
六、 实验结果与讨论
1. 讨论原料乙醇的转化率，产物乙醚的收率，副产物乙烯收率，乙醚的选择性等参数随反应温度变化的规律，并作图表示。
2. 讨论反应温度变化对反应平衡常数的影响，反应动力学常数变化的影响，并作图讨论。
七、 思考题
1. 反应转化率的提高和哪些因素有关？
2. 应如何提高反应的选择性？怎样使反应的平衡向有利于产物乙醚生成的方向发展？
3. 如何使用和改变气相色谱的条件？怎样确定最适应的分析条件？ 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？应该注意哪些问题？
6. 实验中哪些简化的处理方法可能造成实验误差？应该怎样进一步改进？ 7. 谈谈在实验中得到的体会和对实验的意义。
实验六: 固体酸催化乙醇气相脱水制乙醚 84149318
一、 实验目的：
1．掌握乙醇脱水的反应过程及反应机理、特点，了解副反应和生成副产物的过程。
2. 掌握微反器的构造、原理和学习方法，学习反应器正常操作和安装，掌握催化剂的评价的一般的方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。
3. 学习自动控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流的大小。怎样控制床层温度分布。
4.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的选择, 学习采用内标法进行定量分析。 5. 学习微量泵的原理和使用方法。
二、实验原理：
乙醚是一种应用广泛的化工产品。目前在工业生产中主要采用硫酸作用下催化乙醇脱水的方法制备，但该方法存在明显的缺陷，如劳动强度大，设备腐蚀严重、对环境污染严重，使生产成本提高等。
本实验采用γ-Al2O3作为催化剂，在200-300℃左右进行脱水反应。实验条件下,乙醇脱水存在以下竞争反应:
主反应：
2CH3CH2OH→CH3CH2OCH2CH3+H2O 副反应：
CH3CH2OH→CH2=CH2+H2O
三、 实验仪器和药品：
微反装置，气相色谱仪和色谱工作站，微量液体泵, 样品筛(60-80目), 分析天平,样品管, 滴管
催化剂γ-Al2O3, 无水乙醇，乙醚，乙酸乙酯, 石英砂均为分析纯, 玻璃棉
四、 实验步骤：
图1 实验装置图 1. 准备工作： （1）色谱连接：
检查作为色谱载气的氮气钢瓶压力是否大于2.5kgf/cm2，如果低于该值要更换钢瓶，检查无误后，接好色谱载气接口，处理好色谱尾气接口，检查色谱柱的连接情况。 （2）催化剂的装填：
先准备好催化剂，然后用干量筒取催化剂5ml，在精密天平上称重并记录。根据反应管的内径，计算出催化剂所占的高度，然后根据恒温区曲线确定其在反应管内的最好填充位置。
从装置上拆下反应管，在反应器的底部放入少量的岩棉，然后加入适量高度处理过的瓷环和石英砂，再放入少量的岩棉，将称量好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微的振动，然后记录催化剂的高度，确定催化剂在反应器中的装填高度，再依次填入少量的岩棉、瓷环或石英砂、岩棉至反应管口，然后将反应器顶部密封。 （3）进料泵准备及流量校正 ：
液体物料由高压微量液体泵控制。放在原料瓶中的液体物料，经过过滤器进入到泵进口，液体从泵出口经三通阀打入到系统中进入与预热器预热，液体
的流量可以从面板上很方便的设备，读数从0.01-9.99可以任意选择，单位为ml/min。
2. 将反应管放入到加热炉中，把预热器出口与反应器的进口连接，把反应器出口和六通阀连接，各热电偶插入正确的位置。把玻璃收集瓶放在放液调节阀的出口。
3. 确认各流程及元件安装无误，连接良好后，插上设备电源开关。
4. 打开色谱载气钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.2-0.3MPa，调节色谱两通道压力调节阀，控制尾气流量为20-30ml/min。打开色谱总电源开关，按照实验的要求，调节好色谱条件：载气为氮气，柱箱温度：140℃，进样器温度：140℃， 检测器温度：150℃，色谱柱：乙醇脱水专用
5. 打开气路载气钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.4-0.5MPa。设置气体质量流量计为400SCCM，反应器加热温度为260 ℃[280 ℃]，预热器温度为100 ℃， 阀箱温度为100 ℃。设定无误后打开加热开关，开始加热。
6. 温度达到设定值后，继续稳定10-20分钟，然后开始加入乙醇，乙醇的加料速度为0.5-1.5 ml/min.[流速:1.0 ml/min]
7. 反应进行20分钟后，正式开始实验。每隔10-20分钟旋转六通阀进样一次，进行在线分析,同时记录反应器入口压力、反应器和预热器加热温度，催化剂床层温度等实验条件。
8. 取少量的液体样品，用气相色谱分析其组成，并计算各组分的百分含量。每个温度至少取两个数据，同温度下取样时间间隔10min,粗产品从分离器中放入量筒内，气体排空。取样量为1mL, 称量样品质量.
9. 改变反应温度，每次提高20-30℃，待温度稳定10-20 min后重复上述实验步骤，则得到不同温度下的原料转化率，产物乙醚收率、副产物乙烯的生成速率等，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
数据记录：
1、实验中，应每隔一定的时间记录反应器和预热器加热温度，催化剂床层温度，有必要，也可轻轻拉动反应器内测热电偶，测定催化剂床层的温度分布。 2、每一个温度下实验时，在一定时间内取液相产品样,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。所得液体产物的组成用内标法定量分析，用乙酸乙酯作为内标物。
表1 实验条件及取样量
表2 色谱分析结果
数据处理：
mi
fi'A
乙醇、乙醚的相对校正因子的测定：fi='=i
msfs
As样品中i组分的质量mi: mi=
Ai⋅fi
ms
As⋅fs
f′: 绝对校正因子 f: 相对校正因子 m: 样品质量 A: 气相色谱峰面积 下标i表示样品 下标s表示标准物
1. 根据色谱分析结果,按内标法公式计算液相产物中各组分的含量.
2. 根据记录的数据，计算出原料乙醇的转化率，产物乙醚的收率，乙醇的选择性。
乙醇转化率=
原料中乙醇的量-产物中乙醇的量
原料中乙醇的量⨯10%0
乙醚的选择性=
2⨯生成乙醚的摩尔量
反应的乙醇的摩尔量
⨯100%
乙醚的收率=乙醇的转化率⨯乙醚的选择性
乙烯的选择性=
生成乙烯的摩尔量
反应的乙醇的摩尔量
⨯100%
乙烯的收率=乙醇的转化率×乙烯的选择性
以某一反应温度下的数据处理为例的计算过程：
六、 实验结果与讨论
1. 讨论原料乙醇的转化率，产物乙醚的收率，副产物乙烯收率，乙醚的选择性等参数随反应温度变化的规律，并作图表示。
2. 讨论反应温度变化对反应平衡常数的影响，反应动力学常数变化的影响，并作图讨论。
七、 思考题
1. 反应转化率的提高和哪些因素有关？
2. 应如何提高反应的选择性？怎样使反应的平衡向有利于产物乙醚生成的方向发展？
3. 如何使用和改变气相色谱的条件？怎样确定最适应的分析条件？ 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？应该注意哪些问题？
6. 实验中哪些简化的处理方法可能造成实验误差？应该怎样进一步改进？ 7. 谈谈在实验中得到的体会和对实验的意义。