一 实验目的：
１ 掌握乙醇脱水实验反应过程和反应机理、特点，了解副反应和生成副产物的过程。
２ 学习气固相管式催化反应器构造、原理和使用方法，学习反应器正常操作和安装，掌握催化剂评价一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。
３ 学习自动控制仪表使用，如何设定温度和加热电流大小。怎样控制床层温度分布。
4 学习蠕动泵原理和使用方法，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，在工业生产中主要是用硫酸作用下催化乙醇脱水制备。但是这种方法存在着一定缺陷，如，劳动强度大、设备腐蚀严重、产品酸度高需要进行碱中和、对环境污染严重，使生产成本提高等[1]。这些问题引起了化工学者关注，着手开发可以取代硫酸的新型催化剂体系。
目前，国内国外已有大量关于乙醇脱水制乙醚固体催化剂研究开发的科技报道。经过化工学者努力已有一部分理想催化剂投入到乙醚工业生产中去，且实际使用情况非常好，基本上解决了硫酸催化乙醇脱水制乙醚所带来的生产问题，显示出了很高实际应用价值，使工业生产简单化，给工业化生产乙醚带来了革命性曙光。
当今，乙醚工业生产方法主要采用乙醇硫酸脱水法，乙醇氧化铝催化脱水法和乙烯水合生产乙醇副产乙醚法。国外主要采用乙烯水合法，其次采用乙醇氧化铝催化脱水法来弥补。
乙醇硫酸法：
2CH3CH2OH H2SO4 CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O
140 ℃
反应温度不得超过170 ℃，否则产生乙烯，工业上用乙醇脱水法制乙醚，常用氧化铝为催化剂，在300 ℃左右进行脱水反应
(乙醇氧化铝催化脱水法)
Al2O3
2CH3CH2OH ————— CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O
300 ℃
催化剂简介 (Ɣ-Al2O3)：
Ɣ-Al2O3不是纯粹的Al2O3，而是含有部分水的无定型多孔结构物。活性氧化铝是一种很有潜力的水处理机型吸附剂，应用较广的是一种多孔铝氧化物，外观为白色微细结晶或红色棒状物，其密度为3.5-3.9 g/cm3，熔点为2018 ℃，折射率1.7，比表面积为200-400 m2/g，化学活性低，化学性质稳定，吸附性能好，抗压和耐磨强度高，不溶于水，微溶于酸或碱。活性氧化铝具有两性吸附性质，通过调节溶液pH值可分离溶液中阴离子。
氧化铝用作催化剂和催化剂载体，因其具有特殊结构和优良性能，使之在许多催化领域，特别是在石油催化转化过程中得到了广泛应用。因此，人们对氧化铝制备、结构和性能等方面研究也日益深入。在石油催化转化方面，近年来由于重渣油加工技术开发，对加工过程中催化剂载体氧化铝又提出了许多新要求。例如，渣油加氢脱硫和脱金属要求适中表面积及一定比例大孔和小孔分布；加氢脱氮催化剂则要求能均匀负载高金属含量的高比表面积、大孔体积及适当比例中、小孔结构，并提出集中孔观点。
反应机理：
主反应：CH3CH2OH CH3CH2OCH2CH3+H2O
副反应：CH3CH2OH CH2CH2+H2O
在实验中，由于反应生成产物乙醚和未反应乙醇留在了液体冷凝器中，而其它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。
对于不同反应温度，通过计算不同转化率和反应速率，可得到不同反应温度下反应速率常数，并得到温度关联式。
三 实验仪器和药品
乙醇脱水气固反应器，气相色谱（自备），液体蠕动泵。
预热炉温度最高300度，加热炉温度最高800度。
乙醇脱水催化剂Ɣ-Al2O3，化学纯乙醇，分析纯乙醚，蒸馏水。
四 实验步骤
界面一
界面二
界面三
1、 准备工作:
(1)物料准备，将300ml95%的乙醇加入玻璃物料瓶中。
(2) 催化剂装填
先准备好催化剂, 然后用干量筒量取催化剂30 ml, 在精密天平上称重并记录。根据反应管内径, 计算出30 ml催化剂所占高度, 然后根据恒温区曲线确定其在反应管中最好装填位置。
准备2-3 mm碎瓷环 (或颗粒度较大的石英砂), 瓷环或石英砂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。
从装置上拆下反应管, 在反应器底部放入少量石英棉，然后放入适量高度瓷环或石英砂(以确保催化剂处于恒温区最佳位置为准), 准确量取瓷环或石英砂高度并记录。再放入少量石英棉, 将称量好催化剂，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。再装入碎瓷环或石英砂至反应管口 (切记不要填至反应管密封口处)。装填过程中可轻轻敲打反应管外壁, 以保证不出现架桥现象。然后将反应器顶部密封。
2、 将反应管放入到加热炉中，连接管道，拧紧卡套。关闭加热炉门。
3、 各流程及元件安装无误, 连接良好后。打开开启“电源开关”、“触摸屏开关”，进入界面一，在界面一中点击进入软件，然后进入界面二。
4、 打开钢瓶开关, 调节钢瓶输出压力为0.2-0.3 MPa。点击软件进入“操作流程界面”，点击界面控制区上右边的“气体流量开关”。在显示区将气体流量设置为100ml/min，然后打开进气阀，通气体进行试漏，直至不漏。关闭气体钢瓶阀，等流量计读数接近0时关闭流量计开关，停止通气。
5、在软件界面二中打开“预热炉开关”、“加热炉开关”、“冷水机开关”，设置预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别为150、380、400、410℃。 开始加热
6、将冷水机设定好所需温度，开启上面的水泵开关，冷凝水开始循环。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后，继续稳定10 min。然后开启“进料泵开关”，设置进料频率，乙醇加料速度为0.5～10.0 ml/min。在进料过程中检查检测反应温度是否接近反应所需的温度。否则需要对加热炉中段给定温度稍作调整。
7、 反应进行10 min后，正式开始实验。记录湿式流量计读数，应每隔一定时间记录反应温度、压力等实验条件。或者点击软件界面的采集数据进入采集界面三按时间间距手动采集数据，采集完成点击保存数据，然后返回流程图界面二。
8、反应开始每隔10～20 min打开阀5采样一次，每个温度至少取两个数据，粗产品从分离器中放入量筒内，气体排空。
9、 取少量液体样品，分析其组成，并计算出各组分百分含量。
10、 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原料转化率、产物乙醚收率、副产物乙烯生成速率等，并根据动力学模型，可得到反应速率常数。
11、实验结束，关闭进料泵，再关闭加热炉和预热器开关。20 min后关闭冷却水。退出软件关闭电脑，然后关闭电控箱面板的触摸屏开关和电源开关，切断实验电源。打扫整理实验操作台。
五 实验数据记录及处理
数据记录：
1 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。有必要，也可轻轻拉动反应器内测温热电偶，测定催化剂床层温度分布。
2 实验中，每次完成一个温度下实验时，应记录实验前后尾气流量计体积，同时称量反应时间内得到液体产物质量，并用气相色谱进行分析。
3 至少分析两次所得液体产物组成，并用校正因子校正所得含量，对液体进行物料恒算。
表：粗产品分析结果
|
反应温度/℃
|
乙醇
加入量ml
|
粗 产 品
|
|
水
|
乙 醇
|
乙 醚
|
乙 烯
|
|
含量%
|
质量%
|
含量%
|
质量%
|
含量%
|
质量%
|
含量%
|
质量%
|
|
280
|
10
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
320
|
10
|
|
|
|
|
|
|
|
|
数据处理：
1 根据记录数据，计算出原料乙醇转化率，产物乙醚收率，乙醇选择性。(取320 ℃时数据计算)
原料中乙醇量 - 产物中乙醇量
乙醇转化率 = —————————————————— × 100%
原料中乙醇量
2×生成乙醚量 (mol)
乙醇选择性 = ———————————— × 100% (乙醚)
反应乙醇量 (mol)
乙醚收率 = 乙醇转化率 × 乙醇选择性
2×生成乙烯量 (mol)
乙醇选择性 = ———————————— × 100% (乙烯)
反应乙醇量 (mol)
乙烯收率 = 乙醇转化率 × 乙醇选择性
六 实验结果讨论
１ 讨论原料乙醇转化率，产物乙醚收率，副产物乙烯含率，乙醇选择性等参数随反应温度变化规律，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。
3 回归温度和反应平衡常数、反应速率常数关系式。
![[1navlist:name]](/templates/cn/images/leftmenuicon.gif){kind=small}
