最新化学反应工程实验

化学反应工程实验

化学反应工程实验

河北科技大学

化学与制药工程学院

化学反应工程课程组

实验1 二氧化碳甲烷化反应动力学的测定

一、实验目的

测定催化剂的反应动力学数据及确定动力学方程中各参数值是化学动力学研究的重要内容，也是工业反应器设计的基础。本实验通过测定不同温度下、不同初始组成的二氧化碳甲烷化反应的转化率，掌握一种获得气固相催化反应速度常数以及吸附平衡常数的定方法。

二、实验原理

二氧化碳与水蒸汽在镍催化剂存在下，进行如下甲烷化反应：

2242298CO +4H =CH +2H O 16508kJ/mol H .?=-

催化剂以氧化镍为主要成分，三氧化二铝为载体，氧化镁或三氧化二铬为促进剂，在使用前，需将氧化镍还原成具有催化活性的金属镍。

反应的动力学方程为：

()

22

2

22

2222213

CO CO H CO 2CO CO H H H O H O

d mol CO /(s g cat.)d 1/N kp p r W

K

p K p K p =-

=

?+++

2

2

0CO 0CO d d d 224d N V y x W

.W

-

=

()

2

22222222

13

CO H 0

0CO CO CO H H H O H O

d 224d 1/kp p x .W V y K p K p K p ∴=+++ 分离变量并积分得：

()2

222222

2

2

CO CO H H H O H O

0CO

130

CO H 1d 224x

/K

p K p K p V y W x .k

p p +++=

?

因为二氧化碳甲烷化反应为变体积的反应，各组分分压可表示为（假设混合气体在低压下符合道尔顿分压定律）：

222222222222222200

CO CO CO CO CO 00

H O H O CO CO CO 000H H H CO CO CO (1))2(1)

(4)(1)

p py py x y x p py py x y x p py p y y x y x δδδ?==-+??==+??==-+?? 以上各式中，k 为反应速度常数；222(=CO , H O, H )i K i 为各组分的吸附平衡

常数；222CO H O H y ,y ,y 为反应物瞬时摩尔分率；222

000

CO H O H y ,y ,y 为初始反应物摩尔分率；0V 为进口混合气体流量，Nm 3/h ；W 为催化剂质量，g ；2CO δ为该反应的化学膨胀因子，这里为-2。

反应速度常数和各组分的吸附平衡常数分别满足阿累尼乌斯方程和范特霍夫方程，即：

0e E /RT k k -= 0e i Ea /RT i i ,K K -=

因此，动力学方程中共有8个待定参数。利用积分反应器测定不同温度、不同入口初始组成时二氧化碳的出口转化率x ，以0 k ,E i i ,K ,Ea 为变量，转化率x 的计算值与实验值相对误差的平方和为目标函数，用参数估值的方法可得出各待定参数0 k ,E i i ,K ,Ea 的值。

三、实验装置及流程

实验流程见图1，反应管为φ20×3不锈钢管，内径φ14，内装催化剂0.5g 左右（以实际称量值为准），催化剂粒度0.2～0.3mm ，催化床中部插有热电偶，并与测温仪表相连测定反应温度。

来自钢瓶的氮气、氢气和二氧化碳，分别经减压阀和过滤器后，用质量流量计调节流量。三股气体经过混合器进入预热器。经过预热的混合气体再进入反应器中反应，反应后的气体经冷却除去冷凝水后去气相色谱进行分析或放空。

图1 实验流程图

四、实验步骤

1．启动

按实验流程将反应管接入体系中，打开氮气、氢气和二氧化碳钢瓶的总阀门，用减压阀调节出口压力至0.1MPa。将控制柜各调节旋扭回零后，再按下控制柜开关，检查各仪表显示是否正常。

2．系统试漏

将系统用氮气充压400mm水柱，封闭体系，若十分钟内压差不变，证明系统不漏气。否则，应仔细检查，消除漏点，重新试验，直到合格为止。

3．催化剂升温还原

准确称取催化剂0.5g （精确到小数点后三位），在教师指导下，将催化剂装入催化床，然后将反应管接入系统。经再次试漏后，准备升温还原。 用质量流量计调节氮气流量为50 ml/min ，置换系统2 min ，除去残余的空气。在氮气的吹扫下，通过调节温控仪表将预热器和反应器在15 min 升温至300 ℃。然后，配入氢气，使反应器温度在1 h 升温至400℃，再恒温1 h ，还原结束。

4．不同温度下二氧化碳转化率的测定

还原结束后将反应器温度降至240℃，调节氢气、二氧化碳和氮气流量，恒定15分钟后测定二氧化碳的转化率。改变组成或空速，继续测定，要求每一温度至少测定四点。在测定过程中，反应器温度必须恒定，温度波动不大于0.5℃，各气体流量必须稳定不变。同时要选择合适的空速或组成，使所测各点变换率在30～70%之间。

将炉温升高20℃左右，重复上述过程。要求至少测定四个温度下的数据。并按表1记录格式详细记录所需数据。

表1 数据记录表

（1）原料气中各组分摩尔分率的计算

2220

(=H , N , CO )i i

i

V y i V =∑ 式中：0i V 为各气体体积流量(mL/min)。 （2）计算二氧化碳转化率

22

2

2

0'CO CO 0'CO CO 10014y y x %y

(y

)

-=

?-

式中：20CO y 为反应原料气中CO 2的摩尔分率，2

'

CO y 为反应器出口体中的CO 2的干基摩尔分率。

将以上计算结果记录于表2中用于模型参数的估值。

表2 数据处理表

5．编出模型参数估值的源程序，并在计算机上计算出不同温度下的反应速率常数和吸附平衡常数。