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1、实验八 催化剂内扩散有效因子的测定一、实验目的及意义 “多相系统中的化学反应与传递现象”是反应工程课程的重点教学内容之一，通过实验使学生了解内、外扩散过程及其对反应的影响；掌握催化剂内扩散有效因子的概念及其实验测定方法；了解本征反应动力学的实验测定方法。二、实验原理 1苯加氢气固相催化反应方程式 在固体催化剂作用下，苯加氢反应方程式为： 此反应为单一不可逆放热反应。在氢气大大过量情况下可视为拟一级反应。 2内扩散有效因子的测定在外扩散影响已消除的基础上测定催化剂内扩散有效因子。经预实验发现，由于本体系所使用的氢气大大过量，因此在实验温度、流量范围内，外扩散的影响均已消除。本实验在反应管内装填1
2、028目范围内的粒子(假定为球形颗粒)、质量为W(g)的催化剂。在某一床层温度（如150左右）下，通过改变苯和氢气的进料流量，测定相应的出口转化率xA，得到xA/FA0曲线。曲线上任意一点的斜率就对应于该转化率下的宏观反应速率（RA）。对一级不可逆反应，宏观反应速率又可写成： (1)式中： CAGCA0（1xA）所以： (2)由于本征反应速率常数kP值未知，故不能直接由式（2）求出内扩散有效因子。根据： (3)式中：为大西勒（Thiele）模数;为球形颗粒一级反应时的西勒（Thiele）模数。R为催化剂颗粒半径、DeA为气态苯在催化剂颗粒内部的有效扩散系数、（RA）为宏观反应速率、CAG为转化
3、率为xA时苯的摩尔浓度，均可由实验测得，故由式（3）就可直接求出（即）值。而 (4)所以可先假设 代入式(4) 此时判断得到的值是否等于由式（3）求得的值？若不等，重新假设值，反复计算，直到相等。若相等，此时的值即为所求。三、实验装置及流程图1、 实验装置：该装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式，不锈钢材质。反应管内径：20mm； 长度：550mm。管内有直径为3mm的不锈钢管穿过反应管的上下两端，以便在3mm管内插入直径为1mm的垲装式热电偶，通过上下拉动热电偶可测出床层内不同高度处的反应温度。预热器直径：10mm； 长度：250mm；加热功率：0.5kW。反应加热炉采用三段
4、加热控温方式，加热炉直径：220mm；长度：550mm；各段加热功率：1kW。上下段温度控制灵活，恒温区较宽。控温与测温数据均数字显示。2实验装置流程图15氢气钢瓶 稳压阀 调节阀 苯计量泵 转子流量计 压力表 预热器 床层测温热电偶 反应管 催化剂/填料复合床层 、加热炉上、中、下三段热电偶苯储罐 气相色谱仪图1. 实验流程示意图四、实验操作步骤 1准确称取2克1028目的催化剂，并量出该催化剂的体积，记为VP mL；再称取20克相同目数的瓷粒子，然后均匀混合，并用量筒量取其体积，将其装入反应管中，记录床层高度和床层位置。再将反应器固定在反应加热炉中。通气体进行试漏，直至不漏。 2催化剂活化
5、。催化剂床层温度以25/h的升温速率从室温升到180,控制合适的氢气流量（300mL/min左右）通入反应器。在180恒温2h,然后以25/h的降温速率降温，到50以下时关闭气源和电源。 3计量泵苯流量的标定。（上述三步由实验指导老师预先完成）。 4打开氢气钢瓶减压表，开启气相色谱仪，分析条件为：柱室80，进样器150，桥流150MA,柱前压力0.15MPa。5. 打开氢气钢瓶减压表，调节稳压、稳流阀，控制合适的氢气流量（400mL/min左右），通入反应器，目的是床层温度升高时使床层温度均匀，同时氢气又是反应原料气。6开启电源开关，设置好预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别为150、
6、110、140、110左右。7调节预热器和反应器加热炉上、中、下三段的电流给定旋钮，预热器电流不超过1A，反应器加热炉上、中、下段不超过2，电流表有电流指示表明已开始加热。8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时，开启计量泵，泵入苯，苯的流量根据停留时间的要求控制在某一适当的流量（苯的流量可控制在0.21g/min），并要求苯和氢气的进料摩尔配比维持在1：6，根据此摩尔配比调节氢气的流量。9苯在预热器汽化并与氢气混合后进入催化剂床层发生反应。由于是放热反应，反应器加热炉上、中、下三段的温度均会升高，待操作一段时间，温度稳定后，拉动床层测温热电偶，检测整个床层的温度分布
7、是否在150左右且各处是否接近等温。否则需要对加热炉中段给定温度稍作调整。10当反应器床层温度达到所要求的温度，且加热炉上、中、下三段的温度均稳定不变时，用2mL玻璃注射器对反应器出口气体进行取样，注入到色谱仪中进行热导分析，得到反应器出口气体的组成结果。11改变苯进料流量，同时相应改变氢气进料流量，保持苯和氢气的进料摩尔配比不变，仍为1：6。重复实验步骤910。12共进行了5个流量时，可结束实验。关闭苯计量泵，关闭加热电源。继续通入氢气，待床层温度降至100以下可关闭氢气钢瓶，以防止温度过高造成催化剂失活。五、实验数据记录：气温： 大气压： MPa 实验日期： 表1催化剂目数催化剂(g)催化
8、剂(mL)填料(g)稀释比总体积(mL)床层高(cm)表2序号氢气流量(mL/min)苯流量(mL/min)上段温度()中段温度()下段温度()设定实测设定实测设定实测12345表3序号床层温度分布情况1床层长度（cm）实测温度()2床层长度（cm）实测温度()3床层长度（cm）实测温度()4床层长度（cm）实测温度()5床层长度（cm）实测温度()表4 分析结果 数据序号 (%)(%)(%)(%)W/FA0(g.h/mol)12345六、实验数据处理：1反应器出口转化率的计算 设苯的流量为(mol/h)，反应器出口转化率为，出口气体中，苯的质量百分含量为，环己烷的质量百分含量为（不考虑其中氢
9、气的质量百分含量），即。 由化学方程式： 反应前：() 0 反应后：() 即：() (5) (6) 化简得: 或 (7)y1和y2可通过气相色谱分析反应器出口气体组成而得。因此可通过式(7)计算出口转化率。2反应速率（RA）的计算由实测的xAVP/FA0曲线，可用多项式拟合，然后求导，任何一个xA所对应的导数值就是该点的反应速率值。3有效扩散系数DeA值苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数可取0.2cm2/s。七、实验注意事项1 实验前，一定要检查管路的气密性，尾气要接到室外；2 实验操作一定要按步骤进行，防止催化剂失活；3 实验中要注意保持氢气、苯流量的稳定；4 实验结束后，检查水、电、气的阀门，关闭后才能离开。八、思考题1 外扩散阻力如何消除？2本征反应动力学如何测定？九、参考文献1 陈甘棠主编.化学反应工程第一版,166170。化学工业出版社：北京（1981）。2 唐康敏，黄中涛.“在Pt/Al2O3 催化剂上气相苯加氢反应动力学。”化学反应工程与工艺，1991，7（3），215-233。 十、附录1、催化剂目数和粒径的关系：目数粒径(mm)101.651121.397240.701280.589480.2951000.147
