微分反应器评价合成甲醇催化剂的活性 实验目的 微分管式反应器的主要特点是反应物通过催化剂层发生反应的数量很少,浓度差极小, 故反应热效应不大,催化剂床层的温度易于控制稳定,若能准确测定反应物浓度,可得较准 确的反应速度数据。此外,微分反应器装置简易,体积小,便于制作安装。但也有两个主要 问题:一是要求有高度精密的分析仪器,能够准确测定反应物微小的浓度变化:二是当测定 从零到接近平衡转化率一系列反应动力学数据时,需要配置不同转化率的混合气进料。这是 个比较难解决的问题。现今可行的解决方法有两种:一是物料在进入微分反应器之前,先 经过一预热反应器,改变它的长度就可以改变进气转化率x1,如下左图所示:二是采用改变 反应后气体循环量,以改变进气转化率x1,如下右图所示。 图15-1 微分反应器两种流程 本实验采用微分反应器,以合成氨厂压缩机五段出口气作原料,评价工业合成甲醇 Cuo-ZnO-Al2O3催化剂的活性。由于催化剂的活性与压力无关,本实验以在常压下操作的试 验结果可以反映工业上高压合成甲醇的实际数据。本实验不必改变进入反应器的气体转化 率,所以不需要用预反应器或循环操作。 通过实验了解微分反应器的基本组成特点,同时掌握评价固体催化剂活性的一种实验方 实验原理 CO和H2合成甲醇的基本反应按下式进行: CO+2H2==CH3OH+90628J 这是一个分子数减少的可逆、放热反应,宜在高压、低温的条件下进行。常压下甲醇的 转化率低,反应后气体中的甲醇含量仅有155~10-moM,该过程采用微分反应器是合适的 在常压条件下,反应器内部的温度梯度和浓度梯度基本可以忽略。由于生成甲醇的量非常少 所以当催化剂体积V对进料体积流量V之比(VⅣ)很小、反应处于动力学控制区时可以忽 略逆反应速度,合成甲醇的反应速度式则可以写成 (1)
微分反应器评价合成甲醇催化剂的活性 一． 实验目的 微分管式反应器的主要特点是反应物通过催化剂层发生反应的数量很少，浓度差极小， 故反应热效应不大，催化剂床层的温度易于控制稳定，若能准确测定反应物浓度，可得较准 确的反应速度数据。此外，微分反应器装置简易，体积小，便于制作安装。但也有两个主要 问题：一是要求有高度精密的分析仪器，能够准确测定反应物微小的浓度变化；二是当测定 从零到接近平衡转化率一系列反应动力学数据时，需要配置不同转化率的混合气进料。这是 一个比较难解决的问题。现今可行的解决方法有两种：一是物料在进入微分反应器之前，先 经过一预热反应器，改变它的长度就可以改变进气转化率x1，如下左图所示；二是采用改变 反应后气体循环量，以改变进气转化率x1，如下右图所示。 图 15-1 微分反应器两种流程 本实验采用微分反应器，以合成氨厂压缩机五段出口气作原料，评价工业合成甲醇 CuO-ZnO-Al2O3催化剂的活性。由于催化剂的活性与压力无关，本实验以在常压下操作的试 验结果可以反映工业上高压合成甲醇的实际数据。本实验不必改变进入反应器的气体转化 率，所以不需要用预反应器或循环操作。 通过实验了解微分反应器的基本组成特点，同时掌握评价固体催化剂活性的一种实验方 法。 X2 X1 X2 X1 二． 实验原理 CO和H2合成甲醇的基本反应按下式进行： CO+2H2=====CH3OH+90628J 这是一个分子数减少的可逆、放热反应，宜在高压、低温的条件下进行。常压下甲醇的 转化率低，反应后气体中的甲醇含量仅有 15-5～10-4mol/l，该过程采用微分反应器是合适的。 在常压条件下，反应器内部的温度梯度和浓度梯度基本可以忽略。由于生成甲醇的量非常少， 所以当催化剂体积Vc对进料体积流量Vs之比（Vc/Vs）很小、反应处于动力学控制区时可以忽 略逆反应速度，合成甲醇的反应速度式则可以写成： r= n CO m H • ckc 2 （1）
在实验中反映前后气体组成可视为不变,上式(1)可以写成 即在本实验的特定条件下,合成甲醇反应可以视为一个拟零级反应 根据反应速度定义: (3) J·r N为反应时间r内生成甲醇的物质的量,mol 设pm为反应后气体中甲醇的分压。由于反应量极小,可以不考虑反应物料的体积变化 则每秒(r=1)生成甲醇的物质的量N可以用下式计算 pm 反应后气体中的甲醇的摩尔分率xm可由下式确定 P 此处P为系统总压。将上式子代入式(4)则得N= PmPVS/RT,与式(3)合并,并取单位反应 时间r=1s做基准,可得 或 P (5) 在P、T为定值的情况下,取(P/RT)为一常数A,代入式(5),与式(2)结合,得 (6) k亦为一常数,以k表示,结果为 本实验采取一定组成的原料气,且VV也不改变,因此,xn仅取决与催化剂活性和温 度。用它可以表征一定温度下的催化剂活性。本实验对若干种工业合成甲醇催化剂,测定在 不同反应温度下的xn值,结果可得xm随温度度变化的曲线。对不同催化剂分别进行这种测定, 就可以根据所得xm-曲线,评比所测催化剂的活性。xm曲线为由平衡常数公式计算而得的 平衡浓度,随温度而变化的曲线。曲线的位置较高的催化剂,表明其活性较高 在本实验所观测的甲醇浓度范围内,色谱图上的甲醇峰高h与xm有很好的线性关系,为 方便可直接以加m代替xm来进行催化剂活性评比 三实验结果讨论 1微分反应器的主要特点是什么?为什么本实验可采用微分反应器? 2试解释所得xm-t曲线,为什么hm会出现一最大值?
在实验中反映前后气体组成可视为不变，上式（1）可以写成 r =k’ （2） 即在本实验的特定条件下，合成甲醇反应可以视为一个拟零级反应。 根据反应速度定义： r= •τ Vc N （3） N 为反应时间τ内生成甲醇的物质的量，mol。 设pm为反应后气体中甲醇的分压。由于反应量极小，可以不考虑反应物料的体积变化， 则每秒（τ=1）生成甲醇的物质的量N可以用下式计算： N= RT Vp sm （4） 反应后气体中的甲醇的摩尔分率xm可由下式确定： xm= P pm 此处P为系统总压。将上式子代入式（4）则得N=pmPVs/RT，与式（3）合并，并取单位反应 时间τ=1s做基准，可得 r= c sm RTV PVx 或 r= sc m VV x RT P / • （5） 在 P、T 为定值的情况下，取（P/RT）为一常数 A，代入式（5），与式（2）结合，得 k’/A= sc m VV x / （6） k’/A亦为一常数，以k * 表示，结果为 xm= s c V V k • * （7） 本实验采取一定组成的原料气，且Vc/Vs也不改变，因此，xm仅取决与催化剂活性和温 度。用它可以表征一定温度下的催化剂活性。本实验对若干种工业合成甲醇催化剂，测定在 不同反应温度下的xm值，结果可得xm随温度t变化的曲线。对不同催化剂分别进行这种测定， 就可以根据所得xm-t曲线，评比所测催化剂的活性。x * m-t曲线为由平衡常数公式计算而得的 平衡浓度，随温度而变化的曲线。曲线的位置较高的催化剂，表明其活性较高。 在本实验所观测的甲醇浓度范围内，色谱图上的甲醇峰高hm与xm有很好的线性关系，为 方便可直接以hm代替xm来进行催化剂活性评比。 三 实验结果讨论 1 微分反应器的主要特点是什么？为什么本实验可采用微分反应器？ 2 试解释所得xm-t曲线，为什么hm会出现一最大值？