实验二十二 乙苯脱氢制苯乙烯

一． 实验目的

1．了解以乙苯为原料，氧化铁为催化剂，在固定床单管反应器种制备苯乙烯的过程。

2．学会使用化学工艺类实验中温度控制和流量控制的仪表、仪器。 3．学会稳定工艺操作条件的方法。

二． 实验原理 1．本实验的主副反应 主反应：

－CH2－CH3 _—CH=CH2 + H2 117.8KJ/mol 副反应：

－C2H5 ＋C2H4 105KJ/mol －C2H5+H2 ＋C2H6 -31.5KJ/mol －C2H5+H2 －CH3＋CH4 -.4KJ/mol

在水蒸气存在的条件下，还可能发生下列反应： －C2H5+2H2O －CH3＋CO2+3H2

此外还有芳烃缩合及苯乙烯聚合生成焦油和焦等。这些连串副反应的发生不仅使反应选择性下降，而且极易使催化剂表面结焦进而活性下降。 2．影响本反应的因素 1）温度的影响

乙苯脱氢反应为吸热反应，H00，从平衡常数与温度的关系式

lnKpTH0RT2可知，提高温度可增大平衡常数，从而提高脱氢反应的平P衡转化率。但是温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，设备材质要求增加，故应控制适宜的反应温度。本实验的反应温度为：0~600℃。

2）压力的影响

乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式

P总KpKnni可知，当时0，降低总压P总可使Kn增大，从而增加了反应的平衡转化率，故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。本实验加水蒸气的目的使降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。较适宜的水蒸气用量为：水：乙苯=1.5：1（体积比）或8：1（摩尔比）。 3）空速的影响

乙苯脱氢反应系统中有平衡副反应和连串副反应，随着接触时间的增加，副反应也增加，苯乙烯的选择性可能下降，适宜的空速与催化剂的活性及反应温度有关，本实验乙苯的液空速以0.6/h为宜。

3．催化剂

本实验采用氧化铁系催化剂。其组成为：Fe2O3－CuO－K2O－Cr2O3－CeO2。

三． 实验装置及流程（见图22-8）

图22-8 实验装置流程图

四．预习与思考

（1）乙苯脱氢生成苯乙烯反应是吸热还是放热反应？如何判断？如果是吸热反应，则反应温度为多少？本实验采用的什么方法？工业上又是如何来实现的？

（2）对本反应而言使体积增大还是减小？加压有利还是减压有利？工业上使如何来实现加减压操作的？本实验采用什么方法？为什么加入水蒸气可以降低烃的分压？

（3）在本实验中你认为有哪几种液体产物生成？哪几种气体产物生成？如何分析？

（4）进行反应物料衡算，需要一些什么数据？如何收集并进行处理？

五．实验步骤与方法 （1）反应条件控制：

汽化温度300℃，脱氢反应温度0~600℃，水：乙苯=1.5：1（体积比），相当于乙苯加料0.5毫升/分钟，蒸馏水0.75毫升/分钟（50毫升催化剂）。

（2）操作步骤

1）了解并熟悉实验装置及流程，搞清物料走向及加料、出料方法。 2）接通电源，使汽化器、反应器分别逐步升温至预定的温度，同时打开冷却水。

3) 分别校正蒸馏水和乙苯的流量（0.75毫升/分钟和0.5毫升/分钟）。当汽化器温度达到300℃，反应器升至400℃，开始加入蒸馏水，并校正好流量为0.75ml/分。

4) 当反应温度升至500℃，加入乙苯，并校正好流量0.5ml/分，继续升温至0℃，使之稳定半小时。

5）反应开始每隔10～20分钟取一次数据，每个温度至少取两个数据，粗产品从分离器中放入量筒内。然后用分液漏斗分去水层，称出烃层重量。

6）取少量烃层液样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。

7）反应结束后，停止加乙苯。反应温度维持在500℃左右。继续通水蒸气，进行催化剂的清焦再生，约半小时后停止通水，并降温。

（3）实验记录及计算 1）原始记录

温度℃ 时间 汽化器 反应器 原料流量ml/min 乙苯(g) 始 终 水(g) 始 终 粗产品（g） 烃液层 水层 尾气 2）粗产品分析结果

反应 乙苯粗 产 品 温度 (℃) 加入 苯 甲 苯 乙 苯 质量(g) 苯乙烯 含量% 质量(g) 量(g) 含量% 质量(g) 含量% 质量(g) 含量% 3)计算结果

乙苯的转化率：  苯乙烯的选择性： SRF100% FFP100% RF苯乙烯的收率： YS100%

六．结果与讨论

对以上的实验数据进行处理，分别将转化率、选择性及收率对反应温度作图，找出最适宜的反应温度区域，并对所得得实验结果进行讨论。（包括曲线图趋势得合理性、误差分析、成败原因等）。

七．符号说明

0—298K下标准热焓，KJ/mol； H298KP，Kn—平衡常数； ni—i组分的摩尔分数； P总—压力，Pa； R—气体常数； T—温度，K；

—反应前后摩尔数变化；

—原料的转化率%； S—目的产物的选择性%； Y—目的产物的收率； RF—原料消耗量，g； FF—原料加入量，g；

P—目的产物的量，g。

参考文献

[1] 吴指南主编，基本有机化工工艺学，化学工业出版社，1990年。

[2] Kirk-Othemer, 'Encyclopedia of chemical Technology.'3rd ed,Vol.4 Vol.21 [3] 安东新午等，石油化学工业手册，化学工业出版社，1966。