一氧化碳中低温变换.doc

一氧化碳中温-低温串联变换反应

目 录:
一．实验装置图
二．设备及操作要点
三．教学实验要求
1．实验目的
2．实验原理
3．实验步骤及方法
4．数据处理
四．附件
1．现场调试记录
2．学生实验报告

华东理工大学化学工程与工艺实验中心
2005年12月

一、 实验装置图

二、设备及操作要点
1. 药品：
氢氧化钾、碳酸钠、30%稀硫酸、硫酸钠、甲基橙指示剂
2. 实验器具：
奥氏仪
3.操作要点
实验用原料气N2、H2、CO2 、CO取自钢瓶，四种气体分别经过净化后，由稳压器稳定压力，经过各自的流量计计量后，汇成一股，放空部分多余气体。所需流量的气体进脱氧槽脱除微量氧，经总流量计计量，进入水饱和器，定量加入水汽，再由保温管进入中变反应器。反应后的少量气体引出冷却、分离水分后进行计量、分析，大量气体再送入低变反应器，反应后的气体冷却分离水分，经分析后排放。

CO中-低变串联实验系统流程
1–钢瓶；2–净化器；3–稳压器；4–流量计；5–混合器；
6–脱氧槽；7–饱和器；8–反应器；9–热电偶；10–分离器；11–气相色谱仪
1.升温速度要平稳，不要太快。
2.实验过程有水蒸汽加入，为避免水汽在反应器内冷凝使催化剂结块，必须在反应床温升至150℃以后才能启用水饱和器，而停车时，在床温降到150℃以前关闭饱和器。
3.由于催化剂在无水条件下，原料气会将它过度还原而失活，故在原料气通入系统前要先加入水蒸汽，相反停车时，必须先切断原料气，后切断水蒸汽。
三、教学实验要求
1.实验目的
本实验模拟中温–低温串联变换反应过程，用直流流动法同时测定中温变换铁基催化剂与低温变换铜基催化剂的相对活性，达到以下实验目的：
（1）进一步理解多相催化反应有关知识，初步接触工艺设计思想。
（2）掌握气固相催化反应动力学实验研究方法及催化剂活性的评比方法。
（3）获得两种催化剂上变换反应的速率常数与活化能E。
2.实验原理
一氧化碳变换生成氢和二氧化碳的反应是石油化工与合成氨生产中的重要过程。一氧化碳的变换反应为

反应必须在催化剂存在的条件下进行。中温变换采用铁基催化剂，反应温度为350～500℃，低温变换采用铜基催化剂，反应温度为：220～320℃。
设反应前气体混合物中各组分干基摩尔分率为；初始汽气比为R0；反应后气体混合物中各组分干基摩尔率为，一氧化碳的变换率为
(1)
根据研究，铁基催化剂上一氧化碳中温变换反应本征动力学方程可表示为
(2)
铜基催化剂上一氧化碳低温变换反应本征动力学方程可表示为
(3)
(4)
在恒温下，由积分反应器的实验数据，可按下式计算反应速率常数kTi；
(5)
采用图解法或编制程序计算，就可由式（5）得某一温度下的反应速率常数值。测得多个温度的反应速率常数值，根据阿累尼乌斯方程即可求得指前因子k0和活化能E。
由于中变以后引出部分气体分析，故低变气体的流量需重新计量，低变气体的入口组成需由中变气体经物料衡算得到，即等于中变气体的出口组成：
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
转子流量计计量的V分,d，需进行分子量换算，从而需求出中变出口各组分干基分率y1i,d：
(12)
(13)
(14)
(15)
同中变计算方法，可得到低变反应速率常数及活化能。
3.实验步骤及方法
开车及实验步骤
1) 检查系统是否处于正常状态；
2) 开启氮气钢瓶，置换系统约5分钟；
3) 接通电源，缓慢升反应器温度，同时把脱氧槽缓慢升温至200℃，恒定；
4) 中、低变床层温度升至100℃时，开启管道保温控制仪，开启水饱和器，同时打开冷却水，管道保温，水饱和器温度恒定在实验温度下；
5) 调节中、低变反应器温度到实验条件后，切换成原料气，稳定20分钟左右，随后进行分析，记录实验条件和分析数据。
停车步骤
1)关闭原料气钢瓶，切换成氮气，关闭反应器控温仪；
2)稍后关闭水饱和器加热电源，置换水浴热水；
3)关闭管道保温，待反应床温低于200℃以下，关闭脱氧槽加热电源，关闭冷却水，关闭氮气钢瓶，关闭各仪表电源及总电源
实验条件
1) 流量 控制CO、CO2、H2、N2流量分别为2～4 l/h左右，总流量为8～15 l/h，中变出口分流量为2～4 l/h左右。
2) 饱和器温度控制在72.8～80.0±0.1℃。
3) 催化剂床层温度 反应器内中变催化床温度先后控制在360℃、390℃、420℃，低变催化床温度先后控制在220℃、240℃、260℃。
4.数据处理
1) 转子流量计的校正
转子流量计是直接用20℃的水或20℃、0.1MPa的空气进行标定，故各气体流体需校正。
， （16）
2) 水汽比的计算
， （17）
式中水饱和蒸汽压用安托因公式计算。
（18）
式中：
附件一、调试记录
实验数据记录表
室温__________ 大气压__________
序

号
反应温度,℃
流量, l/h
饱和器温度℃
系统静压Pa
CO2分析值（％）
中变
低变
CO
CO2
H2
N2
总
分
中变
低变
1

2

主要符号说明
A、B、C - 安托因系数；
KP - 以分压表示的平衡常数；
- 反应速率常数，；
Mi - 气体摩尔质量，kg/mol；
- CO、CO2的摩尔流量，；
Pi - 各组分的分压；
PH2O - 压力， KPa；
R1 - 低变反应器的入口汽气比；
- 反应速率，；
T - 反应温度（K）；
t - 饱和温度，（℃）；
V0 - 中变反应器入口气体湿基流量，（1/h）；
V1 - 中变反应器中湿基气体的流量，（1/h）；
V分- 中变后引出分析气体的湿基流量，（1/h）；
V分,d - 中变后引出分析气体的干基流量，（1/h）；

- 催化剂量，（g）；
- 反应器入口CO湿基摩尔分率；
- i组分中变出口湿基分率；
- i组分中变入口湿基分率；
- 中变/低变反应器出口CO的变换率；
- 中变反应器中一氧化碳的变换率；
- 转子密度，kg/m3；
- 气体密度，kg/m3；
- 标定流体的密度，kg/m3。
V2 - 低变反应器中湿基气体的流量，（1/h）；
- 反应器入口湿基标准态体积流量，（1/h）；

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