异丙醇催化脱氢制备丙酮.doc

异丙醇气固相催化脱氢制备丙酮操作说明
一、前言
丙酮（Acctone）亦称2-丙酮（2-Propanone），无色透明，易燃，易挥发液体，有微香气味。分子式C3Vh6O，结构简式(CH3)2CO,分子量58.08，熔点-94.6℃，沸点56.5℃，密度（20℃）0.7898g/cm3.能与水、甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等混溶，能溶解油脂肪、树脂和橡胶，是制造醋酐、双丙酮醇、氯仿、碘仿、环氧树脂、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯等，是一种重要的溶解原料。在无烟火药、赛璐珞、醋酯纤维、喷漆等工业中做溶剂。
生产中，丙酮的制备和来源主要有以下几种途径：1、淀粉发酵；2、丙烯水和成异丙醇，再经催化脱氢或催化氧化；3、异丙苯氧化水解；4、丙烯在钯作催化剂液相氧化。此外，也可从木材干馏而得。实验室中常用乙酸钙干馏制得。本实训采用的反应装置是一种典型的气固相催化脱氢工艺。当市场上异丙醇大量过剩情况下，为寻找出路，它仍有一定的生产意义。因此通过本实训掌握有关脱氢工艺技术还有实用价值。
本实训的内容包括掌握气固相固定体催化剂脱氢反应的工艺条件，了解脱氢催化剂的组成作用。测试活性方法，了解固定床反应器的结构与操作使用方法；了解脱氢产物组分的精制方法；了解精馏塔操作控制工艺，掌握实验仪器的使用，及色谱分析方法，能够独立进行操作。
本实训的优点是：①催化剂的反应温度较低，易于操作；②精制反应条件易于操作；③产品易于分析；④物料易于购买。
二、反应原理
常压200-300℃，异丙醇在催化剂表面，脱氢吸热生成丙酮，并产生大量氢
气。
本实验主要涉及两个过程。温度适中时，发生主反应（CH3）2CHOH→(CH3)2CO+H2；起始时，由于（CH3）2CHOH的加入，汽化需要吸收大量的热，导致反应温度降低，发生副反应(CH3)2CO+（CH3）2CHOH→（CH3）2CHCH2COCH3+H2O。温度过高时，发生分子内脱水，生成丙烯，（CH3）2CHOH→CH2＝CHCH3+H2O。
因此温度控制的是否得当是生成目的产物的关键。
三、装置配置及流程与面板布置
1.装置配置
反应器：φ30×750mm；
预热器：φ12×220mm；
反应炉：三段加热，每段功率1.5kw，最高使用温度700℃；
预热炉：加热功率 0.5kw；
气液分离器：φ50mm，长220mm；
精馏塔1:塔径15mm、塔高1400mm，5侧口，两段加热保温，功率300W；
塔釜250ml，加热功率200—300W；
预热器 加热功率70W；
精馏塔2：塔径15mm、塔高1200mm，3侧口，一段加热保温，功率300W；
塔釜250ml，加热功率200W；
回流比控制器：0—99秒可调，数码显示。

3.装置面板布置图

流程示意图

四、分离方案
本实验中产品的分离是采用常压精馏的方法。常压下，丙酮的沸点56.5℃，异丙醇的沸点82.5℃。副反应是导致产物中含水的原因，分离方案要依据具体需要而确定。情况主要有两种：1.若反应控制得当，反应产物中水的含量较少，即副产物少，采取连续式精馏，将产品流进塔1，得到较高纯度的丙酮；再流进塔2，得到更高纯度的丙酮产品。2.若反应产物中水的含量较高，即反应选择性差，负反应剧烈，采取连续精馏和间歇精馏组合方式分离。将反应产物用连续精馏的方法进入塔1，大回流比控制，得到高纯度的丙酮。将塔1釜液采用间歇精馏的方式放入塔2，回收异丙醇。此方案需要注意的是，异丙醇和水会形成共沸物，它们的分离只能采取特殊的分离方法。例如：共沸精馏，萃取精馏等。
五、分析条件
采用CU-ZN-AL基-NiO催化剂，装填600ml，在200-300℃下，进料量控制在0.8-1.6ml/min，反应器为管式固定床。
反应原料与产物均系用色谱仪进行分析。
色谱仪使用条件如下：
色谱柱：GDX-104 Φ3×2000mm；
载气：氢气；
热导检测器：桥流100mA，温度100℃；
柱前压：0.1Mpa；
柱温：100℃；
汽化器：100℃。
六、操作
1.反应操作
①催化剂装填
由于反应器直径较大，两端密封螺帽难以拧紧，故必须在台钳上进行操作，催化剂装填要在振动情况下从上部倒入，反应器结构示意图如下：

将反应器用丙醇或乙醇擦拭干净后，插入热电偶套管，调整支撑架高度，使管靠向下部，留出部分空间约200mm，在支架上部放油80-100目的不锈钢网，网上添加玻璃棉(高硅铝棉)，用棒插入，测量高度后记录该值，并在反应器外部做一记号。（注意此时必须先将反应器下部的接头拧上，并将热电偶套管的螺帽拧紧，使套管不再移动，否则套管再装填催化剂时要移动，不能准确定位。此后添加催化剂，最好为直径Φ3mm，长5-6mm颗粒，边装边振动反应器，使催化剂均匀堆积，不形成架桥现象。当加入400-500ml催化剂（取一定量，按催化剂堆比重决定，不能太多）再量此时床层高度并记录，后加玻璃棉少许或上部装填玻璃球Φ5×5或SiO2Φ4×4mm直至顶部后再加玻璃棉，擦拭干净封头后拧紧接头，并用力拧紧大螺帽，最后装入反应炉内，连接上进出口接头。（注意：操作时要观察反应器出入口接头位置是否与现场一致，不一致要调整过来，免去在现场调整，现场不易拧紧螺帽。）
②试漏
开车前首先对设备进行试漏，这一点很重要，务必认真进行。将压缩气体接入氮气进气口，如果连接在氮气钢瓶上，打开减压阀，调整进气，使流量维持最低进气即可，关闭气液分离器的出口阀，使系统密闭，进气维持压力在0.05Mpa，关闭进气阀，停留5分钟，开启测压电源，在仪表上有压力数值显示，（压力表上也有指示），当压力不下降时认为合格。可开启各路阀门，后检查电路。
③电路检查
将各热电偶插入相应位置，开启各路电源，相应控制或测定温度仪表上有数值显示，分别拔掉热电偶插件，在相应的仪表上有四位数闪烁，说明连接正确，再将热电偶插回原插件内，把所有的热电偶检查完毕后可通氮气，开启加热系统升温至所需温度。
④升温反应
当温度达到200℃时，停止进氮气，开始进液体原料。
保持进料速度不变，在160－300度之间每隔十五摄氏度，稳定20分钟后，取样称量后进行色谱分析，记录尾气量，并记录下数据；然后保持温度不变，比如250℃，改变进料速度，测定产物含量，并记录数据。
实验完毕，先关反应器，后关冷却水。先关色谱仪，后关闭氢气。
2.精馏操作
①精馏塔的安装
装置法兰采用凸凹面，内有聚四氟乙烯垫片，装塔时应对正法兰口，放入后左右不能推动认为已插好，可以对角上紧螺栓。
在连接好后，接上管路接头，在塔顶回流段或釜下通入压缩空气，观察压力计在0.15Mpa时下有无下降，五分钟内不降为合格。如下降要用肥皂水涂各接口处查漏，直至不降为止可进行试验。
②将各部分的控温、测温热电偶放入相应位置的孔内。
③检查操作台板面各电路接头，检查各接线端子与线上标记是否吻合。检查仪表柜内接线有无脱落。
④加料
进行间歇精馏时，要打开釜的加料口或取样口，加入被精馏的样品；连续精馏初次操作还要在釜内加入一些被精馏的物质或釜残液。
⑤升温
开启釜热控温开关，调整到所需温度。保温温度调节不要超过物料的沸点，要低于沸点15℃左右，避免形成再沸现象。仪表的具体操作参看仪表操作说明书（AI人工智能工业调节器说明书）。
升温注意事项：
釜热控温仪表的给定温度要高于沸点温度20-30℃，使加热有足够的温差以进行传热。其值可根据实验要求而取舍，边升温边调整，当很长时间还没有蒸汽上升到塔头内时，说明加热温度不够高，还需提高。此温度过低蒸发量少，没有馏出物；温度过高蒸发量大，易造成液泛。
还要再次检查是否给塔头通入冷却水，此操作必须在升温前进行，不能在塔顶有蒸汽出现时再通水。
升温后观察塔釜和塔顶温度变化，当塔顶出现气体并在塔头内冷凝时，进行全回流一段时间后可开始出料。
有回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例（通电时间与停电时间的比值，通常是以秒计），此比例即采出量与回流量之比。
连续精馏时，在一定的回流比和一定的加料速度下，当塔底和塔顶的温度不再变化时，认为已达到稳定，可取样分析，并收集之。
⑥停车操作
停止操作时，关闭各部分开关，关闭泵，待无蒸汽上升时停止通冷却水。由于塔釜保温较好，釜降温较慢，故停车后还有较多气体在塔顶馏出。
七、试验记录与数据处理
1.产物的计算方法
异丙醇转化率=原料异丙醇量-液体产物异丙醇量/原料异丙醇量×100%；
丙酮收率=液体产物丙酮量/液体产物总量×100%；
选择性=丙酮收率/异丙醇转化率
2．原始数据表：
(1)保持进料流量不变,改变反应温度,控制异丙醇进料流量为1.6mL/min
温度(℃)
丙酮含量(%)
异丙醇含量(%)
222
48.85
39.96
233
58.1
35.8
249
64.88
29.9
263.3
74.25
21.69
275.8
83.9
12.58
283.8
86.57
9.907
异丙醇实验分析报告

温度为222℃时，色谱分析图样如下：

───────────────────────
序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积
───────────────────────
1 0.541 水 5.753 11534
2 3.013 丙酮 48.85 97951
3 4.520 异丙醇 39.96 80114
4 7.842 未知物 5.436 10900
───────────────────────
当温度为283.8℃时，色谱分析图样如下：

───────────────────────
序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积
───────────────────────
1 0.546 水 2.217 3994
2 2.954 丙酮 86.57 155972
3 4.888 异丙醇 9.907 17848
4 8.253 未知物 1.301 2343
───────────────────────
当温度为292.2℃时，色谱分析图样如下：

───────────────────────
序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积
───────────────────────
1 0.501 水 3.936 14089
2 2.629 丙酮 80.07 286585
3 3.847 异丙醇 15.48 55410
4 6.278 未知物 0.5125 1834
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八、实验讨论
1.异丙醇脱氢是强烈的吸热反应，从实验中可以看出，当反应器稳定在某个温度下，并开始进料反应时，反应器温度会迅速的降温，这时，必须等到反应器温度稳定不再降低时，才能取样分析。
2.随着进料量的逐渐增多，丙酮的转化率会逐渐降低。
3.随着温度的上升，丙酮的转化率也随着上升。

九、注意事项
1.必须熟悉仪器的使用方法,；
2.升温操作一定要有耐心，不能忽高忽低乱改乱动；
3.流量的调节要随时观查及时调节，否则温度也不容易稳定；
4.长期不使用时，应将装置放在干燥通风的地方。如果再次使用，一定要在低电流下通电加热一段时间，以除去加热炉保温材料吸附的水分。
十、故障处理
1.开启电源开关指示灯不亮，并且没有交流接触器吸合声，则保险坏或电源线没有接好。
2.开启仪表各开关时指示灯不亮，并且没有继电器吸合声，则分保险坏或接线有脱落的地方。
3.开启电源开关有强烈的交流震动声，则是接触器接触不良，应反复按动开关可消除。
4.仪表正常但设备不加热，可能保险坏或固态继电器坏。
5.控温仪表、显示仪表出现四位数字，则告知热电偶有断路现象。
6.液体泵不进料液时，可能是加料泵泵头前的过滤器堵塞，应清除脏东西；或者是泵内存在气体，应排除空气后再进料。

十一、电路原理图

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