Al2O3-HZSM-5催化甲醇脱水制二甲醚的反应动力学
作者：张立伟， 吴佩， 金顶峰， 侯昭胤， 费金华， Zhang Liwei， Wu Pei， Jin Dingfeng ， Hou Zhaoyin， Fei Jinhua
作者单位：浙江大学理学院化学系催化研究所,浙江,杭州,310028
刊名：
化学反应工程与工艺
英文刊名：CHEMICAL REACTION ENGINEERING AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2008,24(4)
参考文献(13条)
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1.王大军.朱小学.陈鹏.成雪清甲醇制二甲醚技术工业开发与应用[会议论文]-2008
2.姜立雪.蒋晓隆.麻林巍.李政.倪维斗.Jiang Lixue.Jiang Xiaolong.Ma Linwei.Li Zheng.Ni Weidou三种二甲醚生产系统的流程模拟和3E评价[期刊论文]-煤炭转化2011,34(1)
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5.陈程雯.杨振威.林敬东.陈文瑞.郭阿明.廖代伟高岭土催化甲醇脱水制二甲醚的研究[期刊论文]-厦门大学学报(自然科学版)2004,43(5)
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8.解峰.黎汉生.赵学良.任飞.王德峥.王金福.刘敬利甲醇在活性Al2O3催化剂表面的吸附与脱水反应[期刊论文]-催化学报2004,25(5)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/876459361.html,/Periodical_hxfygcygy200804014.aspx
第四章 气－固相催化反应宏观动力学 在多孔催化剂进行的气－固相催化反应由下列几个步骤所组成： ① 反应物从气相主体扩散到催化剂颗粒的外表面。 ② 反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散。 ③ 在催化剂内部孔道所组成的那表面上进行催化反应。 ④ 产物从那表面扩散到外表面。 ⑤ 产物从外表面扩散到气流主体。 ①、⑤称为外扩散；②、④称为内扩散；③为本征动力学所描述，存在传质、传热现象（传质系数、传热系数）， 描述以上五个步骤的模型称为宏观动力学模型。 §4.1气－固相催化反应的宏观过程 一、气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布 以催化活性组分均匀分布的球形催化剂为例，说明催化反应过程中反应物的浓度分布。 死区：可逆反应，催化剂颗粒中反应物可能的最小浓度是颗粒温度夏的平衡浓度C *A ,如果在距中心半径R d 处反应物的浓度接近平衡浓度，此时，在半径R d 颗粒内催化反应速率接近于零，这部分区域称为“死区”。 二、 内扩散有效固子与总体速率 内扩散 内表面上的催化反应 }同时进行，使催化剂内各部分的反映速率并不一致，越接近于外表面，反 应物浓度↗，产物浓度↘，颗粒处于等温时，越接近于外表面，单位内表面上催化反应速率↗，内扩散有效因子（或内表面利用率）ζ： 等温催化剂单位时间颗粒中实际反应量与按外表面组分浓度及颗粒内表面积计算的反应量之比。 i A s S A s S C f k dS C f k i )()(0 ?= ζ K S 为按单位内表面积计算的催化反应速率常数。 S i 为单位体积催化床中催化剂的内表面积。 定态下，单位时间内催化剂颗粒外表面由扩散作用进入催化剂内部的反应组分量与单位时间内整个催化剂颗粒中实际反应的组分量相等，所以 速率 及内表面积计算的反映按反应组分外表面浓度梯度计算的扩散速率按反应组分外表面浓度= ζ 即单位时间内从气流主体扩散到催化剂外表面的反应组分量也必等于颗粒内实际反应量， C A C C C C C C A P P
气固相催化反应固定床装置 一、前言 本装置由管式炉加热固定床、流化床催化反应器组成，是有机化工、精细化工、石油化工等部门的主要实验设备，尤其在反应工程和催化工程及化工工艺、生化工程、环境保护专业中使用的相当广泛。该实验装置可进行加氢、脱氢、氧化、卤化、芳构化、烃化、歧化、氨化等各种催化反应的科研与教学工作。它能准确地测定和评价催化剂活性、寿命、找出最适宜的工艺条件，同时也能测取反应动力学和工业放大所需数据，是化工研究方面不可缺少的手段。 本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反应器和流化床反应器，由不绣钢材料制。 气固相催化反应固定床装置是管式反应器，床内有直径3mm0勺不绣钢套管穿过反应器的上下两端，并在管内插入直径1mm勺垲装热电偶，通过上下拉动热偶而测出床层各不同高度勺反应温度。加热炉采用三段加热控温方式，上下段温度控制灵活，恒温区较宽。控制系统勺温度控制采用高精度勺智能化仪表，有三位半勺数字显示, 通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。 气固相催化反应流化床是一种在反应器内由气流作用使催化剂细粒子上下翻滚作剧烈运动勺床型。流化床也为不锈钢制，床下部有填装勺陶瓷环做预热段，中下部为流化膨胀勺催化剂浓相段，中上部为稀相段，顶部为扩大段。也采用三段控温方法。控制系统勺温度控制采用高精度勺智能化仪表，有三位半勺数字显示，通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。它勺换热效果比固定床优越，能及时把反应热移走，床层温度均匀，避免产物产生过热现象，提高了催化剂勺反应效率。故流化床在许多有机反应中得到应用，如丙烯氨氧化制丙烯晴、丁烷或苯氧化制顺酐、二甲苯或萘氧化制苯酐、乙烯氯化、石油催化裂化、烷烃催化脱氢、二氧化硫氧化等都有工业规模生产，在实验室用流化床研究催化剂和工艺条件对产品开发有重大作用。 整机流程设计合理，设备安装紧凑，操作方便，性能稳定，重现性好。此 外，还有与计算机联机的接口，可安装软件能在计算机上显示与存储有关数据实现计
多相催化反应基础
催化反应循环
以CO催化氧化反应 为例，催化反应过 程的分子水平描述 如图1.5所示。
CO+O2→CO2
催化反应过程基本步骤
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第一步，反应分子扩散过程：反应分子从气相扩散到金属（活性 组分）表面，这里，反应分子基本上以吸附分子形态存在 分子表面扩散与解离过程:，反应分子可能发生表面扩散，并解离 成吸附态原子。以CO催化氧化为例，由于O2的键能(500kJ/mol) 比CO的键能(1076kJ/mol)低，O2分子易于解离成Oa。 表面反应过程: CO+Oa →CO2 通常表面反应过程是催化反应的 速度控制步骤(rate-determining step) 反应产物脱附过程: 吸附在催化剂表面的反应产物(CO2)的表面结 合能被打破，并从表面脱附出来 产物分子扩散过程：产物分子从催化剂表面脱附后扩散到气相， 然后随反应气离开反应器
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气相扩散过程是催化反应中复杂性问题
扩散控制的判断与消除
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催化反应过程中涉及的扩散包括 外扩散与内扩散 外扩散阻力来自气固边界层的滞 流层，气流方向的线速度直接影 响滞流层的厚度。当流体线速度 达到足够高时，外扩散的影响可 以消除（为什么？） 内扩散阻力来自催化剂颗粒孔隙 内径和长度（内通道几何尺 度），所以，催化剂颗粒大小将 直接影响分子内扩散过程。通过 改变催化剂颗粒度大小对反应速 率影响的实验，可以判断反应区 内是否存在内扩散的影响
问题1：为什么要消除扩散影 响？改变线速度是否就可以达到 预定效果？ 问题2：说明内扩散效应对催化 反应的利与弊。
催化反应动力学研究小报告 催化反应大致可以分为三大类： （1）均相催化：催化剂与反应物处于同一相种，均为气相或均为液相； （2）复相催化：催化剂与反应物处于不同相中，如Fe 对合成氨的催化作用； （3）生物催化：即酶催化，如制酒过程中的发酵作用。酶是蛋白质或核酸分子组成，而分子很大，因此它既不属于均相也不属于复相，而是兼备二者的某些特性。本文将对这三种催化反应的反应动力学进行具体文献分析。 1.均相催化反应动力学研究 在均相催化反应中，催化剂和反应物同处于液相或者气相。其机理为首先反应物和催化剂生成不稳定的中间化合物，然后中间化合物又分解生成产物，使催化剂再生。 陈荣悌[1]等人以H g C I 2为催化剂时乙炔氢氯化制氯乙烯均相反应的动力学。 反应方程如下： 设速率方程为： 因为在一次实验中, 催化剂浓度是不变的, 而且当〔H +〕、〔Cl -〕均远大于〔C H ≡C H 〕时, 则速率方程可写成： 第一步：确定反应对乙炔的级数 当反应为一级或假一级反应时，可推导出如下公式： 本反应以)ln(P P -∞对t 线性回归, 其相关系数在0.99 以上。表明反应对乙炔为一级。 第二步：消除扩散影响的实验
为了消除扩散的影响，作者作了改变搅拌速度对速率常数影响的实验。当转速在1 3 85 转/ 分以上时,k′′值趋于稳定, 即扩散影响基本消除。全部实验中皆控制搅拌速度在1 3 8 5 转/分以上进行。 第三步：确定反应对催化剂H g CI2的级数 改变H g CI 2的浓度, 分别求出k′′值, 以l g k′′对lg〔H g C I2〕线性回归, 相关系数R =0 . 9 9 6 , 斜率为1 . 0 4 6 , 即m为1, 说明反应对催化剂H g C I2为一级。 第四步：确定反应对C l-的级数 在盐酸浓度为5.37 M 的基础上分别加入H C I O 4，使〔H C I〕+ 〔H C IO4〕= 6.2 7M 和7.16M , 并与单纯的〔H C I〕= 6.2 7M 和7.1 6M 的实验相比较发现当〔C l -〕足够大时( 因为生成H g C I2需足够的C l-) , 反应对C I-零级。 第五步：确定反应对H +的级数 由于反应对Cl-为零级, 因此可以通过改变盐酸浓度来确定反应对H+ 的级数以lgk′′对lg 〔H + 〕线性回归, 相关系数R = 0 .98 1 , 斜率为3 .07, 即n=3 , 说明反应对H+为三级。 第六步：求反应的表观活化能 在相同的条件下, 改变温度进行实验, 分别求出k′′值。以lnk′′对l/ T 线性回归, 相关系数R =0 . 9 9 7, 斜率为-6 8 21 , 从斜率求出表观活化能E =1 3 . 6千卡/ 摩尔。 最后该反应速率方程为： 2.复相催化反应动力学研究 复相催化主要是用固体酸催化气相反应或者液相反应。催化作用是通过表面来实现的，目前理论都不能完善解释其中机理，但活性中心的性质的解释是各种理论的共同点。 祁喜旺[2]等人采用经巯基乙胺改性的大孔磺酸型离子交换树脂作催化剂,在60-80℃, 原料酚/酮( mol比)为4:1-12:1的范围内研究了由苯酚与丙酮合成双酚A的催化反应动力学。 反应方程为：
实验三气固相苯加氢催化反应实验 一.实验目的 1.了解苯加氢的实验原理和方法。 2.了解气固相加氢设备的使用方法和结构。 3.掌握加压的操作方法。 4.通过实验进一步考察流量、温度对苯加氢整套反应的影响。 二.实验原理 环己烷是生产聚酰胺类纤维的主要中间体之一，高纯度的环己烷可由苯加氢制得。 苯加氢是典型的有机催化反应，无论在理论研究还是在工业生产上，都具有十分重要的意义。工业上常采用的苯加氢生产环己烷的方法主要有气相法和液相法两种。气相法的优点是催化剂与产品分离容易，所需反应压力也较低，但设备多而大，费用比液相大。液相法的优点是反应温度易于控制，不足之处是所需压力比较高，转化率较低。 反应主要方程式如下： 苯加氢制环己烷的反应是一个放热的、体积减小的可逆反应，因此，低温和高压对该反应是有利的。所以，苯加氢制环己烷的反应温度不宜过高，但也不能太低，否则反应分子不能很好地活化，进而导致反应速率缓慢。如果催化剂活性较好，选择性可达95%以上。
本实验选择在加压固定床中进行催化反应，催化剂采用r-Al 2O 3 载Ni 或Cu 。 原料：苯，氢气，氮气（吹扫用），环己烷 三、流程示意图与面板布置图 1、流程示意图 V -截止阀，S -三通转换阀，T C I -控温，T I -测温，P I -测压 气体钢瓶， 过滤器， 稳压阀 ， 干燥器， 质量流量计，止逆阀缓冲器， 预热器， 预热炉， 反应炉， 反应器 ， 冷却 器 气 液分离器背压阀， 取样器，湿式流量计， 加料泵
2、面板布置图
四.实验步骤 1、装填20ml催化剂 打开反应加热炉，卸下反应器的上下盖法兰的连接口接头，从炉内取出反应器(拆卸时先将热电偶插件拔出)。在设备外部将上下法兰压紧螺栓松开，旋转推出，若反应器内上部有玻璃棉，用带有倒钩的不锈钢丝将它取出，并倒出催化剂，再取出反应器下部的玻璃棉，最后用镊子夹住沾有丙酮的脱脂棉擦拭一下，同样擦拭反应器内部，用吸耳球吹干。这时要注意，反应器内有测温套管，不能将它碰歪。若感到不方便，可将下法兰也卸下来，这样就很好清洗了。装填催化剂时要先将下法兰装好，后装好支撑架测好位置，装玻璃棉，倒入催化剂，最后再装入玻璃棉。上好上法兰，拧紧螺栓放回反应炉内支撑好，再次连接出入口接头，插入热电偶(其底端位置应根据装在反应器内催化剂的高度而定。催化剂的加入量以实验的要求而定，单位的取舍是根据空速单位而定，由此选择称量重量还是测量体积。装催化剂要通过小漏斗装入反应器。装填时要轻轻震动反应器使催化剂均匀分布，催化剂上部再放入少许玻璃棉。 注意：安装反应器和上开启炉子一定要轻轻操作，拧紧接头时要用力适当不能过力，以免损坏接口螺纹。 2、系统试漏 <1>确定操作压力，关闭尾气出口阀门、背压阀。
合成气制二甲醚工艺 目前合成气合成二甲醚的生产工艺主要有两步法和一步法两种，两步法是经过甲醇合成和甲醇脱水两步过程得到DME，一步法是合成气直接生产DME，新开发的工艺有二氧化碳加氢合成二甲醚和生物质间接液化制取二甲醚。 1、两步法制二甲醚 两步法制二甲醚是以合成气为原料由低压法制得甲醇后,甲醇再经脱水制得DME，其主要过程如图1所示： 图1两步法合成二甲醚流程简图 其中甲醇脱水制二甲醚的方法又包括液相甲醇脱水法和气相甲醇脱水法液相甲醇脱水是将甲醇与浓硫酸混合加热使甲醇脱水得到二甲醚,浓硫酸起到催化剂的作用该工艺具有反应温度低,原料转化率和二甲醚的选择性高的优点,但是产品后处理比较困难,而且浓硫酸的存在使设备腐蚀严重,并且产生大量的废液,带来很大的环境污染,限制了此工艺的发展"目前国内仅有武汉硫酸厂和山东久泰化工科技有限公司开发此工艺。 在液相脱水制DME基础上，为了避免液体酸作为甲醇脱水剂时产生的设备腐蚀问题,美孚公司和意大利的ESSO公司开发了以固体酸为催化剂的甲醇气相脱水技术，气相甲醇脱水法的基本原理是将甲醇蒸汽通过固体酸催化剂脱水生成二甲醚，目前常用的催化剂主要有沸石、氧化铝、二氧化硅/氧化铝、阳离子交换树脂等，由于甲醇脱水反应是放热反应，因此维持适宜的反应温浙江大学博士学位论文合成气合成二甲醚和乙二醇研究综述度是气相甲醇脱水法的关键，两步法制二甲醚的反应条件温和，副反应少，二甲醚的选择性和产品的纯度高，但是由于需要从合成气开始生产甲醇，导致合成气的转化率低，生产流程长，并且需要经过甲醇分离精制过程，使得整个工艺的成本增加，即使购买成品甲醇直接脱水制得二甲醚，也容易受到甲醇价格的影响，而使成本难以控制。 2、一步法制二甲醚 合成气直接制二甲醚被称为“一步法”，一步法合成二甲醚由甲醇合成和甲醇脱水两个过程组成，同时还存在水汽变换反应，由于受到热力学的限制，甲醇合成反应的单程转化率一般较低，而由合成气一步法合成二甲醚，采用具有合成甲醇和甲醇脱水两种功能的复合催化剂，由于催化剂的协同效应，反应系统内各个反应相互祸合，生成的甲醇不断转化为二甲醚，合成甲醇不再受热力学的限制，与传统的经甲醇合成和甲醇脱水两步得到DME两步法，相比，一步法具有流程短、操作压力低、设备规模小、单程转化率高等优点，经济上更加合理，但缺点在于二甲醚的选择性低，产物的纯度不高。 目前国内外一步法合成二甲醚的反应工艺主要包括固定床工艺和浆态床工艺两大类：（1）固定床工艺 该工艺采用固定床作为合成二甲醚的反应器，合成反应在固体催化剂表面进行，在此工艺中，若采用贫氢合成气为原料气，催化剂表面会很快积碳，因此须使用富氢合成气为原料气，固定床一步法制取二甲醚的优点是具有较高的CO转化率，该方法具有简单高效的优点，但由于二甲醚合成反应是强放热反应，反应所产生的热量如果无法及时移走，致使催化剂床层局部区域产生热点，进而导致催化剂铜晶粒长大，从而导致催化剂活性降低甚至失去活性，同时，在目前所使用的催化剂上，具有催化甲醇合成的功能团和具有催化甲醇脱水功能的酸
气固相催化反应固定床 装置操作说明 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
气固相催化反应固定床装置 一、前言 本装置由管式炉加热固定床、流化床催化反应器组成，是有机化工、精细化工、石油化工等部门的主要实验设备，尤其在反应工程和催化工程及化工工艺、生化工程、环境保护专业中使用的相当广泛。该实验装置可进行加氢、脱氢、氧化、卤化、芳构化、烃化、歧化、氨化等各种催化反应的科研与教学工作。它能准确地测定和评价催化剂活性、寿命、找出最适宜的工艺条件，同时也能测取反应动力学和工业放大所需数据，是化工研究方面不可缺少的手段。 本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反应器和流化床反应器，由不绣钢材料制。 气固相催化反应固定床装置是管式反应器，床内有直径3mm的不绣钢套管穿过反应器的上下两端，并在管内插入直径1mm的垲装热电偶，通过上下拉动热偶而测出床层各不同高度的反应温度。加热炉采用三段加热控温方式，上下段温度控制灵活，恒温区较宽。控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示,通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。 气固相催化反应流化床是一种在反应器内由气流作用使催化剂细粒子上下翻滚作剧烈运动的床型。流化床也为不锈钢制，床下部有填装的陶瓷环做预热段，中下部为流化膨胀的催化剂浓相段，中上部为稀相段，顶部为扩大段。也采用三段控温方法。控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示，通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。它的换热效果比固定床优越，能及时把反应热移走，床层温度均匀，避免产物产生过热现象，提高了催化剂的反应效率。故流化床在许多有机反应中得到应用，如丙烯氨氧化制丙烯晴、丁烷或苯氧化制顺酐、二甲苯或萘氧化制苯酐、乙烯氯化、石油催化裂化、烷烃催化脱氢、二氧化硫氧化等都有工业规模生产，在实验室用流化床研究催化剂和工艺条件对产品开发有重大作用。
催化裂化集总反应动力学模型研究进展 摘要：分析和介绍了国内外催化裂化装置建模和稳态模拟方面的研究和进展。对催化裂化反应集总方法及相应的反应网络进行归纳，并讨论其优缺点；推导了动力学模型方程并着重探讨方程求解算法以及模型中动力学参数、催化剂失活因子和装置因素的估计方法。对催化裂化集总反应动力学模型的研究进展进行了综述，从中可见复杂反应体系集总反应动力学模型的发展历程。 1.引言 催化裂化是炼油工业最重要的二次加工工艺之一，其目的是将重质油转化成更有价值的轻端产品。由于油品组成复杂，很难用常规的动力学方法研究该高度偶联的反应体系，集总(1umping)理论的出现为催化裂化反应动力学的研究开辟了新的途径。近些年来，催化裂化在新技术、新工艺等方面取得了很大的进展，同时在集总动力学模型的开发和应用研究上也取得了引人注目的成绩。如蜡油的三集总、四集总、五集总、十集总、十一集总和渣油的六集总、十一集总、十三集总等动力学模型的开发，其中有些模型已经成功地应用于工业装置并取得明显的经济效益。本论文将综合评述催化裂化集总动力学模型的研究现状，为模型的进一步开发和研究提供指导。 1963年由Aris 等和We i 等创立的反应速率常数矩阵法，解决了复杂反应体系内反应强耦联这一难题，使对复杂的耦联反应体系进行解耦成为了可能。但由于复杂反应体系内原料与产物组分繁多，且每一组分又能进行不止一种的反应，故而建立详细描述每一组分反应行为的动力学模型是不可能的，必须进行一定的简化处理。所谓集总即是将反应系统中众多的单一化合物，按其动力学特性相似的原则，归并为若干个虚拟的单一组分（集总），然后去开发这些虚拟的集总组分间的反应网络，建立简化了的集总反应网络的动力学模型。集总反应动力学模型是在深刻认识反应机理的基础上将复杂的反应网络简化处理，从而开辟了一条动力学研究的新途径。集总理论最早应用于催化裂化过程，其后又应用于催化重整、延迟焦化、渣油加氢等其它过程。本文将通过回顾、总结催化裂化集总反应动力学模型的发展来见证集总理论及集总反应动力学模型的发展历程。 2 催化裂化集总反应动力学模型集总划分原则的发展 从集总划分原则的角度，可将催化裂化集总反应动力学模型的发展分为三个阶段。 2.1 第一阶段 20世纪60年代后期，Week man 等最早将集总理论成功运用于催化裂化过程，建立了催化裂化三集总反应动力学模型。该模型根据馏程的不同将反应物和产物归并为未转化的原料油、汽油和气体+ 焦炭三个集总。结果表明该模型能够较准确地预测给定原料油的转化率、生成汽油的选择性和最佳操作条件等。由于该模型参数少，计算简便，预测结果准确，在指导工业装置设计操作优化等方面显示出了强大的作用。催化裂化三集总反应动力学模型开创了集总理论在催化裂化反应动力学领域应用的先河，它肯定了将集总方法运用于复杂
1、CO在钯催化剂上的抵押氧化动力学 从该反应速率方程式中可以看出, 反应速率与TiO2表面吸附的O浓度和Pt 表面吸附的CO浓度呈正比
2、合成氨催化反应动力学 氨合成为气固相催化反应，它的宏观动力学过程包括以下几个步骤。 ①氮氢气体从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面----外扩散②反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散----内扩散 ③反应物被催化剂吸附----吸附④在催化剂内部孔道内组成的内表面上进行催化反应----化学反应⑤产物从催化剂表面脱附----脱附⑥产物从催化剂内表面扩散到外表面----内扩散⑦产物从外表面扩散到气流主体----外扩散 氮、氢气在催化剂表面反应机理，可表示为： N2(g)+催化剂—→2N(催化剂) H2(g)+催化剂—→2H(催化剂) N(催化剂) + H(催化剂) —→NH(催化剂) NH(催化剂) + H(催化剂) —→NH2(催化剂) NH2(催化剂) + H(催化剂) —→NH3(催化剂） NH3(催化剂)—→NH3(g) + 催化剂 实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步，即为表面反应过程的控制步骤。 对整个气固相催化反应过程，是表面反应控制还是扩散控制，取决于实际操作条件。低温时可能是动力学控制，高温时可能是内扩散控制； 大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径短，所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制，小颗粒可能是化学动力学控制。 1、温度 变换反应是放热反应，存在反应最佳温度。从热力学上看，T↑，Kp↓；但从动力学因素看，T↑，Kp ↑。使变换率最大的温度为最佳温度， 2.压力 从速度方程可看出，提高压力可使正反应速度增加大于逆反应速度增加，所以一般选择较高压力。同时必须在较高压力下才有可观的速度。 3、甲烷蒸汽转化反应动力学
太原理工大学化学化工学院 《化工设计》课程设计说明书 年产20万吨甲醇制二甲醚生产工艺初步设计 学生学号：2009002273 学生姓名：武晓佩 专业班级：化工工艺0904 指导教师：郑家军 起止日期：2012.11.26～2012.12.21
化工设计课程设计任务书 一、化工课程设计题目 年产20万吨甲醇制二甲醚生产工艺的初步设计 二、化工课程设计要求及原始数据（资料）： 操作方式：连续操作 产品品种：二甲醚 拟建规模：20万吨/年 年操作日：365天 汽化塔：原料粗甲醇纯度90%（质量分数，下同），塔顶甲醇气体纯度≥99%，釜液甲醇含量≤0.5%； 合成塔：选择 -Al2O3做催化剂，转化率≥80%，选择性≥99.9%，脱水温度选择300摄氏度。 精馏塔：塔顶二甲醚纯度≥“99.9%”釜液二甲醚含量≤0.5%； 回收塔：塔顶回收甲醇纯度≥98%，废水中甲醇含量≤0.5%。 三、化工课程设计主要内容： 1、绪论 2、生产流程或方法的确定 3、物料衡算和热量衡算 4、主要工艺设备的计算及选型（包括设备一览表） 5、原材料、动力消耗定额及消耗量 6、参考文献 7、致谢 8、附图（带控制点的工艺流程图和关键设备的结构图） 四、时间安排： 共设计四周，前2周收集资料，进行工艺流程的设计、物料和热量衡算，后两周进行设计说明书的撰写、工艺流程图和设备图的绘制。 五、学生应交出的设计文件： 课程设计说明书一本 带控制点的工艺流程图一套（要求手工绘制2#图纸） 主要设备结构图一套（要求CAD绘制，2#图纸） 六、主要参考文献（资料）： 1、《化工设计》王静康主编1995年版化学工业出版社出版 2、《化工原理》（上、下）2001年版天津大学化工原理教研室编天津科学技术出版社出版 3．…………
摘要 目前国内外二甲醚生产方法主要有两类：合成气一步法和甲醇法，而甲醇法又分为甲醇气相法和甲醇液相法。合成气一步法工业化技术尚未完全成熟。按现有技术水平，生产成本比甲醇法高，技术缺陷有待弥补、技术关键有待探索、突破。目前已投产的和拟建在建的二甲醚生产装置都是甲醇法。而液相法生产工艺由于操作压力低、单台反应器产能低、有一定污染，造成装置投资高、电力消耗高，不宜大面积推广。甲醇气相法是现阶段最经济合理的二甲醚生产方法。目前国内外拟建和在建的上规模的二甲醚生产装置均为甲醇气相法。 甲醇气相法合成二甲醚是目前国内外二甲醚生产的主要工艺，该法以精甲醇为原料，脱水反应副产物少，二甲醚纯度达99.9%，工艺成熟，装置适应性广，后处理简单，可直接建在甲醇生产厂，也可建在其它公用设施好的非甲醇生产厂。该法要经过甲醇合成、甲醇精馏、甲醇脱水和二甲醚精馏等工艺。目前国外公布的大型二甲醚建设项目绝大多数采用两步法工艺技术，说明甲醇气相法有较强的综合竞争力。 关键词：甲醇二甲醚气化
Abstract At home and abrod and dimethyl ether production method basically has two kinds: one step method and methanol synthesis method, and methanol method and divided into methanol gas phase method and methanol liquid phase methods. Syngas technology has not yet been fully one-step industrialization mature. According to the existing technical level, the production cost than methanol method, high technology, key to make up for defects to explore, breakthrough. At present has gone into operation and construction of dimethyl ether under construction unit of production are methanol method. The liquid phase methods and production process due to low operating pressure, single reactor capacity is low, the have certain pollution caused by device, high investment, high power consumption, unfavorable accumulates promotion. Methanol gas phase method at present stage is the most economic and reasonable dimethyl ether production methods. At home and abroad and plans to build and the scale of building in dimethyl ether production device are methanol gas phase method. Methanol gas phase method synthesis of dimethyl ether is at home and abroad and dimethyl ether, the main technology of production with fine methanol as raw materials, dehydrated, reaction by-products less, dimethyl ether purity of 99.9%, the craft is mature, the device wide adaptability, simple post-treatment, can be directly built in methanol production factory, also can be built in other public facilities good the methanol production factory. The law should pass methanol synthesis, methanol distillation, methanol dehydration and dimethyl ether distillation, etc. Craft. At present foreign large dimethyl ether released most of the construction project by two-step process technology, explain methanol gas phase method has the strong comprehensive competitive power. Key words：Methanol Dimethyl ether gasification
甲醇制二甲醚(DME) 摘要：综述了二甲醚的性质、用途、生产方法及使用二甲醚时候的注意事项。 关键词：二甲醚化工产品合成气一步法甲醇液相法甲醇气相法 一、产品说明 1、二甲醚的基本概况 二甲醚别名：甲醚 英文名称：methyl ether；dimethyl ether；DME CAS编号：115-10-6 分子式：C2H6O 结构式：CH3—O—CH3 二甲醚又称甲醚，简称DME。二甲醚在常压下是一种无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。相对密度（20℃）0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸气压约为0.5MPa，与石油液化气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮，燃烧热（气态）为1455kJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。 二甲醚是醚的同系物，但与用作麻醉剂的乙醚不一样，毒性极低；能溶解各种化学物质；由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性，广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替代制冷剂、溶剂等，另外也可用于化学品合成，用途比较广泛。 2 生产原理 2.1 生产方法简介 目前国内外二甲醚生产方法主要有合成气一步法和甲醇法。甲醇法又分为甲醇气相法和甲醇液相法。合成气一步法的工业化技术尚未成熟,理由是: ①现有的技术未经装置检验; ②即使按现有技术,其生产成本也高于甲醇气相法 2.2 反应方程式 甲醇液相法： 甲醇脱水反应在液相、常压或微正压、130 ～130 ℃下进行。其化学反应式如下: 2CH3OH =H3COCH3 +H2O 甲醇气相法： 催化剂为ZSM分子筛、磷酸铝或γ2Al2O3。 甲醇脱水反应的化学反应式如下。 主反应: 2CH3OH =H3COCH3 +H2O 主要副反应: CH3OH =CO + 2H2 H3 COCH3 =CH4 +H2 +CO CO +H2O =CO2 +H2 3 工艺过程及流程图 3.1工艺过程 甲醇液相法 甲醇液相法由硫酸法发展而来,而硫酸法生产二甲醚工艺是硫酸法生产硫酸二甲酯生产流程
第三章 催化反应的热力学和动力学 一、催化反应的热力学热力学 化学和酶催化反应和普通化学反应一样，都是受反应物转化为产物过程中的能量变化控制的。因此要涉及到化学热力学、统计学的概念。下面对催化反应热力学作简要介绍。 1．热力学第一定律（又称为能量守恒与转化定律） 实际上是能量守恒和转化定律的说明。能量有各种形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转化和传递中，能量的总量保持不变。如果反应开始时体系的总能量是U 1，终了时增加到U 2，那么，体系的能量变化U ?为： U ?=U 2-U 1 (3-1) 如果体系从环境接受的能量是热，那么，体系还可以膨胀作功，所以体系的能量变化U ?必须同时反映出体系吸收的热`和膨胀所作的功。体系能量的这种变化还可以表示为： U ?=Q -W （3-2） Q 是体系吸收的热能，体系吸热Q 为正值，体系放热（或体系的热量受到损失）Q 为负值；W 是体系所作的功，当体系对环境作功时，W 值是正的，当环境对体系作功时，W 值是负的。体系能量变化U ?仅和始态及终态有关，和转换过程中所取得途径无关，是状态函数。 大多数化学和酶催化反应都在常压下进行，在这一条件下操作的体系，从环境吸收热量时将伴随体积的增加，换言之，体系将完成功。在常压p ，体积增加所作的功为： ??==V p pdV W （3-3） 这里，△V 是体系体积的变化值（即终态和始态时体积的差值）。因此，这时在常压下，体系只作体积功时，热力学一律的表达式为： U ?=V p Q p ?- (3-4) 对在常压下操作的封闭体系，H Q p ?=，△H 是体系热函的变化。因此，对常压下操作的体系：热力学一律的表达式为：V p U H ?+?=? （3-5） △U 和p △V 对描述许多化学反应十分重要。但对发生在水溶液中的反应有其特殊性，因为水溶液中的反应没有明显的体积变化，p △H 接近于零。△H ≈△U ，所以对在水溶液中进行的任何反应，可以用热函的变化△H 来描述总能量的变化，而这个量△H 是可以测定的。
催化反应动力学的研究现状与展望 摘要：催化反应动力学是催化剂研究的重要领域，本文主要介绍了稳态催化反应动力学（ＬＨＨＷ）法和非稳态催化反应动力学法，主要从基本原理方面对上述方法做了简要介绍，并联系部分实例。最后，对微动力学（Micro-kinetic）进行了概括性的介绍和展望。 引言： 19世纪前30年，许多科学工作者独立地观察到众多相似的化学现象，如淀粉在酸的存在下转变为葡萄糖，金属Pt粉浸在酒精中使其中一部分乙醇转化为乙酸等。J.J.Berzelius于1836年提出了“催化作用”的概念。催化反应是化学反应中极其重要的一类反应，在催化剂的存在下，原化学反应能够降低反应活化能，提高反应速率。催化反应有如下特点： 1.催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。 2.催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡常数。 3.催化剂对反应具有选择性。 4.虽然理论上，催化剂本身不永久地进入反应的产物，经过一个催化循环又回到原始状态，但实际应用中，催化剂或长或短的都存在一定的使用寿命，并不能无限期的使用。 根据催化剂以上特点，可以看出，催化剂主要的功能是改变化学反应的动力学特性从而加速反应进行。 催化剂种类繁多，大体上可以分为固体酸碱催化剂，金属催化剂，金属氧化物及硫化物催化剂和均相催化剂。催化反应一般分为均相催化、非均相催化和酶催化。 催化反应在农业、能源、医药、化学化工、环保等领域扮演者非常重要的角色。了解催化反应对于理论及实际应用都有十分重要的意义。催化反应动力学是了解催化过程本质的重要一环，也是重要工具，它一方面有助于了解催化反应的机理，另外一方面可以为催化反应器的设计提供基本的依据（化学反应工程内
学习心得 一、催化剂在在工业生产中的应用 工业生产中采用催化剂生产或加工产品已有百余年历史，化工生产中典范 的催化剂应当是铁基合成氨催化剂，也是历史很久、研究得最多、用量最大的 一个催化剂。其中氧化铝是公认的结构型助催化剂，还加入钾等一些电子型助 催化剂，氯、硫、磷等是催化剂永久性毒物，氧、二氧化碳、一氧化碳、水汽 等是催化剂暂时性毒物。钢铁零件表面固体渗碳是一个古老的生产工艺，估计 也有百年历史，为了加快渗碳速度、缩短生产时间以及提高渗碳层质量，渗碳 剂中必须加入催化剂（又称助渗剂）。常用的催化剂是碳酸钡等碱土和碱金属 碳酸盐，S、Cl等是过程的阻滞剂（又称反应毒物）。与固体渗碳工艺密切相 关的碳气化反应（CO2+C=2CO）是一个非常重要的工业反应，由于涉及能源、冶 金和化工工业，因此有关这个反应的热力学、动力学、反应机理、催化剂与毒 物等同样进行了大量研究。 二、什么是单相催化反应和多相催化反应？ 单相催化，又称均相催化，其中反应物质与催化剂都处于同一相中。 多相催化反应是气态或液态反应物与固态催化剂在两相界面上进行的催化反应。其历程至少包括反应物在催化剂表面上的化学吸附，吸附中间物的转化(表面反应)和产物脱附三个连续步骤。阐明一个多相催化反应的历程，需揭 示有关催化剂的活性部位和表面吸附中间物的结构和性质；吸附与催化反应 的关系(如吸附分子之间反应或吸附分子与气相分子反应)；催化剂表面活性 部位如何在催化循环中获得再生以使催化反应能连续进行等。一般是通过多 相催化反应的动力学与催化剂的物理化学分析以获得对其历程的了解。 实际上，多相催化主要由于化学吸附，且催化剂表面只有一小部分能起催 化作用，这部分称活性中心 ．．．．。反应物只有被吸附在活性中心上，才能变形并活化，从而加速反应。化学吸附带有化学键性质，故一种催化剂只能催化某些特 定的反应，这就是催化剂选择性的原因。一般说，粒子越细或表面积越大，表 面缺陷越多，其催化活性越好。多相催化剂可连续进行催化；与产物易于分离，使用温度范围很宽，故许多工业反应都采用多相催化，或将均相催化剂负载于 多孔的聚合物或无机载体上，如将酶负载于若干不溶性载体上，获得固定化酶，应用极广。 三、多相催化反应的步骤 1.反应物由气体向催化剂的外表面扩散（外扩散）； 2.反应物由外表面向内表面扩散（内扩散）； 3.反应物吸附在表面上；
气固相催化反应宏观动力学 化学反应工程主要研究化学反应器的原理，研究物理因素对化学反应的影响，以研究反应动力学为主要内容，并据此进行工业反应器的设计及放大。工业中，气固相催化反应十分常见，如SO 2催化氧化、H 2和CO 低压合成甲醇、由乙炔合成醋酸乙烯等，所以气固相催化反应的宏观动力学是教学重点。但气固相催化反应宏观动力学这部分的知识较难理解，公式复杂，反应速率表达形式多，我们在教学过程中很难理解和掌握。以下就这部分知识进行说明和分析。 反应动力学有本征动力学和宏观动力学之分。在气固相催化反应中，反应发生在固体催化剂的内表面，完整的反应步骤有：反应物从气相主体扩散，穿过颗粒外气膜滞流层，达到颗粒外表面；反应物从颗粒外表面沿微孔向颗粒内表面扩散；反应物被催化剂颗粒内表面的活性中心吸附；被吸附的反应物在内表面上发生化学反应；产物由内表面上脱附；产物由微孔内向颗粒外表面扩散；产物由外表面穿过气膜层向气流主体扩散。因此，完整的反应包含了颗粒外的气相扩散、颗粒内的气相扩散和表面催化反应过程。而扩散现象的存在必然会对反应速率造成影响。外扩散是纯传质的物理过程，内扩散与表面催化反应是同时进行的，所有又称“内扩散-反应过程”。如仅研究表面反应过程，即排除内、外扩散影响下的催化剂表面与所接触的气体间的反应情况的动力学，则为本征动力学。而将所有扩散影响考虑在内的情况，则为宏观动力学。宏观反应速率不仅和化学反应本征反应速率有关，而且与过程的扩散速率有关。如当外扩散为控制步骤时，反应的宏观速率就仅取决于传质扩散速率。 1、反应速率的表达及反应速率常数间的相互关系 对气固相催化反应，反应速率的表达可以用体积反应速率、表面积反应速率或质量反应速率，即反应区可以用不同的基准，相应地化学反应速率常数的基准也有很多。 体积反应速率的表达为：dV dF r i i v ±= (1) 式中反应区体积可以指催化剂颗粒床层的堆体积，或者是床层中催化剂颗粒的体积。催化剂床层的堆体积V B 与床层中催化剂颗粒的体积V 、床层中催化剂颗粒的内表面积S 、床层中催化剂颗粒的质量W 存在如下的关系。
多相催化 多相催化反应是气态或液态反应物与固态催化剂在两相界面上进行的催化反应。其历程至少包括反应物在催化剂表面上的化学吸附，吸附中间物的转化(表面反应)和产物脱附三个连续步骤。阐明一个多相催化反应的历程，需揭示有关催化剂的活性部位和表面吸附中间物的结构和性质；吸附与催化反应的关系(如吸附分子之间反应或吸附分子与气相分子反应)；催化剂表面活性部位如何在催化循环中获得再生以使催化反应能连续进行等。一般是通过多相催化反应的动力学与催化剂的物理化学分析以获得对其历程的了解和应用，下面就让我来阐述具体的影响过程。 吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。 化学吸附的主要特点是：仅发生单分子层吸附；吸附热与化学反应热相当；有选择性；大多为不可逆吸附；吸附层能在较高温度下保持稳定等。化学吸附又可分为需要活化能的活化吸附和不需活化能的非活化吸附，前者吸附速度较慢，后者则较快。
化学吸附是多相催化反应的重要步骤。研究化学吸附对了解多相催化反应机理，实现催化反应工业化有重要意义。 吸附特点与物理吸附相比，化学吸附主要有以下特点：①吸附所涉及的力与化学键力相当，比范德华力强得多。②吸附热近似等于反应热。③吸附是单分子层的。因此可用朗缪尔等温式描述，有时也可用弗罗因德利希公式描述。捷姆金吸附等温式只适用于化学吸附：V/Vm=1/a·㏑CoP。式中V是平衡压力为p时的吸附体积；Vm是单层饱和吸附体积；a和c0是常数。④有选择性。⑤对温度和压力具有不可逆性。另外，化学吸附还常常需要活化能。确定一种吸附是否是化学吸附，主要根据吸附热和不可逆性。 吸附机理 可分3种情况：①气体分子失去电子成为正离子，固体得到电子，结果是正离子被吸附在带负电的固体表面上。②固体失去电子而气体分子得到电子，结果是负离子被吸附在带正电的固体表面上。③气体与固体共有电子成共价键或配位键。例如气体在金属表面上的吸附就往往是由于气体分子的电子与金属原子的d 电子形成共价键，或气体分子提供一对电子与金属原子成配位键而吸附的。 在复相催化中的作用及其研究 在复相催化中，多数属于固体表面催化气相反应，它与固体表面吸附紧密相关。在这类催化反应中，至少有一种反应物是被固体表面化学吸附的，而且这种吸附是催化过程的关键步骤。在固体表面的吸附层中，气体分子的密度要比气相中高得多，但是催化剂加速反应一般并不是表面浓度增大的结果，而主要是因为被吸附分子、离子或基团具有高的反应活性。气体分子在固体表面化学吸附时可能引