气固相苯加氢催化反应实验讲义(精)

苯加氢项目培训资料加氢单元工艺技术一、概述1 概述加氢精制单元包括粗苯预分馏系统、加氢反应系统、稳定塔系统。

粗苯预分馏系统主要设备为预分馏塔。

加氢反应系统主要设备包括一段反应器、二段反应器、氢气压缩机、反应加热炉、循环氢加热炉和循环氢洗净塔。

稳定塔系统主要设备为稳定蒸馏塔。

粗苯原料在加氢单元先经过预分馏系统脱除重苯，然后经加氢系统，在催化剂的作用下，不饱和化合物和含有硫、氮、氧的杂质组分别发生加成反应和氢解反应，而被脱除。

接下来经过稳定塔系统将加氢油中的轻质组分如甲烷、硫化氢等脱除，最终将满足产品生产要求的C5-C8馏份送至萃取蒸馏单元。

2 基本定义加氢- 一种烃类加氢的化学工艺，用于脱除污染物和使碳键饱和。

此套装置具体作用是去除硫和氮、链烯烃和双烯烃双键的饱和，但芳烃双键有限饱和。

催化剂- 一种增加一个反应开始发生化学变化的速度的物质。

Axens公司使用氧化铝为载体的粒状和长粒状钴/氧化钼和镍/氧化钼为催化剂。

芳烃化合物- 一种非常稳定、难以处理的环状HC（烃）。

可能有侧链，例如在枯烯和苯乙烯中都有侧链。

在石脑油中，只存在单环（单芳香烃），但也可能有微量的双环芳香烃存在，例如萘。

链烯烃/二烯烃- 不稳定链状HC，在碳和氢气之间有一个或两个双键。

特别是在高温或有氧气存在时，可通过聚合作用形成胶类。

严苛性- 用于达到理想产品质量的反应器条件。

高压高温和低空间速度可视为更加严苛的条件。

H2/HC比例- 进入反应器的总氢气流量与进入反应器的总HC进料量之比。

该比例越高，成焦反应越少。

3 加氢原理3.1 主要反应－脱硫- 氢气与烃中的硫反应形成硫化氢。

并饱和环中硫腾出的位置。

这些条件很容易达到。

－饱和－就是将氢插入双C/C键。

这一快速反应要求不但有温和的操作条件，而且还要有高放热量（即反应热）。

当进料中二烯烃的含量较高时，该反应将在一个独立的反应条件严苛性不高的反应段进行。

这样可以避免温度剧增和催化剂床层的拥塞。

2.1.3气-固催化反应过程与控制步骤气固相催化反应过程分析：图为气固相催化反应的整个反应过程示
意图（图2-2）。

七个步骤:
①反应组分A从气流主体扩散到催化剂颗粒外表面；
②组分A从颗粒外表面通过微孔扩散到颗粒内表面；
③组分A在内表面上被吸附；
④组分A在内表面上进行化学反应，生成产物 B ；
⑤组分B在内表面上脱附；
⑥组分B从颗粒内表面通过微孔扩散到颗粒外表面；
⑦反应生成物B从颗粒外表面扩散到气流主体。

图2-2气固相催化反应的整个反应过程示意图
①、⑦称为外扩散过程，该过程主要与床层中流体流动情况有关；②、⑥称为内扩散过程，它主要受孔隙大小所控制；③、⑤分别称为表面吸附和脱附过程，④为表面反应过程，③、④、⑤这三个步骤总称为表面动力学过程，其速率与反应组分、催化剂性能和温度、压强等有关。

整个气固催化宏观反应过程是外扩散、内扩散、表面动力学三类过程的综合。

上述七个步骤中某一步的速率与其它各步相比特别慢时, 整个气固催化宏观反应过程的速率就取决于它，此步骤成为控制步骤。

气〜固非均相催化过程与控制步骤：①动力学控制：吸附，表面反应，脱附（其控制过程与催化剂表面有直接关系）；②扩散控制：内扩散，外扩散。

第五章 气-固相催化反应动力学本章核心内容：介绍了气-固相催化反应的特点、固体催化剂的特征参数和均匀及不均匀吸附等温方程的要点，在此基础上，阐述了不同控制步骤的气-固相催化反应本征动力学方程。

本章的重点在于讨论有关固体催化剂的反应-传质-传热耦合的宏观过程、宏观动力学方程的建立及求解方法。

前已述及，化学反应可分为均相反应和非均相反应两大类。

均相反应动力学因无相间传质传热阻力属于本征动力学范畴，而气固两相催化反应存在相间传递阻力，使可测的主体气流温度和浓度与实际反应值不同，为了描述真实的反应速率，进行有效的气固催化反应器设计，从第五章开始，将学习和讨论气固非均相反应动力学及其反应器设计内容。

本章从它的机理方程入手，详细讨论气固相催化反应宏观动力学规律。

5-1 气-固相催化反应 5-1-1 气-固相催化反应概述所谓气固相催化反应是指在反应条件下，在固体催化剂表面上进行的、反应物和产物均呈气态的一类化学反应。

例如，氮气和氢气在固体铁催化剂表面上进行的合成反应，二氧化硫在固体钒催化剂表面上转化为三氧化硫的反应，合成气在铜基催化剂表面上进行合成甲醇的反应等等，都属于气固相催化反应。

这一类型的催化反应在化工生产中所占的份额相当大，因此气固相催化反应动力学研究及其反应器设计等相关内容成为化学反应工程学的核心内容之一。

气固相催化反应的最大特点莫过于固体催化剂表面这个反应平台，它不仅可以改变反应路径、降低反应活化能，加快反应速率。

因此，在定义气固相催化反应速率时，离不开固体催化剂表面积S 这个参变量的引入，即dtdn S r ii 1±= （5-1） 固体催化剂表面积是固体催化剂的重要性能参数之一，对于特定的催化剂而言，单位质量催化剂所具有的表面积几乎是一个常量，两者之间具有高度的对应关系，所以在定义气固相催化反应速率时，也常常用固体催化剂质量W 替代式（5-1）中的S 。

气-固相催化反应动力学研究的目的就是要建立气固相催化反应动力学方程，为气固相催化反应器的开发设计、选型、优化操作与控制提供理论依据。

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。

硝基苯气-固相催化加氢为苯胺的实验研究秦祖赠;栗西亮;蒋月秀;谢新玲;粟海锋【摘要】研究了Ni/膨润土催化剂的制备方法与催化剂的热分析(TG-DTA)和氢程序升温还原(H2-TPR)分析,并将其应用于硝基苯气-固相催化加氢合成苯胺过程中.结果表明,Ni/膨润土催化剂在300℃,常压下进行硝基苯催化加氢为苯胺反应,硝基苯的转化率在6h内均能达到99％以上,苯胺的收率达到85％以上.热分析表明,经350℃焙烧2h后可获得的催化剂的活性成分为NiO;H2-TPR分析表明,催化剂上的NiO被还原为Ni金属而起催化作用.对催化剂的活性测试部分进行了改进,改进后的气-固相催化加氢实验在固定床反应器中进行,相比液相加压反应,改进后的实验安全性更高,更加直观,且易于理解与操作.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】5页(P9-12,85)【关键词】Ni/膨润土;制备;硝基苯;催化加氢;气-固相反应【作者】秦祖赠;栗西亮;蒋月秀;谢新玲;粟海锋【作者单位】广西大学化学化工学院,广西南宁530004;广西大学化学化工学院,广西南宁530004;广西大学化学化工学院,广西南宁530004;广西大学化学化工学院,广西南宁530004;广西大学化学化工学院,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】G642气-固相催化反应及其动力学，以气-固相催化反应为代表的理想反应器(平推流反应器)是化学工程与工艺专业的主干课程“化学反应工程”的主要内容。

气相组分在固体催化剂作用下的反应过程，是化学工业中应用最广、规模最大的一种反应过程。

据统计，90%左右的催化反应过程是气固相催化反应。

目前，工业上很多重要的反应过程，如合成氨生产中的一氧化碳变换和氨的合成，有机化工中的萘氧化制苯酐和苯氧化制顺酐、硝基苯催化加氢制苯胺，石油炼制中的催化裂化、催化重整等，均属此类。

气-固相催化反应实验的设计能够加深学生对气固相反应理论的理解，但目前大部分开出的实验为验证性实验，多为高压反应过程。

（课时备课）授课日期2007年12月7日第36次课 2 学时以记忆。

第十一章气-固相催化反应过程教学要求：了解气-固相催化反应的动力学模型及反应器热稳定性的判断方法、可采取的措施，熟悉内、外扩散对动力学模型的影响、固定床催化反应器的类型及有关计算、固体流态化的特点及流化床反应器的设计计算。

掌握可逆简单反应最佳温度的确定方法。

本章重点：固定床催化反应器的有关计算，流化床反应器的设计计算，可逆简单反应最佳温度的确定。

本章难点：可逆简单反应最佳温度的确定。

§ 1气-固相催化反应动力学实际生产中，多数化学反应是在多相系统中进行的，如合成氨、乙烯氧化为环氧乙烷、乙烘与氯化氢合成氯乙烯、苯氯化、苯氧化为顺丁烯二酸酊等均属此类。

一、多相系统的特征系统屮同时存在两个或两个以上的相态, 在发生化学反应的同时，也发生着相间和相内的传递现象，主耍是质量传和热量传递。

如果这些传递现象不存在，么就不可能发生化学反应。

二、多相系统中的反应类型：(1)在两相界面处进行反应所冇气-固相反应或气-固相催化反应。

⑵在一个相内进行反应大多数气-液反应，进行反应的相叫做反应相。

(3)在两个相内同时发生反应某些液-液反应。

本章中着重讲述气-固相催化反应，并讨论定量处理的方法。

三、气-固相催化反应过程对气相不可逆反应A^R，其具体步骤为：(1)反应物A由气相主体扩散到催化剂外表面(外扩散)；⑵反应物A由外表面向孔内扩散，到达可进行吸附/反应的活性中心(内扩散);(3)A在催化剂表面被吸附；(4)A在表面上反应生成R；(5)产物R自表而脱附；(6)产物R[±内表面扩散到外表面(内扩散)；(7)R曲催化剂外表面扩散到气相主体(外扩散)。

步骤⑴、(7)属外扩散。

步骤⑵、(6)属内扩散(孔扩散)，步骤⑶〜⑸属表面反应过程。

上述七个步骤中，速度最慢的一步为控制步骤。

由丁扩散的影响，气相主体反应物的浓度°、催化剂外表而上反应物的浓度J』及催化剂颗粒中心反应物的浓度％将是不一样的，且C心为反应物A的平衡浓度。