化工过程开发的实验室工作课件.ppt

1、1/26/20231第三章第三章 化工过程开发的化工过程开发的实验室工作实验室工作1/26/20232第二章回顾选题选题市场需求调研市场需求调研所需资料所需资料立项立项来源来源3种原则原则4点定性定性定量定量专门专门外围外围一元线性一元线性回归回归1/26/20233主要内容v第一节 概述v第二节 测量技术v第三节 催化剂研究v第四节 反应动力学研究方法简介v第五节 标准样品及分析方法v第六节 化工单元过程和化工单元操作试验1/26/20234第一节 概述（参考P37-46）一、实验分类预实验预实验系统实验系统实验实验的进实验的进展和目的展和目的的不同的不同实验试验？实验试验？1/26/202

2、351.预实验v为提出设想流程而进行的实验。v内容：针对可行性研究中提出的疑问或前面实验发现的新问题来进行研究。v特点：无全面规划、定性或半定量的实验v要求：研究者必须建立明确的思路。v如对化学反应过程的研究，从三个方面建立思路：1/26/20236（1）从认识对象的特征来建立思路。（2）从影响过程的因素出发来建立思路（3）从工艺的特殊条件建立思路 化学反应的化学反应的特征？特征？影响反应影响反应速率的因速率的因素？素？如催化反应如催化反应的控制步骤的控制步骤等等目的：目标明确、简化实验目的：目标明确、简化实验1/26/20237预实验的三种形式v（1）认识实验v（2）析因实验v（3）验证实验

3、1/26/20238（1）认识实验v 认识试验是为了认识过程研究对象的特征和初步规律而专门设计的试验。方法：对比实验如考察反应的转化率和收率的高低，如考察反应的转化率和收率的高低，考察温度或浓度对过程影响的敏感程考察温度或浓度对过程影响的敏感程度，以及考察传热方式或传质条件改度，以及考察传热方式或传质条件改变对过程的影响等。变对过程的影响等。目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。1/26/20239（2）析因实验v 析因试验是为了弄清实验的各种影响因素影响因素而专门组织的试验。v应注意以下法则：A、注意工程因素的等效性，不必对所有的

4、因素都逐个进行试验；B、分清可调和不可调因素，对不可调因素一般不作考察；C、分清敏感因素和非敏感因素，对非敏感因素，一般也不作重点考察 直接直接工程工程非常规非常规1/26/202310（3）验证（鉴别）实验v针对已形成的技术结论或设想的技术措施，判别其是与非而专门设计的试验。v采取一些简易设备和简便方法来进行，采取一些简易设备和简便方法来进行，要求研究者要善于运用工程因素等效性的概念要求研究者要善于运用工程因素等效性的概念来合理简化试验过程来合理简化试验过程。1/26/2023112、系统实验v系统试验是在预试验的基础上迸行，它是有目的有计划地对预试验测定的定性结论或技术方案作系统考察并定量

5、测取有关设计数据。预试验预试验-概念设计；概念设计；系统试验系统试验-基础设计。基础设计。1/26/202312包括：vA、实验目的vB、实验方案vC、装置设计和建立vD、实验点的安排vE、获得数据vF、数据处理1/26/202313二、实验工作程序v基本程序：规划-实验及记录-分析整理-报告1.拟定实验计划2.实验过程3.总结新产品？新技术新产品？新技术对老工艺改造？对老工艺改造？认真操作、观察现认真操作、观察现象、测数据、记录象、测数据、记录成果、不足成果、不足1/26/202314第二节 测量技术一、温度测量二、压力测量三、流量测量1/26/202315一、温度测量v常用的测温元件？玻璃

6、液柱 双金属 热电偶1/26/202316名称测温范围优点缺点玻璃液柱温度计酒精-8030水银-10300直观，结构简单，稳定性好，价格低廉易碎、温度范围有限，安装位置要求准确，热响应慢双金属温度计低温型-8080高温型0500直观，坚固耐用，无汞危险性，价格低廉仅用于现场测量，需要一定浸入长度，表盘所限精度差，热响应慢热电偶低温-20040高温01700测温范围宽，响应快安装灵活需显示仪表测温元件特点1/26/202317二、压力测量vU型管液柱压差计结构简单、制作方便、读数直观、价格低廉缺点：易碎v弹簧管压力表测量范围大，读数精确度较差。1/26/202318三、流量测量v转子流量计v皂膜

7、流量计皂膜流量计v毛细管流量计毛细管流量计1/26/202319第三节 催化剂研究一、催化技术概况1.催化剂及性能指标（1）活性（2）选择性（3）稳定性1/26/2023202.催化剂开发内容v催化剂开发包括了催化剂的设计、制备、测试、评价等各方面多专业的工作，也包括了实验室研究（小试）、中试以及大厂生产和使用等各个工作段在内。v是一个庞大的工作体系。v 一般来讲，即使局部更新一个已经工业化的催化剂也需要35年的时间，而且需要耗费大量的资金和人力。开发工作的每一步都要仔细考虑经济因素。1/26/2023213.催化剂开发中的实验室工作实验室工作包括几个部分：（1）资料准备（2）催化剂参考样品的

8、剖析（3）配方筛选1/26/202322资料准备通过查阅文献做以下几项工作:1、待开发催化剂及其相关的工艺过程的历史及其现状2、课题的由来和意义3、技术路线的选择4、技术上的先进性和可行性5、经济上的合理性1/26/202323样品剖析ICI 46-1催化剂的剖析（剖析结果）（1）外观（2）物理性质（3）催化剂的元素组成分析（4）催化剂中某些元素的分布（5）催化剂物相组成的测定1/26/202324（6）催化剂的差热谱图（7）催化剂可还原性的考察（8）催化剂中活性组分镍晶粒大小和吸附氢气的测定（9）催化剂热稳定性的考察（10）催化剂的活性和抗碳性能的考察 推断推断:高岭土、氧化铝、氧化镁为载体

9、；氧高岭土、氧化铝、氧化镁为载体；氧化钙为助剂；镍为活性组分；铝酸钙水泥化钙为助剂；镍为活性组分；铝酸钙水泥为粘结剂；高温处理为粘结剂；高温处理1/26/202325二、催化剂制备方法v沉淀1.单组分沉淀法单组分沉淀法 沉淀剂与一种待沉淀组分溶液作用以制备单一组沉淀剂与一种待沉淀组分溶液作用以制备单一组分沉淀物分沉淀物2.多组分共沉淀法多组分共沉淀法 将催化剂所需的两种或两种以上组分同时沉淀的将催化剂所需的两种或两种以上组分同时沉淀的一种方法一种方法3.均匀沉淀均匀沉淀 待沉淀溶液与沉淀剂母体混合均匀，调节反应条待沉淀溶液与沉淀剂母体混合均匀，调节反应条件（温度、件（温度、PH值等）使体系逐步

10、生成沉淀剂，值等）使体系逐步生成沉淀剂，使沉淀进行，得到均匀纯净固体。使沉淀进行，得到均匀纯净固体。1/26/202326v浸渍将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂组分）的可溶性化合物溶液中，而后除去组分）的可溶性化合物溶液中，而后除去过剩溶液，再经干燥、焙烧和活化即可过剩溶液，再经干燥、焙烧和活化即可v离子交换法离子交换法1、无机离子交换剂制备（分子筛）、无机离子交换剂制备（分子筛）2、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）1/26/202327共混法1/26/2023281/26/202329三、催化剂评价方法v微反检

11、测1/26/202330微反活性测试装置微反活性测试装置 1/26/202331第四节 反应动力学研究方法简介（P86-92）1/26/202332动力学研究的目的和作用v目的：为研究的催化剂提供数学模型，使之能够在较大的范围内更有把握地、更准确地反映温度、空速、压力等参数对反应速率、转化率和选择性的影响规律。v作用：为催化剂设计以及催化剂反应器的设计提供科学依据。1/26/202333多相催化机理v对于多相催化反应，以化学物种与催化剂的接触开始，需要经历一系列的物理和化学基本步骤。称这些步骤序列为“历程”，而包括吸附、脱附、物理传输和化学变化步骤在内的序列关系称为机理。1/26/202334

12、动力学实验方法动力学实验内容：主要是测取不同温度和反应动力学实验内容：主要是测取不同温度和反应物浓度条件下的反应速率，由此确定反应活化物浓度条件下的反应速率，由此确定反应活化能、反应级数和频率因子等动力学参数。能、反应级数和频率因子等动力学参数。测试方法：可以在间歇操作的反应器内进行，测试方法：可以在间歇操作的反应器内进行，也可以在连续操作的反应器内进行。也可以在连续操作的反应器内进行。不论哪种方法，都不能直接测出反应速率；不论哪种方法，都不能直接测出反应速率；而必须通过测试数据计算方能求得。而必须通过测试数据计算方能求得。1/26/202335反应器1.间歇反应器间歇反应器2.连续反应器连续

13、反应器 3.脉冲式反应器脉冲式反应器1/26/2023361.间歇反应器v特点：反应速率随时间而相应下降反应速率随时间而相应下降温度、浓度均匀温度、浓度均匀1/26/2023371.间歇反应器（续）v测定的数据：v适用的物料体系：时间与浓度的时间与浓度的关系（关系（tC）液相反应系统液相反应系统慢反应慢反应1/26/2023381.间歇反应器（续）优点：缺点：试验方法简便，测试所消耗的试验方法简便，测试所消耗的物料量很少。物料量很少。数据处理较为繁琐，且准确程数据处理较为繁琐，且准确程度较差。度较差。图解微分图解微分积分积分How？1/26/2023392.连续反应器积分积分微分微分无梯度无梯

14、度1/26/202340积分反应器v特点：v适用反应体系：催化剂床层高度大于反催化剂床层高度大于反应器内径应器内径2倍以上。倍以上。催化剂装填量大，反应转催化剂装填量大，反应转化率较大；一般化率较大；一般x25%连续多相催化连续多相催化快反应快反应床层各个截床层各个截面上，反应面上，反应物的浓度不物的浓度不同，出口测同，出口测定的反应的定的反应的转化率反应转化率反应的积分结果。的积分结果。1/26/202341积分反应器（续）v试验数据:v反应速率：1/26/2023421/26/202343优点：v缺点：设备结构简单，对分析仪器设备结构简单，对分析仪器要求不高要求不高,试验与工业生产过试验与

15、工业生产过程相近程相近不易恒温，存在温度梯度。不易恒温，存在温度梯度。数据处理有一定难度，误差数据处理有一定难度，误差较大较大1/26/2023441/26/202345微分反应器v特点：催化剂的填充量少（常在催化剂的填充量少（常在1g以下）以下）高空速进料，控制很低的反应转化率。高空速进料，控制很低的反应转化率。1/26/202346微分反应器v测定数据：v反应速率：进出口转化率进出口转化率1/26/202347微分反应器v优点：v缺点：能直接给出反应速率，数据处理简单；催能直接给出反应速率，数据处理简单；催化剂床层容易维持等温化剂床层容易维持等温分析的精度要求高，分析的精度要求高，配料配料

16、困难。如果困难。如果催化剂床层内出现沟流，则对反应过催化剂床层内出现沟流，则对反应过程的影响很大。程的影响很大。怎样配料？怎样配料？1/26/2023481/26/202349无梯度反应器v特点：理想混合反应器理想混合反应器特点？特点？能直接测出反应速率；无配能直接测出反应速率；无配料的困难；无需控制很小的料的困难；无需控制很小的进、出口转化率之差，测试进、出口转化率之差，测试手段也容易解决手段也容易解决。1/26/202350无梯度反应器v测定数据：v反应速率：进出口转化率进出口转化率1/26/2023511/26/2023521/26/202353脉冲反应器v简称“微反”。是用一台气相色谱

17、仪与一个微型管式反应器串联。1/26/2023541/26/202355动力学实验的流程和方法v流程与方法 动力学实验与催化剂评价实验在设备、装置和动力学实验与催化剂评价实验在设备、装置和流程一般是基本相同的，但做评价实验时，改流程一般是基本相同的，但做评价实验时，改变催化剂而不改变条件，做动力学实验则不改变催化剂而不改变条件，做动力学实验则不改变催化剂变催化剂1/26/202356v本征、宏观动力学 只有在排除了内外扩散因素影响的前提只有在排除了内外扩散因素影响的前提下，才能评价催化剂的本征活性和研究下，才能评价催化剂的本征活性和研究催化剂的本征动力学。催化剂的本征动力学。机理、数机理、数模

18、模宏观宏观工业生产实际工业生产实际1/26/202357第五节 标准样品及分析方法v一、标准样品v二、分析方法和产品标准1/26/202358一、标准样品v购买v自制v标准样品提纯的方法：意义：定性研意义：定性研究反应过程、究反应过程、定量计算、各定量计算、各种评价种评价分析纯、色谱纯分析纯、色谱纯合成、表征合成、表征精馏、结晶、色谱（闪精馏、结晶、色谱（闪柱色谱和薄层色谱）柱色谱和薄层色谱）1/26/202359二、分析方法和产品标准v产品标准：v是具体产品应达到的规格指是具体产品应达到的规格指标，而这种规格指标又是按一标，而这种规格指标又是按一定分析方法制定的。定分析方法制定的。产品的标准

19、由开发单位提产品的标准由开发单位提出，完善认定后形成企业、出，完善认定后形成企业、部门、国家标准。部门、国家标准。已有产品可收集权威标准如已有产品可收集权威标准如美国美国ASTM、德国、德国DIN1/26/202360v分析方法：首先要准确，还要快速、简首先要准确，还要快速、简单、实用（气谱、液谱、紫单、实用（气谱、液谱、紫外）。外）。包括产品、中包括产品、中间体间体1/26/202361第六节 化工单元过程和化工单元操作试验v意义：对认识过程规律、设备选型，能提对认识过程规律、设备选型，能提出最直接的依据。出最直接的依据。反应过程与分反应过程与分离新技术离新技术1/26/202362MTBE

20、催化精馏技术的开发v工艺概况：vC4馏分中的异丁烯与甲醇反应生成甲基叔丁基醚。可以实现可以实现C4中正中正丁烯与异丁烯的分丁烯与异丁烯的分离离1/26/202363反应、精馏分别进行反应、精馏分别进行1/26/202364v工艺改进：v1981年，美国Chemical Research&Licensing公司采用反应精馏技术，提高了单程转化率，选择性99%。1/26/2023651/26/202366本章总结实验实验预实验预实验系统实验系统实验认识认识析因析因验证验证定性、半定量定性、半定量定量定量思路（思路（3点）点）概念概念设计设计基础设计基础设计1/26/202367动动力力学学实实验验

21、目的目的方法方法反应器反应器间歇间歇连续连续积分积分微分微分无梯度无梯度特点；测特点；测试方法试方法1/26/202368The end!读一本好书，就是和许多高尚的人谈话。-歌德书籍是人类知识的总结。书籍是全世界的营养品。-莎士比亚书籍是巨大的力量。-列宁好的书籍是最贵重的珍宝。-别林斯基任何时候我也不会满足，越是多读书，就越是深刻地感到不满足，越感到自己知识贫乏。-马克思书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料。-雨果 喜欢读书，就等于把生活中寂寞的辰光换成巨大享受的时刻。-孟德斯鸠如果我阅读得和别人一样多，我就知道得和别人一样少。-霍伯斯英国作

22、家读书有三种方法：一种是读而不懂，另一种是既读也懂，还有一种是读而懂得书上所没有的东西。-克尼雅日宁俄国剧作家诗人要学会读书，必须首先读的非常慢，直到最后值得你精读的一本书，还是应该很慢地读。-法奇(法国科学家)了解一页书，胜于匆促地阅读一卷书。-麦考利英国作家读书而不回想，犹如食物而不消化。-伯克美国想思家读书而不能运用，则所读书等于废纸。-华盛顿(美国政治家)书籍使一些人博学多识，但也使一些食而不化的人疯疯颠颠。-彼特拉克意大利诗人生活在我们这个世界里，不读书就完全不可能了解人。-高尔基读书越多，越感到腹中空虚。-雪莱(英国诗人)读书是我唯一的娱乐。我不把时间浪费于酒店、赌博或任何一种恶劣

23、的游戏；而我对于事业的勤劳，仍是按照必要，不倦不厌。-富兰克林书读的越多而不加思索，你就会觉得你知道得很多；但当你读书而思考越多的时候，你就会清楚地看到你知道得很少。-伏尔泰(法国哲学家、文学家)读书破万卷，下笔如有神。-杜甫读万卷书，行万里路。-顾炎武读书之法无他，惟是笃志虚心，反复详玩，为有功耳。-朱熹读书无嗜好，就能尽其多。不先泛览群书，则会无所适从或失之偏好，广然后深，博然后专。-鲁迅读书之法，在循序渐进，熟读而精思。-朱煮读书务在循序渐进；一书已熟，方读一书，勿得卤莽躐等，虽多无益。-胡居仁明读书是学习，摘抄是整理，写作是创造。-吴晗看书不能信仰而无思考，要大胆地提出问题，勤于摘录资料，分析资料，找出其中的相互关系，是做学问的一种方法。-顾颉刚书犹药也，善读之可以医愚。-刘向读书破万卷，胸中无适主，便如暴富儿，颇为用钱苦。-郑板桥知古不知今，谓之落沉。知今不知古，谓之盲瞽。-王充举一纲而万目张，解一卷而众篇明。-郑玄