化工过程开发的实验室工作

第三章化工过程开发的实验室工作一概述二测量技术三催化剂研究四试验方案设计一概述一.实验分类1预实验为提出设想流程而进行的实验。预实验的三种形式（1）认识实验目的：获得感性认识，要求研究者善于思考、分析问题。（2）析因实验析因试验是为了弄清实验的各种影响因素而专门组织的试验。考察温度、压力、浓度、催化剂、反应器类型等因素，对转化率、选择性、反应速率等结果的影响，进一步明确研究的主要范围，减少不必要的工作。（3）验证实验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。一概述2、系统实验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．并定量测取有关设计数据。包括：A、实验目的B、实验方案C、装置设计和建立D、实验点的安排E、获得数据F、数据处理二测量技术在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。二测量技术一、测温仪表的分类温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量方式接触式与非接触式测温方式温度计种类优点缺点使用范围／℃接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传-100～100（150）有机液体0～350（-30～650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限0～300（-50～600）压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米0～500（-50～600）液体型0～100（-50～200）蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难-150～500（-200～600）铂电阻0～100（-50～150）铜电阻-50～150（180）镍电阻-100～200（300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低-20～1300（1600）铂铑10-铂-50～1000（1200）镍铬-镍硅-40～800（900）镍铬-铜镍-40～300（350）铜-铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远距离测量,记录和自控900～2000（700～2000）辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温,低温段测量不准,环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却100～2000（50～2000）二测量技术3.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化;在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀;电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性;材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。二测量技术在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。一、测温原理利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。31二测量技术二、压力测量测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.液柱式压力计它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同有U形管压力计、单管压力计等优点这类压力计结构简单、使用方便缺点其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。二测量技术2.弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。优点具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。二测量技术3.电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。优点1.该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。二测量技术4.活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。10二测量技术1.测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。①要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。②测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。③测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。压力计的安装二测量技术3.压力计的安装①压力计应安装在易观察和检修的地方。②安装地点应力求避免振动和高温影响。32③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐。二测量技术④压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。二测量技术1.速度式流量计以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。2.容积式流量计以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。3.质量流量计以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。分类二测量技术三、流量测量1测体积流量容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。速度法：平均流速乘以管道截面积求得流体的体积流量。2测质量流量间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。直接法：直接测量质量流量。三催化剂研究一、催化技术概况1.催化剂及性能指标（1）活性--------加快速率（2）选择性-----主反应，生成目的产物度量（3）稳定性-----寿命（中毒、结焦、堵塞、烧结）（4）再生性①催化剂的作用——化学工业的基石85%以上的化工产品是借助催化剂生产的无机化工：合成氨、硝酸、硫酸有机化工：甲醇、醋酸、丙酮高分子化工：三大合成材料(合成树脂和塑料、合成橡胶、合成纤维)石油炼制与化工：汽油、柴油①催化剂的作用环境保护挥发性有机组分(VOCs)：催化燃烧工业排放NOx：催化还原→N2机动车尾气：三效催化剂(CO、NOx、CHx)化工过程的绿色化：催化剂的应用无毒催化剂代替有毒催化剂能源开发、利用石油：提高原油利用率天然气：合成液体燃料(合成油、甲醇、二甲醚)煤：间接液化制液体燃料生物质：燃料①催化剂的作用手性催化与制药工业多巴(dopa)：左旋→治疗帕金森的药物右旋→毒物Mansanto公司三位科学家采用不对称膦配体的Ru络合物催化剂，合成左旋体95％的产物，并实现产业化。获2001年诺贝尔化学奖①催化剂的作用②课程主要内容基本原理：催化剂与催化作用表面吸附与孔内扩散各类催化剂及其作用：酸碱/金属/氧(硫)化物/络合催化剂催化剂的制备与使用环境保护催化工业催化剂的活性评价与物性的表征1.1催化剂的定义与特征催化剂的定义能改变化学反应的速度不改变化学反应的热力学平衡位置本身在化学反应中不被明显地消耗催化作用：指催化剂对化学反应所产生的效应1.1催化剂的定义与特征催化剂的特征①只能改变热力学上可进行的化学反应②只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的位置。ΔG=-RTInKp化学平衡常数Kp的大小取决于反应温度T和ΔG，而ΔG是状态函数，与过程无关。催化剂的特征对于可逆反应，由于K平＝k正/k逆能加速正反应速度的催化剂也能同样程度地加速逆反应的速度上述特征可用于催化剂的初步筛选如对于合成甲醇、合成氨等的正反应，都需要高压设备，很不方便，因此，可采用常压下的逆反应来初步筛选催化剂。催化剂的特征③催化剂参与化学反应：通过改变反应历程、降低活化能而改变反应速度（催化作用机理）④能加快化学反应的速度，也能减慢化学反应的速度催化剂的特征⑤催化剂对反应的类型、方向及产物的结构具有选择性一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用如SiO2-Al2O3催化剂对酸碱反应具有催化作用，但对合成氨反应却无效利用不同的催化剂，可以使反应有选择性地朝某一个需要的方向进行，生产所需的产品。实例1.2催化反应和催化剂的分类催化反应的分类按反应系统物相的均一性①均相：催化剂与反应物形成均一相②非均相(多相)：催化剂与反应物处于不同相③酶：酶本身是液体均匀分散在水溶液中（均相），但反应却从反应物在其表面上的积聚开始（多相），因此同时具有均相和多相的性质。催化反应的分类按反应类型加氢脱氢氧化聚合裂解等优点：便于比较同类型反应的特点Ni催化剂：烯烃/苯加氢V2O5催化剂：苯/邻二甲苯氧化催化反应的分类按反应机理酸碱型反应：催化剂与反应物通过电子对的接受而配位，或发生强烈极化，形成离子型活性中间体物种进行的催化反应。氧化还原型反应：催化剂与反应物通过单个电子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。催化剂的分类按催化剂的元素及化合态分类金属、金属氧(硫)化物、金属有机化合物按催化剂的导电性及化学形态导体、半导体、绝缘体按行业类别分类石油炼制工业、化肥工业、环境保护等1.3固体催化剂的组成与结构固体催化剂的组成固体催化剂是工业催化过程中最普遍的一类催化剂按组分的多少分成单组分(元)和多组分(元)催化剂单组分催化剂：氨氧化制硝酸的铂催化剂多组分催化剂：主催化剂、助催化剂和载体固体催化剂的组成主催化剂（活性组分）没有它就没有所需要的催化作用如：加氢催化剂Ni/Al2O3中的Ni合成氨催化剂Fe-Al2O3-K2O中的Fe共催化剂和主催化剂同时起催化作用的组分固体催化剂的组成助催化剂本身没有活性或者活性很小可以忽略，但却能显著改善催化剂的性能（活性、选择性和稳定性）。助催化剂的分类及其作用结构型助催化剂电子(调变)型助催化剂扩散型助催化剂(致孔剂)毒化型助催化剂结构型助催化剂提高活性组分的分散度，从而提高其催化活性。（如合成甲醇Cu-ZnO-Al2O3催化剂中的Al2O3，提高了Cu的比表面积，从而提高其反应活性。）增加催化剂活性组分微晶的稳定性，延长催化剂的寿命。（如合成氨催化剂中的Al2O3，与活性组分Fe形成了固溶体，有效阻止了Fe的烧结，从而大大延长催化剂的寿命:几小时→几年。）电子(调变)型助催化剂改变催化剂活性组分的结构和化学特性，提高催化剂的性能。（如合成氨催化剂中的K2O，可使Fe催化剂的逸出功降低，从而提高其催化活性。）扩散型助催化剂改变催化剂的孔结构，改善催化剂的扩散性能。如：矿物油、淀粉或有机高分子（致孔剂）毒化型助催化剂毒化有害的活性中心，消除其所造成的副反应，从而提高目的产物的选择性和催化剂的稳定性。如酸催化剂中加入碱性物质，毒化引起积炭副反应的强酸中心，减少积炭的生成。载体的作用分散作用稳定化作用支撑作用传热和稀释作用助催化作用常用的载体低比表面积载体对催化剂的活性影响很小，但热稳定性高，常用于