1、2020/9/24,1,第三章 化工過(guò)程開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)室工作,2020/9/24,2,第二章回顧,選題,市場(chǎng)需求調(diào)研,所需資料,立項(xiàng),來(lái)源3種 原則4點(diǎn),定性 定量,專門 外圍,一元線性回歸,2020/9/24,3,主要內(nèi)容,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 測(cè)量技術(shù) 第三節(jié) 催化劑研究 第四節(jié) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法簡(jiǎn)介 第五節(jié) 標(biāo)準(zhǔn)樣品及分析方法 第六節(jié) 化工單元過(guò)程和化工單元操作試驗(yàn),2020/9/24,4,第一節(jié) 概述（參考P37-46）,一、實(shí)驗(yàn)分類,預(yù)實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展和目的的不同,實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)？,2020/9/24,5,1. 預(yù)實(shí)驗(yàn),為提出設(shè)想流程而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。 內(nèi)容：針對(duì)可行性研究中提出的疑問(wèn)

2、或前面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題來(lái)進(jìn)行研究。 特點(diǎn)：無(wú)全面規(guī)劃、定性或半定量的實(shí)驗(yàn) 要求：研究者必須建立明確的思路 。 如對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的研究，從三個(gè)方面建立思路：,2020/9/24,6,（1）從認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征來(lái)建立思路。 （2）從影響過(guò)程的因素出發(fā)來(lái)建立思路 （3）從工藝的特殊條件建立思路,化學(xué)反應(yīng)的特征？,影響反應(yīng)速率的因素？,如催化反應(yīng)的控制步驟等,目的：目標(biāo)明確、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn),2020/9/24,7,預(yù)實(shí)驗(yàn)的三種形式,（1）認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn) （2）析因?qū)嶒?yàn) （3）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),2020/9/24,8,（1）認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn),認(rèn)識(shí)試驗(yàn)是為了認(rèn)識(shí)過(guò)程研究對(duì)象的特征和初步規(guī)律而專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn) 。 方法：對(duì)比實(shí)驗(yàn),如考察反應(yīng)

3、的轉(zhuǎn)化率和收率的高低，考察溫度或濃度對(duì)過(guò)程影響的敏感程度，以及考察傳熱方式或傳質(zhì)條件改變對(duì)過(guò)程的影響等。,目的：獲得感性認(rèn)識(shí)，要求研究者善于思考、分析問(wèn)題。,2020/9/24,9,（2）析因?qū)嶒?yàn),析因試驗(yàn)是為了弄清實(shí)驗(yàn)的各種影響因素而專門組織的試驗(yàn) 。 應(yīng)注意以下法則： A、注意工程因素的等效性，不必對(duì)所有的因素都逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)； B、分清可調(diào)和不可調(diào)因素，對(duì)不可調(diào)因素一般不作考察； C、分清敏感因素和非敏感因素，對(duì)非敏感因素，一般也不作重點(diǎn)考察,直接 工程 非常規(guī),2020/9/24,10,（3）驗(yàn)證（鑒別）實(shí)驗(yàn),針對(duì)已形成的技術(shù)結(jié)論或設(shè)想的技術(shù)措施，判別其是與非而專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)。,采取一些

4、簡(jiǎn)易設(shè)備和簡(jiǎn)便方法來(lái)進(jìn)行， 要求研究者要善于運(yùn)用工程因素等效性的概念 來(lái)合理簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程。,2020/9/24,11,2、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)試驗(yàn)是在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上迸行，它是有目的有計(jì)劃地對(duì)預(yù)試驗(yàn)測(cè)定的定性結(jié)論或技術(shù)方案作系統(tǒng)考察并定量測(cè)取有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。,預(yù)試驗(yàn)-概念設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)試驗(yàn)-基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。,2020/9/24,12,包括：,A、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?B、實(shí)驗(yàn)方案 C、裝置設(shè)計(jì)和建立 D、實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的安排 E、獲得數(shù)據(jù) F、數(shù)據(jù)處理,2020/9/24,13,二、實(shí)驗(yàn)工作程序,基本程序：規(guī)劃-實(shí)驗(yàn)及記錄-分析整理-報(bào)告 1.擬定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程 3.總結(jié),新產(chǎn)品？新技術(shù)對(duì)老工藝改造？,認(rèn)真操作、觀察現(xiàn)象、

5、測(cè)數(shù)據(jù)、記錄,成果、不足,2020/9/24,14,第二節(jié) 測(cè)量技術(shù),一、溫度測(cè)量 二、壓力測(cè)量 三、流量測(cè)量,2020/9/24,15,一、溫度測(cè)量,常用的測(cè)溫元件？ 玻璃液柱 雙金屬 熱電偶,2020/9/24,16,測(cè)溫元件特點(diǎn),2020/9/24,17,二、壓力測(cè)量,U型管液柱壓差計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉 缺點(diǎn)：易碎 彈簧管壓力表 測(cè)量范圍大，讀數(shù)精確度較差。,2020/9/24,18,三、流量測(cè)量,轉(zhuǎn)子流量計(jì) 皂膜流量計(jì) 毛細(xì)管流量計(jì),2020/9/24,19,第三節(jié) 催化劑研究,一、催化技術(shù)概況 1. 催化劑及性能指標(biāo) （1）活性 （2）選擇性 （3）穩(wěn)定性,20

6、20/9/24,20,2.催化劑開(kāi)發(fā)內(nèi)容,催化劑開(kāi)發(fā)包括了催化劑的設(shè)計(jì)、制備、測(cè)試、評(píng)價(jià)等各方面多專業(yè)的工作，也包括了實(shí)驗(yàn)室研究（小試）、中試以及大廠生產(chǎn)和使用等各個(gè)工作段在內(nèi)。 是一個(gè)龐大的工作體系。 一般來(lái)講，即使局部更新一個(gè)已經(jīng)工業(yè)化的催化劑也需要35年的時(shí)間，而且需要耗費(fèi)大量的資金和人力。開(kāi)發(fā)工作的每一步都要仔細(xì)考慮經(jīng)濟(jì)因素。,2020/9/24,21,3.催化劑開(kāi)發(fā)中的實(shí)驗(yàn)室工作,實(shí)驗(yàn)室工作包括幾個(gè)部分： （1）資料準(zhǔn)備 （2）催化劑參考樣品的剖析 （3）配方篩選,2020/9/24,22,資料準(zhǔn)備,通過(guò)查閱文獻(xiàn)做以下幾項(xiàng)工作: 1、待開(kāi)發(fā)催化劑及其相關(guān)的工藝過(guò)程的歷史及其現(xiàn)狀 2、

7、課題的由來(lái)和意義 3、技術(shù)路線的選擇 4、技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性 5、經(jīng)濟(jì)上的合理性,2020/9/24,23,樣品剖析,ICI 46-1催化劑的剖析（剖析結(jié)果） （1）外觀 （2）物理性質(zhì) （3）催化劑的元素組成分析 （4）催化劑中某些元素的分布 （5）催化劑物相組成的測(cè)定,2020/9/24,24,（6）催化劑的差熱譜圖 （7）催化劑可還原性的考察 （8）催化劑中活性組分鎳晶粒大小和吸附氫氣的測(cè)定 （9）催化劑熱穩(wěn)定性的考察 （10）催化劑的活性和抗碳性能的考察 推斷:高嶺土、氧化鋁、氧化鎂為載體；氧化鈣為助劑；鎳為活性組分；鋁酸鈣水泥為粘結(jié)劑；高溫處理,2020/9/24,25,二、催化

8、劑制備方法,沉淀 1.單組分沉淀法 沉淀劑與一種待沉淀組分溶液作用以制備單一組分沉淀物 2.多組分共沉淀法 將催化劑所需的兩種或兩種以上組分同時(shí)沉淀的一種方法 3.均勻沉淀 待沉淀溶液與沉淀劑母體混合均勻，調(diào)節(jié)反應(yīng)條件（溫度、PH值等）使體系逐步生成沉淀劑，使沉淀進(jìn)行，得到均勻純凈固體。,2020/9/24,26,浸漬 將載體浸泡在含有活性組分（主、助催化劑組分）的可溶性化合物溶液中，而后除去過(guò)剩溶液，再經(jīng)干燥、焙燒和活化即可 離子交換法 1、無(wú)機(jī)離子交換劑制備（分子篩） 2、有機(jī)離子交換劑制備（離子交換樹(shù)脂）,2020/9/24,27,共混法,2020/9/24,28,2020/9/24,2

9、9,三、催化劑評(píng)價(jià)方法,微反檢測(cè),2020/9/24,30,微反活性測(cè)試裝置,2020/9/24,31,第四節(jié) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法簡(jiǎn)介（P86-92）,2020/9/24,32,動(dòng)力學(xué)研究的目的和作用,目的：為研究的催化劑提供數(shù)學(xué)模型，使之能夠在較大的范圍內(nèi)更有把握地、更準(zhǔn)確地反映溫度、空速、壓力等參數(shù)對(duì)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響規(guī)律。 作用：為催化劑設(shè)計(jì)以及催化劑反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。,2020/9/24,33,多相催化機(jī)理,對(duì)于多相催化反應(yīng)，以化學(xué)物種與催化劑的接觸開(kāi)始，需要經(jīng)歷一系列的物理和化學(xué)基本步驟。稱這些步驟序列為“歷程”，而包括吸附、脫附、物理傳輸和化學(xué)變化步驟在內(nèi)的序列

10、關(guān)系稱為機(jī)理。,2020/9/24,34,動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：主要是測(cè)取不同溫度和反應(yīng)物濃度條件下的反應(yīng)速率，由此確定反應(yīng)活化能、反應(yīng)級(jí)數(shù)和頻率因子等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。,測(cè)試方法：可以在間歇操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，也可以在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。,不論哪種方法，都不能直接測(cè)出反應(yīng)速率； 而必須通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算方能求得。,2020/9/24,35,反應(yīng)器,1. 間歇反應(yīng)器 2. 連續(xù)反應(yīng)器 3. 脈沖式反應(yīng)器,2020/9/24,36,1. 間歇反應(yīng)器,特點(diǎn)：,反應(yīng)速率隨時(shí)間而相應(yīng)下降,溫度、濃度均勻,2020/9/24,37,1. 間歇反應(yīng)器（續(xù)）,測(cè)定的數(shù)據(jù)： 適用的物料體系：,時(shí)間與濃度

11、的關(guān)系（tC）,液相反應(yīng)系統(tǒng) 慢反應(yīng),2020/9/24,38,1. 間歇反應(yīng)器（續(xù)）,優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：,試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，測(cè)試所消耗的物料量很少。,數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，且準(zhǔn)確程度較差。,圖解微分 積分,How？,2020/9/24,39,2. 連續(xù)反應(yīng)器,積分 微分 無(wú)梯度,催化劑裝填量,2020/9/24,40,積分反應(yīng)器,特點(diǎn)： 適用反應(yīng)體系：,催化劑床層高度大于反應(yīng)器內(nèi)徑2倍以上。,催化劑裝填量大，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較大；一般x25%,連續(xù)多相催化 快反應(yīng),床層各個(gè)截面上，反應(yīng)物的濃度不同，出口測(cè)定的反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率反應(yīng)的積分結(jié)果。,2020/9/24,41,積分反應(yīng)器（續(xù)）,試驗(yàn)數(shù)據(jù): 反應(yīng)速率：,20

12、20/9/24,42,2020/9/24,43,優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)分析儀器要求不高,試驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相近,不易恒溫，存在溫度梯度。 數(shù)據(jù)處理有一定難度，誤差較大,2020/9/24,44,2020/9/24,45,微分反應(yīng)器,特點(diǎn)：,催化劑的填充量少（常在1g以下）,高空速進(jìn)料，控制很低的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。,2020/9/24,46,微分反應(yīng)器,測(cè)定數(shù)據(jù)： 反應(yīng)速率：,進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率,2020/9/24,47,微分反應(yīng)器,優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：,能直接給出反應(yīng)速率，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單；催化劑床層容易維持等溫,分析的精度要求高，配料困難。如果催化劑床層內(nèi)出現(xiàn)溝流，則對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響很大。,怎樣配料？,

13、2020/9/24,48,2020/9/24,49,無(wú)梯度反應(yīng)器,特點(diǎn)：,理想混合反應(yīng)器,特點(diǎn)？,能直接測(cè)出反應(yīng)速率；無(wú)配料的困難；無(wú)需控制很小的進(jìn)、出口轉(zhuǎn)化率之差，測(cè)試手段也容易解決。,2020/9/24,50,無(wú)梯度反應(yīng)器,測(cè)定數(shù)據(jù)： 反應(yīng)速率：,進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率,2020/9/24,51,2020/9/24,52,2020/9/24,53,脈沖反應(yīng)器,簡(jiǎn)稱“微反”。是用一臺(tái)氣相色譜儀與一個(gè)微型管式反應(yīng)器串聯(lián)。,2020/9/24,54,2020/9/24,55,動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的流程和方法,流程與方法,動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與催化劑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在設(shè)備、裝置和流程一般是基本相同的，但做評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變催化劑而不改變

14、條件，做動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)則不改變催化劑,2020/9/24,56,本征、宏觀動(dòng)力學(xué),只有在排除了內(nèi)外擴(kuò)散因素影響的前提下，才能評(píng)價(jià)催化劑的本征活性和研究催化劑的本征動(dòng)力學(xué)。,機(jī)理、數(shù)模,宏觀工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,2020/9/24,57,第五節(jié) 標(biāo)準(zhǔn)樣品及分析方法,一、標(biāo)準(zhǔn)樣品 二、分析方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),2020/9/24,58,一、標(biāo)準(zhǔn)樣品,購(gòu)買 自制 標(biāo)準(zhǔn)樣品提純的方法：,意義：定性研究反應(yīng)過(guò)程、定量計(jì)算、各種評(píng)價(jià),分析純、色譜純,合成、表征,精餾、結(jié)晶、色譜（閃柱色譜和薄層色譜）,2020/9/24,59,二、分析方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：,是具體產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到的規(guī)格指標(biāo)，而這種規(guī)格指標(biāo)又是按一定分析方法制定的。,產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)由開(kāi)發(fā)單位提出，完善認(rèn)定后形成企業(yè)、部門、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。,已有產(chǎn)品可收集權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)如美國(guó)ASTM、德國(guó)DIN,2020/9/24,60,分析方法：,首先要準(zhǔn)確，還要快速、簡(jiǎn)單、實(shí)用（氣譜、液譜、紫外）。,包括產(chǎn)品、中間體,2020/9/24,61,第六節(jié) 化工單元過(guò)程和化工單元操作試驗(yàn),意義：,對(duì)認(rèn)識(shí)過(guò)程規(guī)律、設(shè)備選型，能提出最直接的依據(jù)。,反應(yīng)過(guò)程與分離新技術(shù),2020/9/24,62,MTBE催化精餾技術(shù)的開(kāi)發(fā),工藝概況： C4餾分中的異丁烯與甲醇反應(yīng)生成甲基叔丁基醚。,可以實(shí)現(xiàn)C4中正丁烯與異丁烯的分離,2020/9/24,63,反應(yīng)、精餾分別進(jìn)行,202