20 连续流动法研究催化反应动力学.doc

实验二十连续流动法研究催化反应动力学
1 实验目的
  (1)测量ZnO催化剂对甲醇分解反应的催化活性,了解反应温度对催化反应的影响。
(2)了解动力学实验中流动法的特点与关键,掌握分析处理实验数据的方法。
2 实验原理
  参与反应过程,但其数量及化学性质在反应前后没有改变的物质称为催化剂。催化剂使反应速度改变的现象称为催化作用。有催化剂参加的反应为催化反应。常用催化剂的制法有沉淀法、浸渍法、热分解法等。浸渍法是制备催化剂常用的方法。它是在多孔性载体上浸渍含有活性组分的盐溶液,再经干燥、焙烧、还原等步骤而成,活性物质被吸附于载体的微孔中,催化反应就在这些微孔中进行,使用载体可使催化剂的催化表面积加大,机械强度增加,活性组分用量减少。载体对催化剂性能的影响很大,应据需要对载体的比表面、孔结构、耐热性及形状等加以选择。Al2O3、SiO2、活性炭等都可作为载体.
ZnO催化剂的制法是:将10~20目的活性氧化铝浸泡在硝酸锌的饱和溶液中(氧化铝与纯硝酸锌的重量比为1∶),24h后烘干,将烘干物移至马福炉中升温到有NO2放出时停止加热升温,待硝酸锌分解完毕再升温至600℃,灼热3h,自然冷却即可.
目前催化剂的制备还属于一种技艺,因此需要对制得的催化剂在使用条件下作出对其活性及选择性的评价,催化剂的活性大小表现为催化剂存在时反应速率增加的程度。复相催化时,反应在催化剂表面进行,所以催化剂比表面(单位重量催化剂所具有的表面积)的大小对活性起主要作用。评价测定催化剂活性的方法大致可分为静态法和流动法两种。静态法是指反应物不连续加入反应器,产物也不连续移去的实验方法;流动法则相反,反应物不断稳定地进入反应器发生催化反应,离开反应器后再分析其混合物的组成。使用流动法时,当流动的体系达到稳定状态后,反应物的浓度就不随时间而变化。流动法操作难度较大,计算也比静态法麻烦,保持体系达到稳定状态是其成功的关键,因此各种实验条件(温度、压力、流量等)必须恒定,另外,应选择合理的流速,流速太大时反应物与催化剂接触时间不够,来不及反应就流出,太小则气流的扩散影响显著,有时会引起副反应。
本实验采用流动法测量ZnO催化剂在不同温度下对甲醇分解反应的催化活性。近似认为无副反应发生(即有单一的选择性),反应式为:
(13-1)
催化活性以单位重量催化剂在指定条件下使100g甲醇分解掉的克数来表示。若以恒量的甲醇蒸气送入体系,催化剂的活性越大则产物中的一氧化碳和氢气越多。
反应在图1所示的实验装置中进行。氮气的流量由毛细管流速计监视,氮气流经预饱和器及饱和器(均装有液态甲醇),在饱和器温度下达到甲醇蒸气的吸收平衡。混合气进入管式炉中的反应管与催化剂接触而发生反应,流出反应器的混合物中有氮气和未分解的甲醇,产物一氧化碳及氢气。流出气前进时为冰盐冷却剂致冷,甲醇蒸气被冷凝截留在捕集器中,最后由湿式气体流量计测得的是氮气、一氧化碳、氢气的流量。如若反应管中无催化剂
则测得的是氮气的流量。根据这两个流量便可计算出反应产物一氧化碳及氢气的体积,据此可算出催化剂的活性大小。
图13-1  连续流动法测量氧化锌催化剂活性的实验装置
氮气钢瓶 2 稳流阀 3 毛细管流速计 4 缓冲瓶 5 预饱和器
6 饱和器 7 反应管 8 管式炉 9 热电偶 10自动控温