1、异丙醇脱氢制备丙酮实训装置一、功能简介1、丙酮（Acctone）亦称 2-丙酮（2-Propanone ） ，无色透明，易燃，易挥发液体，有微香气味。分子式 C3Vh6O，结构简式(CH 3)2CO,分子量 58.08，熔点-94.6，沸点 56.5，密度（20）0.7898g/cm3.能与水、甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等混溶，能溶解油脂肪、树脂和橡胶，是制造醋酐、双丙酮醇、氯仿、碘仿、环氧树脂、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯等，是一种重要的溶解原料。在无烟火药、赛璐珞、醋酯纤维、喷漆等工业中做溶剂。生产中，丙酮的制备和来源主要有以下几种途径：1、淀粉发酵；2、丙烯水和成异丙醇，再经催化脱氢
2、或催化氧化；3、异丙苯氧化水解；4、丙烯在钯作催化剂液相氧化。此外，也可从木材干馏而得。实验室中常用乙酸钙干馏制得。本实训采用的反应装置是一种典型的气固相催化脱氢工艺。当市场上异丙醇大量过剩情况下，为寻找出路，它仍有一定的生产意义。因此通过本实训掌握有关脱氢工艺技术还有实用价值。2、该实训装置是由反应系统、加料系统、产物计量系统、精制分离系统、压力、温度及计算机采集与控制系统、产物分析系统组成，是一个较完整的工艺生产实验过程，适于实训教学采用。3、装置的原料易得且价格低廉（可使用工业级的异丙醇） ，催化剂可自制也可外购（有大量的商品供应） ，且使用寿命很长：反应温度低，精馏沸点低，节约能耗，全
3、体装置尺寸适中，具有亚中间试验的规模，比之选用其他高温、高压、高能耗实验来说优点特别突出，此实训装置实训教学效果良好。4、装置的单元操作多，从原料、产物储罐液位测定到反应温度、压力测定，反应条件的影响，转化率、收率的测定、到精馏塔的操作控制、最佳化工工艺条件的选择，都体现了与目前工业装置相似的控制水平，能使学生全面了解与掌握生产工艺和操作技能。5、本实训的优点是：催化剂的反应温度较低，易于操作；精制反应条件易于操作；产品易于分析；物料易于购买。6、教师科研及为企业进行技术服务。 7、化工操作工中级培训及考核。装置适宜培训工种：操作工、仪表工、分析工。二、技术指标1、开合式加热炉，三段加热，最高
4、使用温度 450；2、反应器直径为 30mm，长 800mm，最高使用压力 0.25Mpa；3、预热器直径为 20mm，长 250mm；4、压力传感器及显示仪三套，量程范围 00.25Mpa；5、进口电磁隔膜加料泵三台，最大流量 0.76L/h；6、精馏塔塔釜容积为 1.5L,加热功率 4.5KW；7、塔体内径 25mm，长 500mm，两段；8、回流段内径 25mm，卧式塔头冷凝器；9、塔顶流出液收集罐容积 1L，塔釜流出液收集罐容积 2L；10、回流比控制器两套，0-99 秒自动控制；11、双检测器气相色谱仪一台，双通道气相色谱工作站一台；12、联想 19 宽屏电脑一台。三、技能要求1、本
5、实训的内容包括掌握气固相固定体催化剂脱氢反应的工艺条件；2、了解脱氢催化剂的组成作用，测试活性方法；3、了解固定床反应器的结构与操作使用方法；4、了解脱氢产物组分的精制方法；5、了解精馏塔操作控制工艺，掌握实验仪器的使用，及色谱分析方法，能够独立进行操作。四、装置流程图与面板布置图1、装置流程图109TYTY10TE171TYTY12TY105106TY10TETY107108TY玻 璃 预 热 器 ， 加 热 棒104TY103102TYTY1010TEIPT105I7106PI4TIC43ICL01六 通 阀色 谱 系 统L01异 丙 醇 脱 氢 制 丙 酮 实 训 装 置 流 程 图 V
6、103阻 尼 器加 料 泵P103 三 通 阀2 TI103PT102IC ICTE103SV10原 料 液 储 罐 P10加 料 泵F10预 热 炉 F102E10V105V107P02反 应 炉冷 凝 器 汽 液 分 离 器 阻 尼 器 加 料 泵T10E102V108V10V109精 馏 塔 一 精 馏 塔 一塔 顶 换 热 器精 馏 塔 一釜 液 储 罐精 馏 塔 一回 流 器 精 馏 塔 一塔 顶 馏 出 液 储 罐 精 馏 塔 二塔 顶 馏 出 液 储 罐精 馏 塔 二釜 液 储 罐 精 馏 塔 二塔 底 冷 却 器V12V13V1E105精 馏 塔 二回 流 器符 号 说 明精
7、馏 塔 二T102S转 子 流 量 计截 止 阀调 节 阀压 力 变 送 器电 磁 阀尾 气 计 量 表取 样 器减 压 阀10PI I3 104PIE22I4EE5ICIC6E7EICE8ICE9EICTI1043EICE26EIC5EICE4I8EICICE9120TE6IPT1I24I PI1053T阻 尼 器V102V103缓 冲 罐 预 热 器V104反 应 炉R1精 馏 塔 一塔 顶 换 热 器E103E104 精 馏 塔 二塔 顶 换 热 器E104止 逆 阀S电 磁 线 圈水 水2、装置面板布置图、2、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、1、 、五、反应原理、分离方案及分析
8、条件1、反应原理常压 200-300，异丙醇在催化剂表面，脱氢吸热生成丙酮，并产生大量氢气。 本实验主要涉及两个过程。温度适中时，发生主反应（CH 3） 2CHOH(CH 3)2CO+H2；起始时，由于（CH 3） 2CHOH 的加入，汽化需要吸收大量的热，导致反应温度降低，发生副反应(CH 3)2CO+（CH 3） 2CHOH（CH 3） 2CHCH2COCH3+H2O。温度过高时，发生分子内脱水，生成丙烯，（CH 3） 2CHOHCH 2CHCH 3+H2O。因此温度控制的是否得当是生成目的产物的关键。2、分离方案本实验中产品的分离是采用常压精馏的方法。常压下，丙酮的沸点 56.5，异丙醇
9、的沸点82.5。副反应是导致产物中含水的原因，分离方案要依据具体需要而确定。情况主要有两种：1.若反应控制得当，反应产物中水的含量较少，即副产物少，采取连续式精馏，将产品流进塔 1，得到较高纯度的丙酮；再流进塔 2，得到更高纯度的丙酮产品。2.若反应产物中水的含量较高，即反应选择性差，负反应剧烈，采取连续精馏和间歇精馏组合方式分离。将反应产物用连续精馏的方法进入塔 1，大回流比控制，得到高纯度的丙酮。将塔 1 釜液采用间歇精馏的方式放入塔 2，回收异丙醇。此方案需要注意的是，异丙醇和水会形成共沸物，它们的分离只能采取特殊的分离方法。例如：共沸精馏，萃取精馏等。3、分析条件采用 CU-ZN-AL
10、 基-NiO 催化剂，装填 600ml，在 200-300下，进料量控制在 0.8-1.6ml/min，反应器为管式固定床。反应原料与产物均系用色谱仪进行分析。色谱仪使用条件如下：色谱柱：GDX-104 32000mm ；载气：氢气；热导检测器：桥流 100mA，温度 100；柱前压：0.1Mpa；柱温：100；汽化器：100。六、操作步骤1、反应操作催化剂装填由于反应器直径较大，两端密封螺帽难以拧紧，故必须在台钳上进行操作，催化剂装填要在振动情况下从上部倒入，反应器结构示意图如下： 、1-,23,4- 5677651.将反应器用丙醇或乙醇擦拭干净后，插入热电偶套管，调整支撑架高度，使管靠向下
11、部，留出部分空间约 200mm，在支架上部放油 80-100 目的不锈钢网，网上添加玻璃棉(高硅铝棉)，用棒插入，测量高度后记录该值，并在反应器外部做一记号。 （注意此时必须先将反应器下部的接头拧上，并将热电偶套管的螺帽拧紧，使套管不再移动，否则套管再装填催化剂时要移动，不能准确定位。）此后添加催化剂，最好为直径 3mm，长 5-6mm 颗粒，边装边振动反应器，使催化剂均匀堆积，不形成架桥现象。当加入 400-500ml 催化剂（取一定量，按催化剂堆比重决定，不能太多）再量此时床层高度并记录，后加玻璃棉少许或上部装填玻璃球 55 或 SiO244mm 直至顶部后再加玻璃棉，擦拭干净封头后拧紧接
12、头，并用力拧紧大螺帽，最后装入反应炉内，连接上进出口接头。（注意：操作时要观察反应器出入口接头位置是否与现场一致，不一致要调整过来，免去在现场调整，现场不易拧紧螺帽。 ）试漏开车前首先对设备进行试漏，这一点很重要，务必认真进行。将压缩气体接入氮气进气口，如果连接在氮气钢瓶上，打开减压阀，调整进气，使流量维持最低进气即可，关闭气液分离器的出口阀，使系统密闭，进气维持压力在 0.05Mpa，关闭进气阀，停留 5 分钟，开启测压电源，在仪表上有压力数值显示， （压力表上也有指示） ，当压力不下降时认为合格。可开启各路阀门，后检查电路。电路检查将各热电偶插入相应位置，开启各路电源，相应控制或测定温度仪
13、表上有数值显示，分别拔掉热电偶插件，在相应的仪表上有四位数闪烁，说明连接正确，再将热电偶插回原插件内，把所有的热电偶检查完毕后可通氮气，开启加热系统升温至所需温度。升温反应当温度达到 200时，停止进氮气，开始进液体原料。保持进料速度不变，在 160300 度之间每隔十五摄氏度，稳定 20 分钟后，取样称量后进行色谱分析，记录尾气量，并记录下数据；然后保持温度不变，比如 250，改变进料速度，测定产物含量，并记录数据。实验完毕，先关反应器，后关冷却水。先关色谱仪，后关闭氢气。2、精馏操作、精馏塔的安装装置法兰采用凸凹面，内有聚四氟乙烯垫片，装塔时应对正法兰口，放入后左右不能推动认为已插好，可以
14、对角上紧螺栓。在连接好后，接上管路接头，在塔顶回流段或釜下通入压缩空气，观察压力计在 0.15Mpa 时下有无下降，五分钟内不降为合格。如下降要用肥皂水涂各接口处查漏，直至不降为止可进行试验。、将各部分的控温、测温热电偶放入相应位置的孔内。、检查操作台板面各电路接头，检查各接线端子与线上标记是否吻合。检查仪表柜内接线有无脱落。、加料进行间歇精馏时，要打开釜的加料口或取样口，加入被精馏的样品；连续精馏初次操作还要在釜内加入一些被精馏的物质或釜残液。、升温开启釜热控温开关，调整到所需温度。保温温度调节不要超过物料的沸点，要低于沸点 15左右，避免形成再沸现象。仪表的具体操作参看仪表操作说明书（AI
15、 人工智能工业调节器说明书） 。升温注意事项：釜热控温仪表的给定温度要高于沸点温度 20-30，使加热有足够的温差以进行传热。其值可根据实验要求而取舍，边升温边调整，当很长时间还没有蒸汽上升到塔头内时，说明加热温度不够高，还需提高。此温度过低蒸发量少，没有馏出物；温度过高蒸发量大，易造成液泛。还要再次检查是否给塔头通入冷却水，此操作必须在升温前进行，不能在塔顶有蒸汽出现时再通水。升温后观察塔釜和塔顶温度变化，当塔顶出现气体并在塔头内冷凝时，进行全回流一段时间后可开始出料。有回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例（通电时间与停电时间的比值，通常是以秒计），此比例即采出量与回流量之比。连续精馏时
16、，在一定的回流比和一定的加料速度下，当塔底和塔顶的温度不再变化时，认为已达到稳定，可取样分析，并收集之。停车操作停止操作时，关闭各部分开关，关闭泵，待无蒸汽上升时停止通冷却水。由于塔釜保温较好，釜降温较慢，故停车后还有较多气体在塔顶馏出。七、试验记录与数据处理1、产物的计算方法异丙醇转化率=原料异丙醇量-液体产物异丙醇量/原料异丙醇量100%；丙酮收率=液体产物丙酮量/液体产物总量100%；选择性=丙酮收率/异丙醇转化率2、原始数据表：(1)、保持进料流量不变,改变反应温度,控制异丙醇进料流量为 1.6mL/min异丙醇实验分析报告温度为 222时，色谱分析图样如下：温度() 丙酮含量(%)
17、异丙醇含量(%)222 48.85 39.96233 58.1 35.8249 64.88 29.9263.3 74.25 21.69275.8 83.9 12.58283.8 86.57 9.9070.5413.0134.5207.842-11-10.5-10-9.5-9-8.5-8-7.5-7-6.5-6mV1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 min序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.541 水 5.753 11534 2 3.013 丙酮 48.85 97951 3 4.520 异丙醇 39.96 80114 4 7.842 未知物 5.436 10900 当温度
18、为 283.8时，色谱分析图样如下：0.5462.9544.8888.253-10.8-10.2-9.6-9-8.4-7.8-7.2-6.6-6-5.4-4.8mV1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 min序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.546 水 2.217 3994 2 2.954 丙酮 86.57 155972 3 4.888 异丙醇 9.907 17848 4 8.253 未知物 1.301 2343 当温度为 292.2时，色谱分析图样如下：0.5012.6293.8476.278-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012mV
19、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 min序号 保留时间 名称 峰面积% 峰面积 1 0.501 水 3.936 14089 2 2.629 丙酮 80.07 286585 3 3.847 异丙醇 15.48 55410 4 6.278 未知物 0.5125 1834 八、实验讨论1、异丙醇脱氢是强烈的吸热反应，从实验中可以看出，当反应器稳定在某个温度下，并开始进料反应时，反应器温度会迅速的降温，这时，必须等到反应器温度稳定不再降低时，才能取样分析。2、随着进料量的逐渐增多，丙酮的转化率会逐渐降低。3、随着温度的上升，丙酮的转化率也随着上升。九、注意事项1、必须熟悉仪器的使用方法,
20、；2、升温操作一定要有耐心，不能忽高忽低乱改乱动；3、流量的调节要随时观查及时调节，否则温度也不容易稳定；4、长期不使用时，应将装置放在干燥通风的地方。如果再次使用，一定要在低电流下通电加热一段时间，以除去加热炉保温材料吸附的水分。十、故障处理1、开启电源开关指示灯不亮，并且没有交流接触器吸合声，则保险坏或电源线没有接好。2、开启仪表各开关时指示灯不亮，并且没有继电器吸合声，则分保险坏或接线有脱落的地方。 3、开启电源开关有强烈的交流震动声，则是接触器接触不良，应反复按动开关可消除。4、仪表正常但设备不加热，可能保险坏或固态继电器坏。5、控温仪表、显示仪表出现四位数字，则告知热电偶有断路现象。
21、6、液体泵不进料液时，可能是加料泵泵头前的过滤器堵塞，应清除脏东西；或者是泵内存在气体，应排除空气后再进料。十一、电路原理图上 段控 温釜 热控 温电 源主 控SKMSKM ST113189AI-5AGSSRFu SB SKMAI-518AGS19831ST4038SRFKMFuSB FKMRCZKM RZKMSBSBFuNFuBAFu ZKMFuXKMXKM ST113189AI-5AGSFu SB XKMXSR 下 段控 温HLDKMHLDKM HLDSRHLDKMSBFu AI-518AGS1931ST 回 流 段 控 温YSR YKMYKM YKMST113189AI-5AGSFu S
22、B 预 热控 温HLKMHLKM S208HLXFu SB HLKM 回 流PLKMSBFuPLXS208PLKM PLKM 排 料BKM BKMM BKMSBFu 泵SB ST18970AGS SBFu 塔 顶测 温SB701AGS98STSB 塔 釜测 温SB ST701AGS SBFu SB701AGS64STSB 46 塔 顶测 压塔 釜测 压塔 釜测 压塔 顶测 压164SB ST14670AGS SBFu SB70AGSSTSB塔 釜测 温SB ST18970AGS SB 塔 顶测 温Fu SB701AGS98STSB泵Fu SB BKMM BKMBKM排 料PLKMPLKM S2
23、08PLXFu SB PLKM回 流HLKMSBFu HLXS208HLKM HLKM预 热控 温SBFu AI-518AGS1931ST YKMYKM YKMYSR回 流 段 控 温ST113189AI-5AGSFu SB HLDKMHLDSRHLDKM HLDKM下 段控 温XSR XKMSBFu AI-518AGS1931STXKM XKMFuZKMFuABFu NFuSB SBZKMRZKMCRFKMSBFuFKM SR3804ST113189AI-5AGSSKMSBFu SRAI-518AGS1931TSKM SKM电 源主 控釜 热控 温上 段控 温预 热测 温测 压SBFu ST189AI-70AGS SBSBAI-701AGS164STFuSB SBST113189AI-70AGSBFuFu M BKMBKMFuABFu N测 温插 座泵 控FuSB BKMYKMYKMYKM SBFu YSRAI-518BGS19131STXKMXKMST113189AI-5AGSXSRFu SBXKM ZhKMZhKMSKM预 热控 温下 段控 温中 段控 温上 段控 温主 控电 源ZhKMSBFuZhSRAI-708AGS19131STSKM ST113189AI-5AGSSRFu SB SKMFuSB SBZKMZKM RZKMRC
