异丙醇催化脱氢制备丙酮

异丙醇气固相催化脱氢制备丙酮操作说明

一、前言

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(CH3)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。

本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，了解脱氢催化剂的组成作用。测试活性方法，了解固定床反应器的结构与操作使用方法；了解脱氢产物组分的精制方法；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。

本实训的优点是：①催化剂的反应温度较低，易于操作；②精制反应条件易于操作；③产品易于分析；④物料易于购买。 二、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（CH3）2CHOH→(CH3)2CO+H2；起始时，由于（CH3）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(CH3)2CO+（CH3）2CHOH→（CH3）2CHCH2COCH3+H2O。温度过高时，发生分子内脱水，生成丙烯，（CH3）2CHOH→CH2＝CHCH3+H2O。

因此温度控制的是否得当是生成目的产物的关键。 三、装置配置及流程与面板布置

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1.装置配置

反应器：φ30×750mm； 预热器：φ12×220mm；

反应炉：三段加热，每段功率1.5kw，最高使用温度700℃； 预热炉：加热功率 0.5kw； 气液分离器：φ50mm，长220mm；

精馏塔1:塔径15mm、塔高1400mm，5侧口，两段加热保温，功率300W；

塔釜250ml，加热功率200—300W； 预热器 加热功率70W；

精馏塔2：塔径15mm、塔高1200mm，3侧口，一段加热保温，功率300W；

塔釜250ml，加热功率200W；

回流比控制器：0—99秒可调，数码显示。

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3.装置面板布置图

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PI02TI04放 空TY01PI01TE09TI02WF-1SWV-1RF-4TIC03GS-1TY03TE04TIC04TY04TIC05TY05HE-1RF-5CWS-1TY06脱乙苯塔脱苯乙烯塔TE06TIC06TE10RF-6RV-2PI04TI03RV-3TI05TE12PI05TE05TIC02TY02R-1TE03TE02TI06TE13RV-4TE11PI03RV-5PTE07TY07放 空TIC07PITITETICTYCWPRFWFGSSHERWPSVFGVRV符 号测 压测 温热电偶控 温加热元件冷 水电磁隔膜泵转子流量计湿式流量计气体取样器分离器换热器反应器预热器稳压阀过滤器截止阀调节阀名 称

流程示意图

TIC01TE01W-1HV-1RF-1RF-2RF-3RV-1

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D-1D-2P-1P-2水乙苯固定床反应器

四、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。 五、分析条件

采用CU-ZN-AL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 Φ3×2000mm； 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 1.反应操作 ①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：

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3'432765符号说明1-三角架,2-丝网,3、3’-玻璃毛,4-催化剂, 5-测温套管,6-锣帽，7-热电偶图3.固定床反应器结构图

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Φ3mm，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Φ5×5或SiO2Φ4×4mm直至顶部后再加玻璃棉，擦拭干净封头后拧紧接头，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。） ②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。

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③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。 ④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160－300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 ①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。

②将各部分的控温、测温热电偶放入相应位置的孔内。

③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。 ④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。 ⑤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人工智能工业调节器说明书）。 升温注意事项：

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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，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。 ⑥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

温度(℃) 222 233 249 263.3 275.8 283.8

丙酮含量(%) 48.85 58.1 64.88 74.25 83.9 86.57 8

异丙醇含量(%) 39.96 35.8 29.9 21.69 12.58 9.907

异丙醇实验分析报告

温度为222℃时，色谱分析图样如下：

mV-6-6.53.013'0.541'-7-7.5-84.520'-8.5-9-9.5-107.842'-10.5-111234567891011min ─────────────────────── 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 ─────────────────────── 当温度为283.8℃时，色谱分析图样如下：

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mV-4.82.954'0.546'-5.4-6-6.6-7.2-7.8-8.4-9-9.68.253'-10.24.888'-10.812345678910111213min ─────────────────────── 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：

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mV210-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-121234567891011min6.278'2.629'0.501'3.847' ─────────────────────── 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。

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九、注意事项

1.必须熟悉仪器的使用方法,；

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。

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。

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十一、电路原理图

电源主控

上段控温中段控温下段13

控温预热控温塔1釜控温塔1上段保温塔1下段保温塔1回流塔2釜控温塔2上段保温塔2下段保温塔1 预控温塔2回流泵1泵2插座 床测温塔1顶测温塔1釜测温塔2顶测温塔2釜测温