石蜡油催化裂解产物|石油的催化裂解

时间:2013-07-15 来源:化学图库 点击:

 

 

 

 

  实验演示
  
  实验目的
  
  使学生加深对催化裂化实验及其产物的认识。
  
  操作方法
  
  按图连接好实验装置。在试管1里放入石蜡(可以用蜡烛的蜡代替)和粉末状的氧化铝。加热试管,等蜡熔化后,观察反应进行的情况。持续加热5~10分钟,观察试管3里酸性高锰酸钾溶液(或溴水)颜色的变化。试管2里可看到有少量液体凝结,闻一下气味,再将其中液体分别注入盛有酸性高锰酸钾溶液和溴水的两支试管里,振荡,观察现象。
  
  注意事项
  
  (1)试管1必须事先烘干,所配的橡皮塞及导管也应不带水分。
  
  (2)由于试管2中冷凝液体的量较少,所以试管最好也是干燥的,以便明显看出冷凝液体。
  
  (3)酸性高锰酸钾溶液必须比较稀,以能见淡红色即可。如过浓,则现象不明显,演示时间也要加长。
  
  (4)可用硅酸铝代替氧化铝作催化剂,效果明显。用量为研细的石蜡3g,加硅酸铝2g。
  
  实验现象
  
  加热后石蜡熔化,持续加热5~10分钟,试管里高锰酸钾酸性溶液(溴水)颜色褪去。在试管2里可以看到有少量液体凝结。闻一下液体具有汽油气味。将少量这种液体注入盛酸性KMnO4溶液和溴水的试管里,振荡,KMnO4溶液和溴水颜色褪去。
  
  实验结论
  
  石蜡在催化剂氧化铝存在下,加热可以裂化为短链的气态饱和烃和不饱和烃,还有液态的饱和烃和不饱和烃。用此实验可以说明石油的催化裂化过程。
  
  实验考点
  
  1、催化裂化的反应条件;2、产物的应用。
  
  经典考题
  
  1、石油催化裂化的目的是
  
  A、把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃
  
  B、把直链烃转化为芳香烃
  
  C、除去含碳杂质
  
  D、提高汽油的质量和产量
  
  试题难度:易
  
  2、C8H18经多步裂化,最后完全转化为C4H8、C3H6、C2H6、C2H4、CH4五种气体的混合物。该混合物的平均相对分子质量可能是(      )
  
  A、28              B、30                  C、38                  D、40
  
  试题难度:中
  
  3、下列说法错误的是(  )
  
  A、石油中含有C5—C11的烷烃,可以通过石油的分馏得到汽油
  
  B、以C18的烷烃的重油经过催化裂化可以得到汽油
  
  C、石油经过减压分馏, 可以得到更多的汽油
  
  D、石油通过裂化, 可以获得汽油、煤油、润滑油、凡士林和石蜡等
  
  试题难度:易
  
  1 答案:AD
  
  2 答案:BC
  
  解析:C8H18裂化成C4H8和C4H10化合物,若只有生成的C4H10全裂化为C3H6、C2H6、C2H4、CH4,混合物的式量为38;若C4H8也全部分解为C2H4,混合物的式量为28.5;现在生成物为这些物质的混合物,式量应该为:28.5≤M≤38。
  
  3 答案:CD

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  石蜡裂化实验成功的关键究竟在哪里?
  
  1、改进石蜡裂化实验的研究动向
  
  20年来所发表的20多篇文章所反映的实验改进动向,大体可以归纳为以下三个方面:
  
  1.1催化剂的选择、制法和用量
  
  或者说把石蜡裂化实验成功的关键和希望,寄托在是否找到并用上了具有很高活性的催化剂上。例如,2000年《化学教育》2期31页关于石蜡催化裂化实验“探微”,就是采用自制的硅酸铝替代Al2O3作催化剂。
  
  1.2改进加热方式
  
  用酒精灯加热改成具有更好升温效果的酒精喷灯加热(如“探微”)或电加热,或酒精灯、喷灯同时使用,借以提高裂化温度。
  
  1.3以液体石蜡为原料代替固体石蜡
  
  按现行高中化学(必修)第二册116页图4-14,以是否可以观察到试管Ⅲ有能使酸性KMnO4溶液(或Br2水)褪色的裂化气和试管Ⅱ有具有汽油气味的少量液体作为实验成功与否的两大质量检验指标。时至今日,石蜡催化裂化的难点不在使KMnO4酸性溶液或Br2水褪色,而是要在短时间内要能在试管Ⅱ的管底有“少量液体凝结”,特别是有较多的液体油品。因此,以液体石蜡为原料代替固体石蜡的改进很难为众多的实验者接受。
  
  2、石蜡裂化的认识过程和裂化方法
  
  为追求石蜡裂化的液体油品,我们经过多年的实验探索,概括浓缩成以下三点,既表示了我们对石蜡裂化的认识过程,也说明了成功实现石蜡裂化的方法的关键所在。
  
  第一,试管里装蚕豆大小的石蜡块,在不用任何催化剂的条件下,仅用酒精灯加热一会,即可顺利地收集到能使酸性KMnO4溶液褪色的石油裂化气。
  
  第二,在一个具支蒸馏烧瓶里,也装蚕豆大小(约0.5g)的石蜡块,如果隔着铁丝网用喷灯加热烧瓶2min~3min,当瓶内石蜡蒸发到快要干枯时,瓶内温度会急剧上升(俗话说的干烧),这时不仅可以观察到有使酸性KMnO4褪色的石油裂化气,还可以收集到少量被蒸馏出来的裂化煤油(液体)。
  
  第三,在具支蒸馏烧瓶里装入50g左右的Al2O3、SiO2、Cr2O3、MnO2、Al2(SiO3)3、CuO、河沙、碱石灰、生石灰、石灰石粉、碎瓷粉、玻璃粉、水泥粉等稳定性强的难熔物质中的任何一种,按下图所示装置进行实验。


  
  先用大火加热烧瓶,待瓶内温度上升到足够高时,再加入3g左右的石蜡,2min~3min之后,不仅有大量使酸性KMnO4溶液褪色的石蜡裂化气,而且可以收集到1mL左右的裂化油。实验同时发现,这些被称为催化剂的热稳定性高的高熔点物质,可以反复若干次地重复使用而不见有“催化失效”的情况。
  
  3、对石蜡裂化实验的再认识
  
  这个实验,我和我的合作者们经过前后十多年,不下百余次的失败,才终于获得了上述的认识过程和成功的实验方法。这个实验曾经在京津沪渝川的实验经验交流会上演示过,目前在四川、贵州、重庆等地得到普遍推广。对于这个实验成败的关键,在理论上和实验方法上想谈以下三方面的认识。
  
  (1)已发表的20多篇文章改进石蜡裂化实验本身可以说明:按现行高中化学教材所示的装置和实验方法进行实验,是不可能得到裂化油的。石蜡是含C20~C30的固态高级烷烃的混合物。在碳原子数相同的烷烃异构物中,直链物的沸点最高。查得C20H42直链物的沸点是352℃,C30H62直链物的沸点是450℃,可见一般石蜡的沸点不会高于450℃。我们实际测得普通固体石蜡的沸点是390℃~405℃,远低于石蜡的催化裂化温度(500℃)。查得,工业上石蜡裂化分为:低压石蜡裂化(又称气相裂化),2~5atm,550~600℃;高压石蜡裂化(又称液相裂化),20~70atm,450~560℃。普通石蜡催化裂化的条件是1.5~2.5atm,450~560℃。
  
  可见,在普通实验条件下的常压裂化,当物料的温度还远没有达到石蜡的裂化温度,催化剂也还没有活性显示的时候,石蜡实际上早已处于沸腾状态了。这时物料的温度不可能有明显变化(恒沸了),能观察到的主要是大量的石蜡被蒸馏出来堵塞导管,导致实验过程中断使实验失败(“探微”的注意事项中已谈到了这点)。工业上为要提高反应温度,提高催化剂活性和提高石蜡的沸点都是通过加压来实现的。因为增大压强,可以提高石蜡的沸点,防止未被裂化的石蜡被蒸馏出来,同时又达到了提高催化剂活性的目的。这一点既是实验室裂化与工业(加压)裂化的区别,也是按现行高中化学课本所示的石蜡裂化方法不可能获得液态裂化油的根本原因所在。
  
  (2)在我们所讨论的实验条件下的石蜡裂化,主要是热裂化反应。课堂演示石蜡裂化实验的成功与否,最重要的原因在于有没有足够高的裂化温度。通常所用的Al2O3、Al2(SO4)3等所谓的催化剂,在这里实在是名不符实!至少不可夸大它的所谓催化作用。事实上前面裂化方法第三中所用的那些所谓催化剂的物质,它们具有所谓熔点、沸点高,质地细腻,又有很高的热稳定性和热容量,当它们用量较多(50g),加热时温度就很容易得到提高。这就是这些所谓催化剂的物质在普通演示石蜡裂化的实验里所起的实质性作用。这一点,明显地有别于Al2O3在工业上加压裂化石蜡时所起的名符其实的催化作用。事实上,那些把教学演示石蜡裂化实验成功的希望一向寄托在寻找新的催化剂的多种尝试,总是难以获得明显效果,而恰恰当使用为数众多的任何一种稳定性好的高熔点物质作“催化剂”,加热时温度明显升高(干烧嘛,我们暂时把那些所谓的催化剂叫做升温剂),裂化效果立刻显现。这就足以说明Al2O3,Al2(SO4)3等物质在石蜡裂化实验中所起的实质性作用,只是起了蓄热升温的升温剂,而不是起催化作用的催化剂。那种认为Al2O3在那里(工业石蜡裂化)起了催化剂的作用,而在这里(课堂演示石蜡裂化)也一定有催化作用的观点,显然是不符合实验事实的。我们教材的编著者和实验探索者是不是长期忽略了这个问题。既是如此,课堂演示的石蜡裂化实验没有任何意义上的催化裂化,只能是热裂化。
  
  (3)实验改进的着眼点,是要解决在常压条件下既要使石蜡不沸腾,防止未被裂化的石蜡蒸馏出来,又要保证有足够高的热裂化温度,这一矛盾恰恰是采用了用少量(1g~2g)石蜡,跟多量(50g左右)的升温剂混合加热,很巧妙地得到了解决。而教科书所设计提供的石蜡裂化实验恰恰与此相反:是用了多量的石蜡(4g)跟少量的升温剂(Al2O33g)混合加热。这样,裂化过程中,温度上不去,石蜡始终处于沸腾状态,连热裂化的效果都极差,导致只见酸性KMnO4和Br2水褪色,不见油的失败结果。

石蜡油催化裂解产物|石油的催化裂解

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