黑色834867236
范文一：水蒸气液化放热的多用演示
() () 文章编号 :1006 - 7353 200204 - 0060 21- 03
Ξ
水蒸气液化放热的多用演示
蔡学军 卢 军
()华中师范大学物理系 武汉 430079
摘要 :本文从定量和定性两个方面对水蒸气液化放热实验的演示进行了改进和功
能扩展 ,实现了在一套仪器上进行多个实验的演示和相关数据的测量 。
关键词 :水蒸气 ;液化 ;液化热 ;冷凝
中图分类号 :O552 . 6 文献标识码 :A
( ) 在《初中物理》第一册 1993 . 10 版《、高 圆底烧瓶的水使之沸腾 。
( ) () 中物 理 —修 订 版》第 一 册 1995 . 12 版 和2同时调节两个流量控制阀 , 使两管
( ) 导出的水流量大致相等 ,当两冷凝瓶中水上 《高中物理读本》第二册 1993 . 2 版中 , 都
升的温度有明显差异时 ,即可关闭流量控制 讲述了“物态变化”这个章节 。气体的液化是
阀 。 这一章节中的一个重要内容 。为了直观而严
密地演示液化过程的放热 ,我们设计了一个
新的液化放热演示仪 。该演示仪具有以下几
项功能 :
() 1演示水蒸气在液化过程中放出热量 。
() 2测定水蒸气的液化热 。
() 3演示液体压强与沸点间相互关系 。
() 4演示热能转化为机械能 。
1 液化放热的实验演示
气体 在 体 积 被 压 缩 或 者 遇 到 低 温 物 体
时 ,就会液化 ,并会放出大量的热 。为具体形 图 1 象地演示该过程 ,本实验将沸腾后的水和水1 、2 流量控制阀 ; 3 玻璃导管 ;
4 、5 温度计 ; 6 冷凝管 ; 蒸气同时等量通过冷凝瓶中的冷凝管 ,并用 7 小烧杯 ; 8 滴管 ; 流量控制阀来调节两冷凝管的流量 。当两小 9 橡胶导管 ; 10 、11 冷凝瓶 。 烧杯中凝结了等量水之后 ,我们可以明显观 () 3读出此时两冷凝瓶中温度计 5 、4 的 测到冷凝水蒸气的容器水温上升比冷凝沸水 ( 示数 T′、T″, 比较 T′水蒸气通过的容器 1 1 1 的容器上升的温度要高得多 ,从而可以直观 ) ( ) 内水温和 T″沸水通过的容器内水温,可 1 地演示出水蒸气在液化过程中要放出大量的 见 T′μ T″。 1 1 热 。实验装置如图 1 所示 : 由此即可表明水蒸气在液化过程中要放 () 1按图 1 连接好装置 , 将控制阀 1 、2出大量的热 。 关闭 ,给冷凝瓶 10 、11 盛上等量的水 ,并记下 2 测定蒸气的液化热 冷凝瓶中水的初始温度 T;点燃酒精灯加热 0
Ξ 收稿日期 :2002 - 05 - 01
60
()第 15 卷第 4 期 自然科学版 Vol . 15 No . 4 高等函授学报
( )2002 年 8 月 Journal of Higher Correspo ndence Educatio n Nat ural Sciences August 2002
ρ( ) ρ( )由于水蒸气在液化过程中要放出大量的 = cVT- T+ cVT- T1 1 3 2 2 4
因为 Q= L m = LρV 热 ,因而造成左右两个冷凝瓶内水温的改变 液 2
ρ( ) ρ( )量不同 。通过计算由冷凝瓶和小烧杯组成的 = cVT- T+ cVT- T 1 1 3 2 2 4
两个系统之间的热量差 ,就可算出水蒸气的 V 1) ( ) ( 所以 L = c T- T+ c T- TJ / Kg 1 3 2 4 V 2液化热 。实验装置如图 2 所示 :
式中所用符号说明如下 :
?c 为水的比热 ;L 为蒸气液化热 。
?Q为 Vml 水蒸气液化时放出的热 液 2
量 ,Q为 Vml 水蒸气冷凝到室温放出的总 气 2
热量 ,Q为 Vml 沸水冷却到室温释放的热 沸 2
量 。
?下脚标 A 标志通水蒸气一侧的冷凝
瓶 ,下脚标 B 标志与 A 同一侧的小烧杯 ; 下
脚标 C 标志通沸水一侧的冷凝瓶 ,下脚标 D
标志与 C 同一侧的小烧杯 。
3 沸点与压强的关系 图 2 液体的沸点会随着压强的改变而变化 。 1 、2 流量控制阀 ; 3 玻璃导管 ; 沸点随着压强的升高而增加 ,随着压强的降 4 、5 、12 、13 温度计 ; 6 冷凝管 ; 低而减小 。实验装置如图 3 所示 : 7 小烧杯 ; 8 滴管 ;
9 橡胶导管 ; 10 、11 冷凝瓶 。
实验步骤如下 :
() 1按图 2 连接好装置 ,关闭阀门 1 、2 ,
( 给两冷凝瓶均盛上 Vml 温度为 T的水 和 1 0
) 室温一致,并给圆底烧瓶注满 2/ 3 的热水 ,
用酒精灯加热使其沸腾 。
() 2调节阀门 1 和 2 ,使两根导管导出的
液体流速 、流量均保持一致 。
() 3当两冷凝瓶中温度有显著变化时 ,
关闭控制阀 ,并记下右侧通蒸气冷凝瓶中水
的末 温 T, 小 烧 杯 中 水 的 体 积 V和 末 温 1 2
T;同时记录左侧通沸水冷凝瓶中水的末温 2 图 3
1 、2 控制阀 ; 3 较大容量针筒 ; ( T,小烧杯中水的体积 V因两者导出水量 3 2
4 盛水烧瓶 ; 5 酒精灯 。 ) 相同 和末温 T。 4
实验步骤如下 :(4) 实验数据处理
() 1关闭阀门 1 ,打开阀门 2 , 用酒精灯 Q= Q- Q液 气 沸加热烧瓶内的水至沸腾 。
= Q+ Q- Q- Q() 2挪开酒精灯 ,可看到水立即停止沸 A B C D
ΔΔΔΔ= cmT+ cmT- cmT- cmT 腾 。而当在阀 门 2 后 的 橡 胶 管 末 端 接 上 针 A B C D
= cρV( T- T) + cρV( T- T) 筒 ,并抽出一部分气体而减小压强时 ,可看到 1 1 0 2 2 0
停止沸腾的水又会重新开始沸腾 。 - cρ( - T) ρ( - T) VT- cVT1 3 0 2 4 0
() 3将刚抽出来的热蒸气注入烧瓶 , 可
61
()第 15 卷第 4 期 自然科学版 Vol . 15 No . 4 高等函授学报
( )2002 年 8 月 Journal of Higher Correspo ndence Educatio n Nat ural Sciences August 2002
观测到烧瓶内的水立即停止沸腾 ,需要重新 制阀门 5 , 高速喷出的蒸气即 可 推 动 叶 轮 3
加热一段时间后才会再次沸腾 。快速转动起来 。 整个实验具4 热能转化为机械能的实验演示 有以下特点 :
() 由于液体在受热时会产生蒸气 ,而当大 1利用两根导管 ,一根通沸水 、一根通
蒸气 ,加大了二者之间的对比度 ,使得演示过 量蒸气通过狭窄管道时会产生高速气流从而
推动叶轮转动 。通过此实验可演示热能转化 程严谨 、结果一目了然 。
() 为机械能的过程 ,简要展示内燃机的工作原 2利用两个废旧饮料瓶作盛冷凝水容 理 。实验装置如图 4 所示 : 器 ,材料易得 、制作简便 ,易于观察和维修 。
() 3通过流量控制阀的控制 , 调节两导
管的流速和流量大致相等 。
() 4在实验 2 中 ,采用了差量法来消除
外界环境因素对系统的影响 ,这是提高液化
热测量精度的一种有效方法 。
实验 2 、3 、4 均是在实验 1 的基础上经过
改进和扩充之后得到的 ,这样不仅使实验过
程严谨 ,而且功能比较完善 ,能进行多个实验
的演示和有关热学数据的测量 。
参 考 文 献
图 4 1 人民 教 育 出 版 社 物 理 室 编 . 高 中 物 理 - 修 订 本 1 盛热水的烧瓶 ; 2 铁丝支架 ; () 第一册. 北京 :人民教育出版社 ,1995 人民教育3 叶轮 ; 4 、5 控制阀 。 ( ) 出版社物理室编 . 初中物理 第一册. 北京 :人2 民教育出版社 ,1993 人民教育出版社物理室编 . 实验步骤如下 :
( ) 高中物理读本 第二 册. 北京 :人民教育出版() 1按图 4 接好仪器 ,关闭阀门 4 、5 ,点 3 社 ,1993 燃酒精灯 ,加热烧瓶中的水 。
() 2当烧瓶中产生大量蒸气时 ,打开控
参 考 文 献 ()上接第 32 页 实验课题研究 、实验方案设
1 宋心琦 . 有关化学实验改革的想法和建议 . 化学 计最优化及趣味性实验等内容 ,是素质教育
() 教育 ,2001 3,37 的需要 ,是培养合格高师生必不可少的训练 2 吴俊明 . 中学化学实验研究导论. 南京 :江苏教育 课程 。 出版社 ,1997 ,284
62
范文二：甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化
第41卷第1期年1月
燃摇料摇化摇学摇学摇报
JournalofFuelChemistryandTechnologyVol.41No.1Jan.2013
文章编号:0253鄄2409(2013)01鄄0116鄄07
甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化
张摇磊1,2,潘立卫1,倪长军1,赵生生1,王树东1,胡永康3,王安杰2,蒋摇凯1
2.大连理工大学精细化工国家重点实验室,辽宁大连摇116023;
3.抚顺石油化工研究院,辽宁抚顺摇113001)(1.中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连摇116023;
摘摇要:对共沉淀法制备的CuO/ZnO/CeO2鄄ZrO2催化剂在甲醇水蒸气重整制氢反应体系中的性能进行了考察,并利用统计学实验设计方法对该反应的反应条件进行了优化。选择反应温度、水醇比和甲醇气体空速为独立要因,利用全因子实验设计方法,得到反应温度对两个响应值(甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数)的影响最为显著,甲醇气体空速对重整气中CO物质的量分数的影响最小。固定甲醇气体空速为300h-1,利用中心旋转组合设计实验方法对反应温度和水醇比进行优化,得出当反应温度在249~258益、水醇比在1.76~2.00时,甲醇能全部转化,重整气中CO物质的量分数小于0.5%。此模型的计算值与实验结果较为接近,表明采用统计学实验设计方法得出的结论对甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化具有指导意义。
关键词:全因子设计;中心旋转组合设计;响应曲面;甲醇水蒸气重整;氢气;优化中图分类号:O643.32摇摇文献标识码:A
Optimizationofmethanolsteamreformingforhydrogenproduction
ZHANGLei1,2,PANLi鄄wei1,NIChang鄄jun1,ZHAOSheng鄄sheng1,WANGShu鄄dong1,HUYong鄄kang3,WANGAn鄄jie2,JIANGKai1
Abstract:ThecatalyticperformanceofCuO/ZnO/CeO2/ZrO2preparedbyco鄄precipitationformethanolsteamreformingwasinvestigatedusingastatisticalsetofexperimentsinordertooptimizethereactionconditionsforobtainingminimalcarbonmonoxideinthereformedgas.Thereactiontemperature,steamtomethanolratio,methanolgashourlyspacevelocity(GHSV)wereevaluatedwithafullfactorialdesignexperiment.Thereactiontemperaturedisplayedmuchgreaterinfluenceontheresponse(methanolconversionandCOconcentrationinreformedgas),GHSVhasminimalinfluenceontheCOconcentrationinreformedgas.AtafixedlowmethanolGHSV(300h-1),acentralcompositerotatabledesignwasthenusedtoapproximatetheoptimalconditionsbysimultaneouslyconsideringthemethanolconversionandCOconcentration.Theoptimumtheoreticalconditionswerefoundtoliewithinareactiontemperatureof249~258益andaW/Mratioof1.76~2.00,incloseagreementwiththeexperimentalresults.
Keywords:fullfactorialdesign;centralcompositerotatabledesign(CCRD);responsesurface;methanolsteamreforming;hydrogen;optimization
摇摇氢能在利用时不产生任何污染排放,是未来清洁能源载体的理想选择,也是替代石油解决交通运输燃料问题的一条重要途径。从20世纪90年代起,美国、欧洲和日本的各大汽车生产厂家和石油公司,看到燃料电池汽车巨大的市场潜力,纷纷投入巨资,组成联盟,进行燃料电池车的相关研究、实验与生产,到现在已经开发出数百台燃料电池汽车样车,并加紧制定相关的产业标准。然而,氢能与燃料电
摇收稿日期:2012鄄07鄄05;修回日期:2012鄄09鄄25。
2011AA050706)。dicp.ac.cn。
(1.DalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Dalian摇116023,China;2.StateKeyLaboratoryofFineChemicals,DalianUniversityofTechnology,Dalian摇116023,China;
3.FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals,Fushun摇113001,China)
池是一个庞大和复杂的能源系统,面临的根本问题是降低制造成本,提高运行可靠性及使用寿命。目前,世界各国在继续进行示范的同时,将重点转向应用基础研究,希望通过研究氢能与燃料电池技术中各种基础性问题,找到实现氢能与燃料电池产业化的根本办法。其中,氢源技术已成为燃料电池走向市场的瓶颈之一,用醇类、烃类、汽油等化石原料进行小规模便携式制氢是氢鄄燃料电池成功走向应用
摇基金项目:国家自然科学基金(21076206);国家重点基础研究发展规划(973计划,2010CB732302);国家高技术研究发展计划(863计划,摇联系作者:潘立卫,研究员,Tel:0411鄄84379323;E鄄mail:panlw@dicp.ac.cn;王树东,研究员,Tel:0411鄄84379052;E鄄mail:wangsd@
117
所面临的一个核心问题。
液体燃料甲醇由于具有制氢转化条件(温度、压力、容积、质量)相对温和、不含硫、低毒、制氢过程相对容易实现等特点成为这些富氢燃料中的首选。甲醇重整包括甲醇水蒸气重整[1~5]、甲醇部分氧化重整[6~8]和甲醇自热重整[9~15],其中,甲醇水蒸气重整反应(CH3OH+H2O寅CO2+3H2,驻H298=49.5kJ/mol)条件温和,尾气中含氢量高、CO含量低,有利于实现系统集成。
CeO2鄄ZrO2催化剂,所得催化剂的最终组成为45%1.2摇催化剂的评价ZrO2的物质的量比为1颐1。
CuO、20%ZnO、35%CeO2鄄ZrO2,其中,CeO2和
催化剂的评价在自制的石英管反应器中进行,催化剂用量为2mL,将反应器以升温速率2益/min升温至280益(炉温),用5%H2鄄N2混合气将催化剂还原2h,然后切换至N2降至反应温度,再切换成甲醇和水的混合物进行反应,其流量由微量泵控制。
甲醇水蒸气重整制氢反应的影响因素较多,如反应温度、压力、水醇比、空速、催化剂床层高度等。其中,反应温度、水醇比以及空速对反应的影响较为显著。选择合适的反应条件直接影响到甲醇转化率、氢选择性和重整尾气中的CO含量。Zhang等[16,17]对甲醇水蒸气重整反应条件进行了系统地考察,结果发现,随反应温度的升高,甲醇转化率和重整尾气中CO含量都随之增加;随空速的增大,甲醇转化率和重整尾气中CO含量都下降;随水醇比的增大,甲醇转化率增大,重整尾气中CO含量减少。但是Yang等[18]和Oguchi等[19]的研究得出不同的结论,认为水醇比在0.5~1.5时,转化率随水醇比的增大而增加,但在1.5~2.5时,转化率随水醇比的增大而减小。Takahashi等[20]认为,甲醇转化率随水醇比的增大而减小。
目前,对于反应条件影响的研究多数利用传统的单因素实验方法,此方法必须假设各个因素之间没有关联,但实际反应过程是在各个反应条件共同作用下进行,各因素之间的关联作用在单因素实验方法中无法体现出来。本实验利用统计学设计实验方法,揭示甲醇水蒸气重整制氢过程中各因素对甲醇转化率和重整尾气中CO物质的量分数的影响规律以及各因素之间的关联关系,进而优化反应条件。
1.1摇实验部分
催化剂的制备
配制0.1mol/L含Cu、Zn、Ce、Zr的硝酸盐溶液(中国医药集团上海化学试剂公司,均为分析纯)和1.2倍当量0.5mol/L的碳酸钠溶液(天津市科密欧化学试剂开发中心,分析纯),在60益强烈搅拌8下时,将碳酸钠滴入硝酸盐混合溶液中,停止滴入碳酸钠溶液,并继续搅拌,当2pHh,搅拌后值达到110在室温下静置益下干燥1212hh。后在将沉淀抽滤400益下焙烧,用去离子水洗涤2h,
120目,压片成型,粉碎成40~60目的CuO,研磨至/ZnO/重整气先经过冷凝器冷凝,再经过干燥器干燥后进入Ailent鄄7890D气相色谱在线分析,色谱柱为碳分子筛填充柱,检测器为热导检测器(TCD),检测器温度180益,柱温80益。待反应稳定后采样分析。甲醇转化率:x(%)=q+18w)/(q′籽′22.4′1000)R′(渍′100%CO+渍CO2)′(1)
(32CO选择性:s100%
CO(%)=渍CO/(渍CO+cCO2)(2)′其中,qR为标况下重整尾气流量(mL/min),q
为液体进料量(mL/min),籽为混合液密度(g/mL),w为水醇物质的量比,渍CO/渍CO2为尾气中CO/CO含量。
21.3摇统计学实验设计方法1.3.1摇全因子实验设计
利用甲醇水蒸气重整为质子交换膜燃料电池供氢过程中,甲醇转化率和重整气中CO含量直接影响到质子交换膜燃料电池的性能。未反应的甲醇在阴极电位和Pt催化作用下发生氧化,并与氧的电化学还原构成短路电池,在阴极产生混合电位,使开路电压下降,影响电池的电流效率,而重整气中较少的CO会导致质子交换膜燃料电池的铂电极中毒,这两点是限制甲醇水蒸气重整制氢应用的重要因素。所以本实验选取甲醇转化率和重整尾气中CO物质的量分数为响应值,采用全因子实验设计方法,考察反应温度t/益(A)、水醇比W/M(B)和甲醇气体空速GHSV/h-1响。23全因子实验设计见表(C)三个独立因素对两个响应值的影1,每个独立因素的最高水平用+1表示,中间水平用0表示,最低水平用鄄1表示。应用统计学软件对实验结果进行统计学数据处理。1.3.2摇响应曲面法(RSM)
根据全因子实验,从三个独立因素中筛选出对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数影响明显的两个独立因素,利用中心旋转组合设计(CCRD)实验方法优化反应条件。1摇
摇118
燃摇料摇化摇学摇学摇报第41卷
1.3.3摇模型的正确性验证
随机选择若干组反应条件进行实验,实验值和模型计算值相对比,验证模型的正确性。
表1摇23全因子实验设计的变量实际值和代码值
Table1摇Experimentalvariables
incodedandactualunitfora23fullfactorialdesignFactorsVariablesUnitLow(-1)Medium(0)High(+1)ABC
tem.W/MGHSV
益-h-1
2003001.0
25012001.5
30021002.0
图1为反应温度和水醇比对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的影响。由图1可知,反应温度显著影响CuO/ZnO/CeO2鄄ZrO2催化剂的性能,其中,甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数均随反应温度的升高而增加,反应温度由200益增加到250益时,甲醇转化率提高了30%以上,重整250益增加到300益时,甲醇转化率提升幅度很小(<>
。
气中CO物质的量分数增大了两倍以上;而由
2摇结果与讨论
2.1摇催化剂的性能
摇摇另外,由图1还可知,甲醇转化率随水醇比的增大而增大,重整气中CO物质的量分数随水醇比的增大而减小。这与文献[16,17]的研究结论一致。图2
图1摇反应温度和水醇比对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的影响
Figure1摇EffectofreactiontemperatureandW/Mratioonthe(a)methanolconversionand(b)CO
concentration
:W/M=1.
0;:W/M=1.
5;:W/M=2.0
为反应温度和甲醇气体空速对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的影响
。
图2摇反应温度和甲醇气体空速对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的影响
Figure2摇EffectofreactiontemperatureandmethanolGHSVonthe(a)methanolconversionand(b)CO
concentration
摇摇由图2可知,甲醇转化率和重整尾气中CO物质的量分数都随甲醇气体空速的增大而减小。对图
:GHSV=300h-1
;:GHSV=1200h-1
;
1(b)和图2(b)的结果进行比较,得出甲醇气体空速对重整尾气中CO物质的量分数的影响较小,尤
:GHSV=2100h-1
119
其在低温下,虽然转化率降低很大,但重整尾气中CO物质的量分数基本保持不变。
由此可知,选择合适的反应条件有利于得到较高的转化率和较低的CO含量。传统的单因素实验工作量较大,且讨论每个单独因素的影响时,需固定其他因素,如果选择的固定条件不合理,会造成得出的结果具有片面性。针对此方法的缺点,本实验采用统计学实验设计方法对甲醇水蒸气重整制氢反应2.2摇23全因子实验设计
条件进行优化,可以显著减少工作量。
本实验采用23全因子实验设计,考察了反应温度(A)、水醇比(B)和甲醇气体空速(C)对甲醇转2),对实验结果进行统计学数据分析,各独立因素及其相互关联作用对甲醇转化率和重整气中CO物化率和重整气中CO物质的量分数的影响规律(表
质的量分数影响的半正态概率分布曲线图和柏拉图见图3和图4。由图3(a)和图4(a)可知,两张图中的A因素(反应温度)均偏离直线最远,说明反应温度对甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的影响都是最为明显的,从柏拉图(图3(b)和4(b))中也可以得到证明。这与2.1中催化剂性能实验结果一致。另外,由图4(a)中还可知,反应温度对CO含量的影响较大,水醇比以及反应温度和水醇比的交互作用对其影响其次,而甲醇气体空速对CO的含量影响很小。由2.1可知,甲醇气体空速越小,转化率越高。为了能得到高转化率,将甲醇气体空速(GHSV)固定在低水平300h-1,利用中心旋转组合设计实验方法对反应温度和水醇比两个条件进行优化。
表2摇23全因子实验设计实验
Table2摇Resultsfora23fullfactorialdesign
Standardorder
1234567810111213149
Runorder
1036514187211131294
200300200300200300200300250250250250250250A
1.01.02.02.01.01.02.02.01.51.51.51.51.51.5B
3003003002100210021002100120012001200120012001200300C
Methanolconversionx/%
100.00100.00100.00100.0096.3796.5695.4594.9395.1795.9629.3222.0868.8759.01
COconcentrationw/%
0.285.530.241.500.255.920.001.650.470.470.470.470.460.
48
图3摇23全因子实验的统计学分析甲醇转化率
Figure3摇Statisticalanalysisfora23fullfactorialdesignformethanolconversion
(a):half鄄normalprobabilityplotoftheeffects;(b):Paretodiagram
摇120
燃摇料摇化摇学摇学摇报第41卷
2.3摇响应曲面法(RSM)优化反应条件
图4摇23全因子实验的统计学分析CO物质的量分数
Figure4摇Statisticalanalysisfora23fullfactorialdesignforCOconcentration
(a):half鄄normalprobabilityplotoftheeffects;(b):Paretodiagram
反应温度和水醇比进行了优化。实验设计及结果见表3。
本实验利用中心旋转组合设计(CCRD)方法对
表3摇中心旋转组合设计实验
Table3摇Experimentalvariablesforthecentralcompositerotatabledesign(CCRD)
Standardorder
123456781011129
Runorder
103161211527984
A200300200300179321250250250250250250
B1.01.02.02.01.51.50.82.21.51.51.51.5
Methanolconversionx/%
100.00100.0026.4099.1491.6099.6698.7098.9498.3498.5668.8759.01
COconcentrationw/%
0.285.530.241.500.002.844.340.630.990.980.960.97
摇摇利用响应曲面法对实验结果进行分析,甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数的响应曲面方程
见式(3)和式
(4)。
图5摇响应曲面和等高线图、甲醇转化率、重整气中CO物质的量分数优化条件
Figure5摇Responsesurfaceandcontourplotof(a)methanolconversionresponse,(b)COconcentrationresponse
(c)regionoftheoptimum(shadedportion)foundby
overlayingyieldbetween(—)methanolconversionresponseand(…)COconcentrationresponse
121
2.46AB鄄17.93A2鄄1.50B2鄄0.38A2B鄄7.69AB2+2.77A2B2
AB+0.22A2+0.76B2+0.29A2B+0.62AB2鄄0.064A2B2
CO含量:w(%)=0.97+1.00A鄄1.31B鄄1.00
(4)(3)
摇摇甲醇转化率:x(%)=98.63+25.72A+2.85B鄄
醇转化率越大;反应温度越低,水醇比越大,重整气中CO物质的量分数越低。为了得到高甲醇转化率和低CO含量,两个响应值等高线重叠的部分即为最优化的反应条件区域,见图5(c),最优化条件为图中阴影部分,即反应温度为249~258益,水醇比2.4摇模型的正确性验证
(200~300益)和水醇比(1.0~2.0)条件进行实验,保持甲醇气体空速为300h鄄1,对实验值和计算值进行比较,结果见表4。
为了验证模型的正确性,选取五组不同温度为1.76~2.00。
其中,A、B和AB分别代表反应温度、水醇比和两因素交互作用的代码值。
图5(a)和(b)分别为甲醇转化率和重整气中CO物质的量分数随反应温度和水醇比的变化。由图5(a)和(b)可知,反应温度越高,水醇比越大,甲
表4摇CCRD模型的正确性验证Table4摇ValidationoftheCCRDmodel
Operatingconditiont/益200240250260300
W/Mratio2.01.61.61.21.0
Methanolconversionx/%estimated68.8793.44100.0099.9999.14
experiment100.00100.00100.00100.0068.87
COconcentrationw/%estimated0.250.580.742.405.53
experiment0.240.801.042.105.53
摇摇由表4可知,在四组不同反应条件下的模型计算值与实际值都较为接近,说明利用响应曲面法构建的模型可用于甲醇水蒸气重整制氢过程条件的优化,得出的优化条件具有实际应用价值。
最为显著。催化剂的活性和重整气中CO物质的量分数都随反应温度升高而增大,水醇比的增大既能促进甲醇的转化,同时又能抑制重整气中CO的产生。利用中心旋转组合设计(CCRD)方法对反应温度和水醇比进行优化,得到最佳反应条件为,反应温度249~258益、水醇比1.76~2.00,此时甲醇完全转化且重整气中CO物质的量分数相对较低(<>
3摇结摇论
剂在甲醇水蒸气重整制氢反应体系中的性能进行了考察,并利用统计学实验设计方法对该反应的反应条件进行了优化。通过半正态概率分布曲线图和柏
对共沉淀法制备的CuO/ZnO/CeO2鄄ZrO2催化
明采用统计学实验设计方法得出的结论具有实际应
拉图得到反应温度对催化剂活性和CO含量的影响参考文献
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范文三：铁与水蒸气反应实验条件的探究
铁与水蒸气反应实验条件的探究
一、实验用品：
仪器：侧泡具支试管、多用滴管、矿泉水瓶盖、微型酒精灯、微型操作台
药品：还原铁粉、水、肥皂水、湿沙子（1），湿粉笔头（2），硫酸铜晶体（3）、
氢氧化钙固体（4）
（用1、2、3、4代替湿棉花制备水蒸气）
二、实验步骤
（1）按下表依次称量氢氧化钙与铁的质量，混合后放在侧泡试管，用矿泉水瓶盖装一些肥皂水或者改成用排水法收集氢气（待检验氢气）
（2）实验产物的检验
猜想1：产物是FeO 猜想2：产物是FeO和Fe3O4混合物 猜想3：产物是Fe3O4
检验步骤：
（1）用磁铁吸附产物（若全部为Fe3O4，剩余固体是白色的氧化钙）反之进行下一步实验
（2）拆下装置，往侧泡试管加入适量H2O，过滤，把滤渣装入试管，加入适量HCl，再加入半滴到一滴的KMnO4，观擦KMnO4是否颜色褪去（检验FeO）
方案二，把氢氧化钙换成五水硫酸铜，装样品时，不要混合两者，利用五水硫酸铜的失水制备水蒸气
范文四：甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化
-0116-07: 0253-2409( 2013) 01文章编号
甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化
1,2 1 1 1 1 3 1,,,,,,磊潘立卫倪长军赵生生王树东胡永康王安杰张凯
2 ,蒋
( 1, ,116023;中国科学院 大连化学物理研究所辽宁 大连
2, ,116023;大连理工大学 精细化工国家重点实验室辽宁 大连
3, ,113001)抚顺石油化工研究院辽宁 抚顺 CuO / ZnO / CeO-ZrO: ,摘 要对共沉淀法制备的 催化剂在甲醇水蒸气重整制氢反应体系中的性能进行了考察并利用统计 2 2
。、,学实验设计方法对该反应的反应条件进行了优化选择反应温度水醇比和甲醇气体空速为独立要因利用全因子实验设计
( CO ) CO ,,甲醇转化率和重整气中 物质的量分数的影响最为显著甲醇气体空速对重整气中 方法得到反应温度对两个响应值, 1 。300 h ,,物质的量分数的影响最小固定甲醇气体空速为 利用中心旋转组合设计实验方法对反应温度和水醇比进行优化得
: 258 ? 、, 76 : 2, 00 CO 0, 5 。249 1,,%出当反应温度在 水醇比在 时甲醇能全部转化重整气中 物质的量分数小于 此模型的
,计算值不实验结果较为接近表明采用统计学实验设计方法得出的结论对甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化具有指导意 。 义
关键词: 全因子设计; 中心旋转组合设计; 响应曲面; 甲醇水蒸气重整; 氢气; 优化
O643, 32 A :: 中图分类号文献标识码
Optimization of me thanol ste am re forming for hydroge n production 1,2 1 1 1 ZHANG Lei,PAN Li-wei,NI Chang-jun,ZHAO Sheng-sheng,
1 3 2 1WANG Shu-dong,HU Yong-kang,WANG An-jie,JIANG Kai
( 1, Dalian Institute of Chemical Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Dalian 116023,China;
2, State Key Laboratory of Fine Chemicals ,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;
3, Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ,Fushun 113001,China)
Abstact: The cataytc performance of CuO / ZnO / CeO/ ZrOprepared by co-precptaton for methano steam rliiiil2 2 reformng was nvestgated usng a statstca set of experments in order to optmze the reacton condtons for iiiiiiliiiiiiobtaining minimal carbon monoxide in the reformed gas, The reaction temperatur,esteam to methanol ratio, methanol gas hourly space velocity ( GHSV) were evaluated with a full factorial design experiment, The reaction temperatured isplayed much greater influence on the response ( methanol conversion and CO concentration in reformed gas) ,GHSV has minimal influence on the CO concentration in reformed gas, At a fixed low methanol , 1 GHSV ( 300 h ) ,a central composite rotatable design was then used to approximate the optimal conditions by simultaneously considering the methanol conversion and CO concentration, The optimum theoretical conditions were found to lie within a reaction temperature of249 : 258 ? and a W / M ratio of 1, 76 : 2, 00,in close agreementw ith the experimental results,
Key words: full factorial design; central composite rotatable design ( CCRD) ; response surface; methanol steam reforming; hydrogen; optimization
,,氢能在利用时不产生仸何污染排放是未来清 池是一个庞大和复杂的能源系统面临的根本问题
,。,洁能源载体的理想选择也是替代石油解决交通运 目 是降低制造成本提高运行可靠性及使用寿命
。,,20 90 输燃料问题的一条重要途径从 世 纪 年 代 前世界各国在继续进行示范的同时将重点转向应 ,、,起美国欧洲和日本的各大汽车生产厂家和石油公 用基础研究希望通过研究氢能不燃料电池技术中 ,,,司看到燃料电池汽车巨大的市场潜力纷纷投入巨 各种基础性问题找到实现氢能不燃料电池产业化 ,,、。,资组成联盟进行燃料电池车的相关研究实验不 的根本办法其中氢源技术已成为燃料电池走向
,, ,、、生产到现在已经开发出数百台燃料电池汽车样车市场的瓶颈之一用醇类烃类汽油等化石原料进
。-,并加紧制定相关的产业标准然而氢能不燃料电 行小规模便携式制氢是氢燃料电池成功走向应用
-09-25。: 2012-07-05; : 2012收稿日期修回日期
基金项目: 国家自然科学基金( 21076206) ; 国家重点基础研究发展规划( 973 计划,2010CB732302 ) ; 国家高技术研究发展计划( 863 计划,
2011AA050706) 。
: ,,Tel: 0411-84379323; E-mail: panlw@ dicp, ac, cn; ,,Tel: 0411-84379052; E-mail: wangsd@ dicp,联系作者潘立卫研究员王树东研究员
ac, cn。
: 1 张 磊 等甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化 第 期117
。CeO-ZrO%,45催化剂所得催化剂的最终组成为 所面临的一个核心问题 2 2
CuO、20% ZnO、35% CeO-ZrO,,CeOZrO液体燃料甲醇由于具有 制 氢 转 化 条 件 ( 温 度、 其中和 2 2 2 2
1? 1。、、、、、) 的物质的量比为 压力容积质 量相 对 温 和不 含 硫低 毒制 氢 过
1, 2 催化剂的评价 程相对容易实现等特点成为 这些富氢燃料中的首
,1 : 5,催化剂的评价在自制的石英管反应器中进行, 选甲醇重整包括甲醇水蒸气重整甲醇部分 。、
,6 : 8, ,9 : 15,2 mL,2 ? / min催化剂用量为 将反应器以升温速率 氧化重整和 甲 醇 自 热 重 整,其 中,甲 醇 水
280 ? ( ) ,5 H-N%升温至 炉温用 混合气将催化剂 OHO CO+ 3H,H( CH+ H2 2 Δ蒸气重整反应 ? 3 2 2 2 298
2 h,N,还原 然后切换至 降至反应温度再切换成甲 2 = 49, 5 kJ / mol) ,、CO 条件温和尾气中含氢量高含
醇和水的混 合 物 进 行 反 应,其流量由微量泵控制。 量低,有利于实现系统集成。
,重整气先经过冷凝器冷凝再经过干燥器干燥后进 ,甲醇水蒸气重整制氢反应的影响因素较多如
Ailent-7890D ,入 气相色谱在线分 析色 谱 柱 为 碳 分 、、、、。反应温度压力水醇比空速催化剂床层高度等
,( TCD) ,子筛填充柱检测器为热导检测器检测器温 其中,反应温度、水醇比以及空速对反应的影响较为
180 ? ,80 ? 。。度 柱温 待反应稳定后采样分析 。显著选择合 适 的反应条件直接影响到甲醇转化
)+q( ( 32:) = $φx( % $ 甲醇转化率 φR CO CO 2 、。 ZhangCO 率氢 选 择 性 和 重 整 尾 气 中 的 含 量
,16,17,( 1) + 18 w) / ( q , 4 1000)22100%$ρ $$ $ 等对甲醇水蒸气重整反应条件进行了系统地
c) s( ) =% φ/ ( φ+ CO :$ 选 择 性 CO CO CO CO ,,,考察结果发现随反应温度的升高甲醇转化率和 2
100% ( 2) CO ; ,重整尾气中 含量都随之增加随空速的增大甲
,qL / min ) ,q( m其中为 标况下重整尾气流量 R CO ; 醇转化率和重整尾气中 含量都下降随水醇比
为液体进料量( mL / min) ,ρ 为混合液密度( g / mL) , ,,CO 的增 大甲醇转化率增大重 整 尾 气 中 含 量 减
,18, ,19, w ,/ CO / CO为水醇物质的量比φφ为 尾 气 中 CO CO 2Oguch 。Yang i2 少但是 等和 等的研究得出不
含量。 ,0, 5 :1 , 5 ,同的结论认为水醇比在 时转化率随水
1, 3 统计学实验设计方法 醇比的增大而增加,但在 1, 5 :2 , 5 时,转化率随水
1, 3, 1 ,20, 全因子实验设计 Taahash 。ki,醇比的增大而减小等认 为甲 醇 转
利用甲醇水蒸气重整为质子交换膜燃料电池供 。化率随水醇比的增大而减小
,CO 氢过程中甲醇转化率和重整气中 含量直接影 目前,对于反应条件影响的研究多数利用传统
。响到质子交换膜燃料电池的性能未反应的甲醇在 ,的单因素实验方法此方法必须假设各个因素之间
Pt ,阴极电位和 催化作用下发生氧化并不氧的电化 ,没有关联但实际反应过程是在各个反应条件共同
,,学还原构成短路电池在阴极产生混合电位使开路 ,作用下进行各因素之间的关联作用在单因素实验 电压下降,影响电池的电流效率,而重整气中较少的 。方法中无法体现出来本实验利用统计学设计实验 CO ,会导致质子交换膜燃料电池的铂电极中毒这两 ,方法揭示甲醇水蒸气重整制氢过程中各因素对甲 。点是限制甲醇水蒸气重整制氢应用的重要因素所 CO 醇转化率和重整尾气中 物质的量分数的影响规 CO 以本实验选取甲醇转化率和重整尾气中 物质的 徇以及各因素之间的关联关系,进而优化反应条件 。量分数为响应值,采用全因子实验设计方法,考察反
1 实验部分 应温度 t / ? ( A) 、水醇比 W / M( B) 和甲醇气体空速
, 1 1, 1 催化剂的制备 GHSV / h ( C) 三个独立因素对两个响应值的影响。
3 0, 1 mol / L Cu、Zn、Ce、Zr 配制 含 的硝酸盐溶液 21,全因子实验设计见表 每个独立因素的最高水
( ,) 中国医药集团上海化学试剂公司均为分析纯和 + 1 ,0 ,-1 平用 表示中间水平用 表示最低水平用表
1, 2 0, 5 mol / L ( 倍当量 的碳酸钠溶液天津市科密欧 。示应用统计学软件对实验结果进行统计学数据处
,) ,60 ? ,化学试剂开发中心分析纯在 强烈搅拌下 。理
将碳酸钠滴入硝酸盐混合溶液中,当 pH 值 达 到 8 1, 3, 2 响应曲面法( S) RM
,,2 h,,时停止滴入碳酸钠溶液并继续搅拌 搅拌后在 根据全因子实验从三个独立因素中筛选出对
12 h。,,CO 室温 下 静 置 将 沉 淀 抽 滤用去离子水洗涤 甲醇转化率和重整气中 物质的量分数影响明显
,( CCRD) 110 ? 下 干 燥 12 h 后 在 400 ? 下 焙 烧 2 h,研 磨 至 的两个独立因素利用中心旋转组合设计
。120 ,,40 :60 CuO / ZnO /实验方法优化反应条件 目压 片 成 型粉 碎 成 目 的
41 燃第 卷学 学 报 料 化 118
1, 3, 3 1 模型的正确性验证 图 为反应温度和水醇比对甲醇转化率和重整
,CO 。1 ,随机选择若干组反应条件进行实验实验值和 气中 物质的量分数的影响由 图 可 知反 应
,。CuO / ZnO / CeO-ZrO, 模型计算值相对比验证模型的正确性 温度显著影响 催化剂的性能2 2
3 ,CO 其中甲醇转化率和重整气中 物质的量分数均 1 2表 全因子实验设计的变量实际值和代码值
Tabe 1 Expermenta varabes lilil,200 ? 随反应温度的升高而增加反应温度由 增加 3 in coded and actua unt for a 2full factora desgn liili250 ? % ,,30到 时甲醇转化率提高了 以上重整 气 Factors Variables Unit Low( , 1) Medium( 0) High( + 1) CO ; 250 ? 中 物质的量分数增大了两倍以上而由增 A tem, ? 200 250 300 ? ,(300 ，5 % ) , 加到 时甲醇转化率提升幅度徆小 B , 0 1, 5 2, 0 1W / M , CO ( 但重整尾气中 物质的量分数仍急剧增大 两倍 , 1C 300 1 200 2 100 GHSV h ) ,,以上所以选择合适的反应温度有利于在获得高
,CO ,转化率的同时控制尾气中 含量减少后续处理 2 结果不讨论 。过程 2, 1 催化剂的性能
,1 ,另外由图 还可知甲醇转化率随水醇比的增 为反应温度和甲醇气体空速对甲醇转化率和重整气
,CO CO 。大而增大重整气中 物质的量分数随水醇比的 中 物质的量分数的影响,16,17,。。2增大而减小这不文献的研究结论一致图
2 ,CO 1( b) 2 ( b) ,由图 可知甲醇转化率和重整尾气中 物 和图 的结果进行比较得出甲醇气体 空
。CO ,质的量分数都随甲醇气体空速的增大而减小对图 速对重整尾气中 物质的量分数的影响较小尤
: 1 张 磊 等甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化 第 期119
,,其在低温下虽 然转化率降低徆大但 重 整 尾 气 中 质的量分数影响的半正态概率分布曲线图和柏拉图
CO 。3 4。3( a) 4( a) ,物质的量分数基本保持不变 由图 和图 可知两张图中 见图 和图
,A ( ) ,由此可知选择合适的反应条件有利于得到较 的 因素反应温度均偏离直线最进说明反应温
CO CO 。高的转化率和较低的 含量传统的单因素实验 度对甲醇转化率和重整气中 物质的量分数的影
,( 3 ( b) 4 ( b) ) ,,响都是最为明显的从柏拉图图 和 中 工作量较大且讨论每个单独因素的影响时需固定
,,。, 1 2其他因素如果选择的固定条件不合理会造成得出 也可以得到证明这不 中催化剂性能实验结果
。。,,4 ( a) ,CO的结果具有片面性针对此方法的缺点本实验采 一致另 外由 图 中 还 可 知反 应 温 度 对
,用统计学实验设计方法对甲醇水蒸气重整制氢反应 含量的影响较大水醇比以及反应温度和水醇比的
,CO ,。交互作用对其影响其次而甲醇气体空速对 的 条件进行优化可以显著减少工作量 3 , 2 2, 1 ,,。2含量影响徆小由 可知甲醇气体空速越小转 2全因子实验设计 3 。,2,化率越高为了能得到高转化率将甲醇气体空速 本实验采用 全因子实验设计考察了反应温 , 1 ( GHSV) 300 h ,( A) ( B) ( C) 、固定在低水平 利用中心旋转组合 度水醇比和甲醇气体空速对甲醇转化
CO ( 设计实验方法对反应温度和 水醇比两个条件进行 率和重 整 气 中 物质的量分数的 影 响 规 徇 表
。2) ,,优化 对实验结果进行统计学数据分析各 独 立 因 素
CO 及其相互关联作用对甲醇转化率和重整气中 物
3 2 2表 全因子实验设计实验 3 Tabe 2 Resuts for a 2full factora desgn llili
Standard order Run order A B C Methanol conversion x / CO concentration w / %%
1 4 200 1, 0 , 01 , 28 300 5902 10 300 1, 0 100, 00 5, 53 300
3 3 200 2, 0 68, 87 0, 24 300
4 6 300 2, 0 100, 00 1, 50 300
5 5 200 1, 0 22, 08 0, 25 2 100
6 9 300 1, 0 100, 00 5, 92 2 100
7 14 200 2, 0 29, 32 0, 00 2 100
8 1 300 2, 0 100, 00 1, 65 2 100
9 8 250 1, 5 96, 37 0, 47 1 200
10 11 250 1, 5 96, 56 0, 47 1 200
11 7 250 1, 5 95, 45 0, 47 1 200
12 13 250 1940, 5 1 200 , 93 , 47 13 12 250 1, 5 95, 17 0, 46 1 200
14 2 250 1, 5 1 200 95, 96 0, 48
3 23图 全因子实验的统计学分析甲醇转化率 3 gure 3 FiStatstca anayss for a 2full factora desgn for methano conversoniilliilili
( a) : half-normal probability plot of the effects; ( b) : Pareto diagram
41 燃第 卷报 料 化 学 学 120
3 4 2CO 图 全因子实验的统计学分析 物质的量分数3 Figure 4 Statistical analysis for a 2full factorial design for CO concentration
( a) : half-normal probability plot of the effects; ( b) : Pareto diagram
2, 3 。( S) RM响应曲面法优化反应条件 反应温度和水醇比进行了优化实验设计及结果见
本实验利用中心旋转组合设计( CCRD) 方法对 表 3。
3 表 中心旋转组合设计实验
Tae 3 xermenta varaes for the centra comoste rotatae esgn ( CC) blEpilibllpibldiRD
Standard order Run order A B Methano converson x / CO concentraton w / li%i%
1 10 200 1, 0 , 01 , 28 590
2 3 300 1, 0 100, 00 5, 53
3 1 200 2, 0 68, 87 0, 24
4 6 300 2, 0 100, 00 1, 50
5 4 179 1, 5 26, 40 0, 00
6 12 321 1, 5 99, 14 2, 84
7 11 250 0, 8 91, 60 4, 34
8 5 250 2990, 2 , 66 , 63
9 2 250 1, 5 98, 70 0, 99
10 7 250 1, 5 98, 94 0, 98
11 9 250 1, 5 98, 34 0, 96
12 8 250 1, 5 98, 56 0, 97
。( 3) ( 4) , 见式和式利用响应曲面法对实验结果进行分析甲醇转
化率和重整气中 CO 物质的量分数的响应曲面方程
、、5 CO 图 响应曲面和等高线图甲醇转化率重整气中 物质的量分数优化条件 Figure 5 Response surface and contour plot of ( a) methanol conversion response,( b) CO concentration response
( c) region of the optimum ( shaded portion) found by
overlaying yield between ( —) methanol conversion response and ( …) CO concentration response
: 1 张 磊 等甲醇水蒸气重整制氢反应条件的优化 第 期121
, 63 + 25, 72A + 2, 85B- = 98); ,,: x( % 甲醇转化率 醇转化率越大反应温度越低水醇比越大重整气
2 2 2 2 2, 46AB-17, 93A-1, 50B-0, 38AB-7, 69AB+ 2, 77CO 。中 物质的量分数越低为了得到高甲醇转化率 2 2AB CO ,( 3) 和低 含量两个响应值等高线重叠的部分即为
w ( % ) = 0, 97 + 1, 00A-1, 31B-1, 00 ,5 ( c) ,CO :最优化的反应条件区域见图 最优化条件为 含 量
2 2 2 2 AB + 0, 22A+ 0, 76B+ 0, 29AB + 0, 62AB-0, 064,249 :258 ? ,图中阴影部分即反应温度为 水醇比 2 2AB 1, 76 : 2, 00。( 4) 为
, 4 2,A、B AB 、其中和 分别代表反应温度水醇比和 模型的正确性验证
为了验证模型的正 确 性,选取五组不同温度 两因素交互作用的代码值。
5( a) ( b) ( 200 : 300 ? ) ( 1, 0 : 2, 0) ,图 和 分别为甲醇转化率和重整气中 和水醇比条件进行实验
-1 CO 。300 h,物质的量分数随反应温度和水醇比的变化由 保持甲醇气体空速为 对实验值和计算值进 5( a) ( b) ,,,,4。图 和可知反应温度越高水醇比越大甲 行比较结果见表
CCRD 4 表 模型的正确性验证
Table 4 Validation of the CCRD model
Operating condition Methanol conversion x / % CO concentration w / %
t / ? W / M ratio estimated experiment estimated experiment
200 2, 0 , 87 , 87 , 25 , 24 686800
240 1, 6 93, 44 100, 00 0, 58 0, 80
250 1, 6 99, 14 100, 00 0, 74 1, 04
260 110010022, 2 , 00 , 00 , 40 , 10
300 1, 0 99, 99 100, 00 5, 53 5, 53
。CO 4 ,由表 可知在四组不同反应条件下的模型计 催化剂的活性和重整气中 物质的量 最为显著
,,算值不实际值都较为接近说明利用响应曲面法构 分数都随反应温度升高而增大水醇比的增大既能
,CO 建的模型可用于甲醇水蒸气重整制氢过程条件的优 促进甲醇的转化同时又能抑制重整气中 的产 ,( CCRD) 。。化得出的优化条件具有实际应用价值 生利用中心旋转组合设计方法对反应温
,,度和水醇比进行优化得到最佳反应条件为反应温 3 结论 249 : 258 ? 、, 76 :2 , 00,1度 水醇比 此时甲醇完全 CuO / ZnO / CeO-ZrO对共 沉 淀 法 制 备 的 催 化 2 2 ， CO (转化且 重 整 气 中 物质的量分数 相 对 较 低 剂在甲醇水蒸气重整制氢反应体系中的性能进行了 0, 5 ) 。%,此模型的计算值不实验结果较为接近表 ,考察并利用统计学实验设计方法对该反应的反应 明采用统计学实验设计方法得出的结论具有实际应 。条件进行了优化通过半正态概率分布曲线图和柏 。用价值 CO 拉图得到反应温度对催化剂活性和 含量的影响
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范文五：铁与水蒸气反应实验条件的探究
铁与水蒸气反应实验条件的探究 摘要:人教版化学必修,中铁粉与水蒸气反应的实验装置虽然简单易操作，但是实验成功率很低，实验现象不明显。在其他文献的基础上，对实验条件及产物的检验进行了探究，同样实验装置下操作简单，现象更加明显。
关键词:铁粉;水蒸气;实验改进
人教版必修?中采用湿棉花作为水蒸气源， 用酒精灯加热还原铁粉的反应， 并通过氢气肥皂泡检验氢气的产生,,,。在中学教学过程中发现，该实验装置(如图,)虽然操作简单，但是实验成功率很低，实验现象很难达到如课本彩图中效果，本文在其他文献的基础上，对实验条件及产物的检验进行了探究，同样实验装置下操作简单，现象更加明显。
一、存在的问题
,(水蒸气的产生
教科书上用湿棉花中水的蒸发来产生水蒸气再与铁粉反应，经过实验发现用湿棉花产生水蒸气存在以下缺点:
(,)湿棉花的水分易挥发。铁与水蒸气反应的温度为,,,,,,,,，而水的沸点为,,,,,,,，远远低于该实验的反应温度，因此，当铁粉处温度达到反应温度时，湿棉花中的水分早已挥发没有了，导致水蒸气量不足，产生的氢气量极少，现象不明显。
(,)在加热过程中，湿棉花中的水会成滴流向试管中间加热部
位，由于试管中部温度较高，很易导致试管炸裂，实验不安全。
,(产物的检验
教材中用点燃氢气泡的方式来检验产物是否为氢气，在实际操作过程中发现，由于产生的氢气量少，气泡很难被点燃，实验过程中也鲜有淡蓝色的火焰，无法检验产生的是氢气。
由于湿棉花中的水分挥发较快，在文献中，有用给装有水的烧瓶或大试管加热,,,，以提供持续稳定的水蒸气流，作为水蒸气的发生装置，但是由于产生的水蒸气过多水蒸气流较大，易导致试管炸裂，且导致产生的氢气浓度下降，现象也不明显。
对此实验很多教师都给予了关注，大多都是对水蒸气的产生进行了改进，采用固,固加热的实验装置，即用一种在加热条件下能产生或提供持续水蒸气流的固体与铁粉混合，在加热条件下反应，由固体受热提供水蒸气再与铁粉反应效果较好。实验装置如图, 所示。文献主要选取了以下几种固体:湿沙子,,,，湿粉笔头,,,，硫酸铜晶体,,,， 氢氧化钙固体,,,经过查阅文献及实际操作验证:选用氢氧化钙和铁粉混合加热时实验现象明显，安全性高，效果最好。
二、实验改进
,(对实验产物检验的改进
教材中用点燃氢气泡的方式来判断是否产生了氢气，在实际操作过程中发现，由于气体量少，气泡很难被点燃，也看不见淡蓝色火
焰,,,。针对这个问题，我们选择用小试管(,,×,,,,，或离心管)，用排水法收集气体，收集满气体之后，将试管倒扣在水槽中一段时间，让气体中水蒸气充分冷凝，以提高氢气的纯度。通过验纯的方式(即是否有爆鸣声)来判断是否产生了氢气。(如图,装置)
,(对药品用量和加热条件进行了探索
在实验过程中我们发现药品的比例不同，反应的快慢、产生气体的速度以及气体的量都不一样。同时，由于这个实验各个学校实验条件不同，可以选择不同的加热条件，以达到最佳效果。另外，我们又做了系列对比实验，探究加热装置、反应物比例对实验的影响。
氢氧化钙和铁粉质量比不同、加热条件不同时，实验现象对比如表中数据:
对比表中实验现象可知:选择用酒精灯加热，当氢氧化钙与铁粉的质量比为,(,?,(,时(质量各为,(,,)时效果最佳。预热时，导管口有气泡冒出，待受热均匀后，用外焰集中给药品部分加热，大约一分钟左右，大试管中间部分出现水珠，约一分半钟，导管口开始有气泡产生，用事先装满水的小试管去收集产生的气体，前后共收集了两小试管，收集满气体后，将试管倒扣在水槽中一段时间(让气体中的水蒸气充分冷凝，变成水以提高氢气的纯度)再用大拇指堵住试管口将试管移至火焰上方验纯，第一支试管出现爆鸣声(收集过早，氢气浓度太低)，第二只试管中气体爆鸣声明
显，而且出现了火焰的冲击，将酒精灯焰震动。整个实验用时,,分钟左右。
用煤气灯加热时，选择氢氧化钙与铁粉的质量比为,(,?,(,、,(,?,(,或,(,?,(,均可。加热约,,,左右试管中出现水珠，,,,左右便有气体从导管口处均匀产生，气体产生的速度较快，产生气体的量也较多，收集两试管气体后停止反应，将试管倒扣在水槽中一段时间后验纯，第一支试管无爆鸣声(几乎为水蒸气)，第二只试管爆鸣声明显。整个实验时间为,,,,左右，速度较快。
三、结论
,(铁粉与水蒸气反应的实验关键是要有持续高温的水蒸气流，本实验的最大特点就是用加热氢氧化钙分解产生水蒸气来替代湿棉花提供水蒸气，由于氢氧化钙的分解温度比较高，为,,,?,,,，比较接近该反应温度，故能提供高温水蒸气使该实验现象更加明显。
,(用小试管收集气体(排水法)收集满以后，要将试管倒扣在水槽中一段时间，让气体中水蒸气充分冷凝，以提高氢气的纯度，检验时效果明显。
,(实验装置简单，各个学校可以根据实际的实验条件，选择不同的加热条件。反应速度较快，产生气体的量较多，实验成功率很高，安全性好，适合中学生操作。
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