化工专业(部分)实验讲义-祝阳.doc

荆楚理工学院化学工程与工艺专业实验讲义化学工程与工艺专业教研室化工与药学院34目录实验一 中空纤维超滤膜分离实验1实验二 变压吸附实验1实验三 超滤、纳滤、反渗透多功能膜分离实验4实验四 乙苯脱氢制苯乙烯8实验五 反应精馏实验13实验六 共沸精馏实验17实验七 管式反应器流动特性测定实验23实验八 连续均相管式循环反应器中的返混实验27实验一 中空纤维超滤膜分离实验膜分离技术是近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。膜的种类很多，中空纤维超滤膜是其中之一。中空纤维超滤膜广泛用于双组分或多组分的溶质和溶剂的分离、分级、提纯和富集操作过程。该过程的特点是：处理对象无象态变化，节能，分离效率高，设备简单，占地面积小，操作方便等。一、实验目的1了解膜分离的主要工艺设计参数。2了解液相膜分离技术的特点。3训练并掌握超滤膜分离的实验操作技术。4熟悉浓差极化、截流率、膜通量、膜污染等概念。二、实验原理膜分离是近数十年发展起来的一种新型分离技术。常规的膜分离是采用天然或人工合成的选择性透过膜作为分离介质，在浓度差、压力差或电位差等推动力的作用下，使原料中的溶质或溶剂选择性地透过膜而进行分离、分级、提纯或富集。通常原料一侧称为膜上游，透过一侧称为膜下游。膜分离法可以用于液-固（液体中的超细微粒）分离、液-液分离、气-气分离以及膜反应分离耦合和集成分离技术等方面。膜分离单元操作装置的分离组件采用超滤中空纤维膜。当欲被分离的混合物料流过膜组件孔道时，某组分可穿过膜孔而被分离。通过测定料液浓度和流量可计算被分离物的脱除率、回收率及其他有关数据。原料液采用聚乙烯醇溶液，经中空纤维膜后，用比色法测量原料液，超滤液和浓缩液的浓度。三、实验装置及药品中空纤维超滤膜组件规格为:PS10截留分子量为10000，内压式，膜面积为0.1m2,纯水通量为34L/h；PS50截留分子量为50000，内压式，膜面积为0.1m2,纯水通量为68L/h；PP100截留分子量为100000，外压式，膜面积为0.1m2,纯水通量为4060L/h。图1 中空纤维膜分离实验装置流程图 1-原料液水箱 2-循环泵 3-旁路调压阀1 4-阀2 5-膜组件PP100 6-浓缩液阀4 7-流量计阀5 8-透过液转子流量计 9-阀3 10-膜组件PS10 11-浓缩液阀6 12-反冲口 13-流量计阀7 14-透过液转子流量计 15-压力表 16-透过液水箱 17-反冲洗管路 18-反冲洗阀门实验物料采用聚乙二醇水溶液，分离后的物质采用分光光度法测定。分析试剂：聚乙二醇：MW2000；冰乙酸；次硝酸铋；碘化钾；醋酸钠；实验仪器：分光光度计，容量瓶、移液管若干。四、实验步骤1 按工艺流程图连接好管路。2 在槽C1内放入清水。3 检漏。磁力泵充满液体，通电启动，各管路出口阀门关闭，视个接口有否漏液现象，若有漏，必须解决倒不漏为止。4 检查各液流是否畅通。在一定流量和压力下运转数分钟，观察浓缩液和超滤也均有液体出现，说明组件正常。5 系统清洗。系统处理一定浓度的料液，停车后，用清水清洗系统。方法释放掉系统存留的料液，接通清洗水系统，开泵运转1015分钟，清洗污水经F17放入下水道。停泵，并切断电源。6 加保护液。停泵，放净系统的清洗水，从保护液槽加入保护液，保护液的作用是纺织纤维膜被细菌“吞食”。保护液的组成约1%的甲醛水溶液，夏季气温高，停用两天之内可以不加，冬季停用五天之内可以不加，超过上述期限，必须有效地加入保护液。下次操作前方出保护液，并保存，下次继续使用。五、数据处理测量不同条件下的原料液、超滤液和浓缩液的浓度，计算截留率。1、料液截留率聚乙二醇的截留率R，式中，C0为原料初始浓度，C1为透过液浓度。2、透过液通量，式中，V为渗透液体积，S为膜面积，为实验时间。3、浓缩因子，式中，N为浓缩因子，C2为浓缩液浓度。六、实验注意事项1、泵启动之前一定要“灌泵”，即将泵体内充满液体。2、样品取样方法：从表面活性剂料液储罐中用移液管吸取5mL浓缩液配成100mL溶液；同时在透过液出口端和浓缩液出口端分别用100mL烧杯接取透过液和浓缩液各约50mL，然后用移液管从烧杯中吸取透过液10mL、浓缩液5mL分别配成100mL溶液。烧杯中剩余的透过液和浓缩液全部倒入表面活性剂料液储罐中，充分混匀后，随后进行下一个流量实验。3、分析方法：PVA浓度的测定方法是先用发色剂使PVA显色，然后用分光光度计测定。首先测定工作曲线，然后测定浓度。吸收波长为690nm。具体操作步聚为：取定量中性或微酸性的PVA溶液加入到50mL的容量瓶中，加入8mL发色剂，然后用蒸馏水稀释至标线，摇匀并放置15min后，测定溶液吸光度，经查标准工作曲线即可得到PVA溶液的浓度。4、进行实验前必须将保护液从膜组件中放出，然后用自来水认真清洗，除掉保护液；实验后，也必须用自来水认真清洗膜组件，洗掉膜组件中的PVA，然后加入保护液。加入保护液的目的是为了防止系统生菌和膜组件干燥而影响分离性能。5、若长时间不用实验装置，应将膜组件拆下，用去离子水清洗后加上保护液保护膜组件。6、受膜组件工作条件限制，实验操作压力须严格控制：建议操作压力不超过0.10MPa，工作温度不超过45，PH值为213。七、思考题1请简要说明超滤膜分离的基本机理。2超滤组件长期不用时，为何要加保护液？3在实验中，如果操作压力过高会有什么后果？4提高料液的温度对膜通量有什么影响？实验二 变压吸附实验对人类很早就知道使用固体物质从气相或液相中脱除某些物质。这一过程得以进行的基础是由于固体表面与气、液体相比存在表面过剩能，从而可吸引其他分子于其表面。这被称为吸附，其中用作分离介质的固体物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附分离过程就是利用吸附剂与混合物中不同组分间结合力的不同，即各组分在吸附剂相（固相）与混合物相（流体相）间分配不同的性质使混合物中难吸附组分（轻组分）与易吸附组分（重组分）分离的技术。一、实验目的1、了解变压吸附的构造及工作原理；2、掌握变压吸附工艺流程和基本操作方法； 3、比较不同情况下的单一吸附过程中氮气浓度变化。二、实验原理变压吸附（Pressure Swing Adsorption ,简写PSA）分离过程是一种循环过程, 广泛应用于气体混合物的分离、精制。它以压力为变化参量, 在较高压力下空气中某种气体组分被吸附, 而在较低压力下被吸附的组分获得解吸, 放出所吸附的气体组分, 从而使吸附剂得到再生。选择合适的吸附剂，可以使吸附分离过程具有很高的分离效能，因此它特别适用于用精馏等传统分离方法难以分离的混合物体系的分离和气体或液体中微量杂质的去除等过程。分子筛富集氧气，是因为氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N2与分子筛骨架中阳离子的作用力强。空气逐层通过分子筛柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧流出气。工业上广泛采用A型沸石分子筛。三、实验装置图1 变压吸附实验装置流程示意图四、实验操作步骤1.接通设备总电源：按下总电源开关，启动冷干机；2.试压：调节需要控制的压力值（仪表设置），启动压缩机，使压力缓冲罐内压力达到设定值；3.吸附：打开阀3使吸附塔内压力达到工作压力，打开阀2并调节流量计控制在某一流量下检测气体浓度；4.解附：关闭阀3和阀2停止进气，打开阀4放空塔内气体，开启真空泵，调节真空度，关闭阀4，打开阀1进行解附；5.改变条件，重复24步骤，测试不同情况下气体浓度的变化；6.实验结束：关闭吸收塔前后阀门，切断电源。五、实验数据处理要求图2-1 试验台系统记录不同压力条件下的氮气浓度变化，并对结果进行讨论。六、实验注意事项：1. 分子筛由于久存吸水或吸附失活，必须更换或者再生活化2. 氮气含量测量时，通入氮气分析仪气体压力为常压3. 解吸过程中，必须先放空，后关真空泵，防止真空油倒吸入缓冲罐内4. 氮气检测仪上电后需要12S预热时间，此时仪表闪烁属正常现象操作阀开关和泵启动停止，只可选择计算机操作或手动操作一种方式实验三 超滤、纳滤、反渗透多功能膜分离实验液液平衡数据是液液萃取塔设计及生产操作的主要依据，而平衡数据的获得目前尚依赖于实验测定一、实验目的1学习和掌握超滤、纳滤和反渗透膜分离技术的基本原理。2了解多功能膜分离制纯净水的流程，设备组成和结构特点。3通过测定纳滤和反渗透膜分离技术制得纯净水的透过率，分析比较出分离技术的优劣。 二、实验原理超滤（UF）：是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行物理的筛分过程。其分子切割量（ CWCO ）一 般为 6000 到 50 万，孔径约为 100nm （纳米）。超滤是利用多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。在压力驱动下，溶液中水、有机低分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同组分的目的。该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染。从操作形式上，超滤可分为内压和外压。运行方式分为全流过滤和错流过滤两种。当进水悬浮物较高时，采用错流过滤可减缓污堵，但相应增加能耗。纳滤膜（NF）：纳滤膜分离过程无任何化学反应透过物大小在 10nm，无需加热，无相转变，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于饮用水的制备和食品、医药、生物工程、污染治理等行业中的各种分离和浓缩提纯过程。纳滤膜在其分离应用中表现出下列两个显著特征：一个是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为 200 2000 ；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。反渗透（RO）：在一定压力下水分子由盐水端透过反渗透膜向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程这一现象被称为反渗透现象。 如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水。这就是反渗透净水的原理。反渗透设施生产纯水的关键有两个，一是一个有选择性的膜，我们称之为半透膜，二是一定的压力。 简单地说，反渗透半透膜上有众多的孔，这些孔的大小与水分子的大小相当，由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多，因此不能透过反渗透半透膜而与透过反渗透膜的水相分离。 在水中众多种杂质中,溶解性盐类是最难清除的.因此,经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果.反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前，较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达99.7%。三、实验装置实验装置由1支石英砂滤、2支超滤膜、1支纳滤膜、1支反渗透膜和高低压离心泵、5个水箱、流量计等组成，用电导仪测定原料水的电导率。反渗透纳滤部分：原料水箱装满自来水经低压离心泵通过家用过滤器砂滤装置并经过高压离心泵，进入到反渗透或纳滤膜中进行过滤。过滤后测量电导流入产品水箱。超滤膜部分：原料水加入一定浓度的聚乙二醇，经过流量计计量进入到两个并联的超滤膜，经过滤后分别进入浓水槽和纯水槽。实验装置示意图如下：图3、实验装置流程示意图四、实验步骤 反渗透、纳滤操作：1连接好设备电源（为380V电源，三相五线，良好接地）。2将原料水箱注入自来水水位至四分之三。3启动低压离心泵经过微型过滤器，在经过沙滤筒，在经过启动高压离心泵通过反渗透或纳滤膜（反渗透和纳滤单独做），膜顶端分别为浓水和纯水，分别经过转子流量计计量进入到原料槽和产品槽。4记录原水电导率和淡水电导率。5反渗透实验与纳滤膜实验相同。6备存放实验室应有合适防冻措施，严禁结冰。7渗透短期停机，应隔两天通水一次，每次通水30分钟；长期停机应采用1%亚硫酸氢钠或甲醛液注入组件内，然后关闭所有阀门封闭，严禁细菌侵蚀膜元件。三个月以上应更换保护液一次。8停机，必须切断电源。 超滤膜操作：本装置有膜组件两个，从流程安装上既可以并联操作，也可以交替单独操作。实验物料采用聚乙二醇水溶液。原料液配置：液量35L（储槽使用容积），浓度约30mg/L。方法是取MW20000聚乙二醇1.1g放入1000ml的烧杯中，加入800ml水搅拌至全溶。在储槽内稀释至35L并搅拌均匀。1分析试剂及物品：聚乙二醇MW20000,500g 冰乙酸（化学纯）500ml 次硝酸铋（化学纯）500g碘化钾（化学纯）500g 醋酸钠（化学纯）500g 蒸馏水棕色容量瓶100ml二个 500ml一个 1000ml一个 100ml十个移液管50ml一支 5ml二支 量液管5ml一支 量筒250ml一个 10ml二个； 工业滤纸若干。2发色剂配制.：A液：准确称取1.600g次硝酸铋置于100ml容量瓶中，加冰乙酸20ml蒸馏水稀释至刻度。B液：准确称取40g碘化钾置于100ml棕色容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度。Dragendoff试剂：量取A液、B液各5ml置于100ml棕色容量瓶中加冰乙酸40ml,蒸馏水稀释至刻度。有效期为十年。醋酸缓冲液的配制：称取0.2.mol/L醋酸钠溶液590ml及0.2molL冰乙酸溶液410ml置于1000ml容量瓶中，配制成PH4.8醋酸缓冲液。3分析操作：（选择性操作）用比色法测量原料液，超滤液和浓缩液的浓度。仪器722型分光光度计，是用前认真阅读说明书。开启分光光度计电源，将测定波长置于510mm处，预热20分钟。绘制标准曲线：准确称取在60下干燥4小时的聚乙二酸1.000g溶于1000ml溶量瓶中，分别吸取聚乙二醇溶液0.5，1.5，2.5，3.5，4.5ml稀释于100ml溶量瓶内配制成浓度为5，15，25，35，45mg/L的聚乙二醇标准溶液。在各去50ml加入100ml溶量瓶中，分别加入Dragendoff试剂及醋酸缓冲液各10ml，蒸馏水稀释至刻度，放置15分钟，与波长510nm下，用1cm比色池，在722型分光光度计上测定光密度，蒸馏水为空白。以聚乙二醇浓度为横坐标，光密度为纵坐标作图，绘制出标准曲线。取试样50ml置于100ml溶量瓶内，用标准曲线操作相同的方法测试样光密度值，绘制出标准曲线。 4实验操作（并联操作） 将料液置于原料槽，首先关闭所有阀门，然后启动离心泵，打开旁路阀进行混料，混料一段时间后，打开进入两组超滤膜的阀门，膜顶部分成两部分一部分为浓缩液，一部分为超滤液。分别进入到浓缩液槽和超滤液槽。同时打开两组阀门，在打开转子流量计调节流量，同时控制浓缩液和超滤液的阀门开度来控制超滤膜内压力，过十分钟后取超滤液和浓缩液进行分析。五、实验记录及处理：纳滤膜实验原水电导561 S, 淡水电导250 S透过率=（561-250）/561=55.4%反渗透膜实验原水电导561S, 淡水电导12S透过率=（561-12）/561=97.8%超滤举例（供参考）1.按上述个步骤准备好之后，即可以进行实验操作；2.实验工艺参数：流量：30l/h。3.操作：实验开始前打开循环阀先使原料管中的料液混合均匀。4.进行比色分析：样品原料液浓缩液超滤液备注吸光值A0.6230.6300.302浓度CC1C3C2从标准曲线查找，此处略5截留率Ru的计算：Ru=100%=100%=100%=51.5%Ru越大表示超滤组件分离效果越好。实验四 乙苯脱氢制苯乙烯一、实验目的1了解以乙苯为原料，氧化铁为催化剂，在固定床单管反应器中制备苯乙烯的过程。2学会使用化学工艺类实验室中温度控制和流量控制的仪表、仪器。3学会稳定工艺操作条件的方法二、实验原理1.本实验的主副反应主反应副反应： 在水蒸气存在的条件下，还可能发生下列反应：此外，还有芳烃缩合及苯乙烯聚合生成焦油和焦等。这些连串反应的发生不仅使反应选择性下降，而且极易使催化剂表面结焦进而活性下降。2.影响本反应的因素1） 温度的影响乙苯脱氢反应为吸热反应，H00,从平衡常数与温度的关系式可知，提高温度可增大平衡常数，从而提高脱氢反应的平衡转化率。但是温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，设备材质要求增加，故应控制适宜的反应温度。本实验的反应温度为：540620。2） 压力的影响乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式可知，当时0，降低总压P总可使Kn增大，从而增加了反应的平衡转化率，故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。本实验加水蒸气的目的是降低乙苯的分压，以提高平衡转化率。较适宜的水蒸气用量为：水：乙苯=1.5：1（体积比）或8：1（摩尔比）。3）空速的影响乙苯脱氢反应系统中有平衡副反应和连串副反应，随着接触时间的增加，副反应也增加，苯乙烯的选择性可能下降，适宜的空速与催化剂的活性及反应温度有关，本实验的液空速以0.6/h为宜。本实验装置是固定床反应器，它是一个典型的管式积分反应装置，一般简称管式反应器。该反应器包括反应管和预热管。反应管上部是预热器，用于汽化水生成蒸汽。为了防止乙苯和水蒸气混合不均匀，乙苯和水同时进入汽化器上部进行汽化，预热器内添有瓷环，可以提高传热面积和加热面积。汽化后的水和乙苯在预热器内混合，进入到反应器的瓷环部分，再经过充分的混合，通过催化剂床层进行反应。本装置有两个液路进料，并且预热器，反应器，混合器三位一体设计，一般用于颗粒度在1-3mm之间的催化剂，反应的进料速度也需要选择最适宜的条件。料液乙苯和水按照一定的摩尔比，分别由两台泵分别计量流量后进入混合器和预热器，在充分混合，预热汽化直接进入反应器的反应阶段。反应器为一段控制加热，其加热系统由手动或仪表来控制，反应器内催化剂床层的轴向温度也由仪表来测量。反应完后的产物经空气冷凝后进入到分离器，在分离器中分离为气液两相，分离用冰相或水相。分离器中的液体经过六通阀控制放出并称重。乙苯脱氢固定床反应器见图1。三、实验装置及流程（见图4-1）图4-1 乙苯脱氢固定床反应器流程图四、实验步骤与方法 1实验准备（1）反应管每次使用前应该，先将其从固定床反应器上卸下，用石油醚或其它低沸点有机物清洗，以除去壁上的残渣。如果上次残留有催化剂，应先将催化剂清洗干净。（2）催化剂装填前应该用分样筛对其进行筛分，一般为1-3mm，其颗粒直径越小对反应结果影响越小，但过小也会造成催化剂流失。（3）校正蠕动泵流量：根据实验要求，校正两个蠕动泵的流量，调整用作乙苯进料量1-1.5ml/min（量筒测量流量，用秒表计时，以5ml为准），蒸馏水按折算（1.2-1.5ml/min），调整后记录当前状态下的转数值。（4）如图1所示连接好所有部件。冷凝管下用橡胶管连接分液漏斗。分液漏斗固定在铁架台上，下端尽可能多地浸泡在冰水混合物中。2催化剂装填（1）先准备好催化剂，然后用托盘天平称取催化剂6g，装入反应管内长度约为4cm，根据测得的管长，将催化剂填充至反应段中央位置。（装填催化剂量根据需要可不同）（2）准备23mm的碎瓷环，瓷环应预先在稀盐酸中浸泡，并经过水洗、高温烧结，以除去催化活性。（3）从装置上卸下反应管，在反应管底部放入少量玻璃棉，然后放入适量高度的瓷环（以确保催化剂处于反应段的最佳位置为准），准备量取瓷环高度并记录。（4）再加入4cm石英砂，将称量好的催化剂缓慢的加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂的高度，确定催化剂在反应器内装填高度。再装入碎瓷环至反应管口（切记不要填至反应管密封口处）。（5）装填过程中需轻轻敲打反应管外壁，以保证管内没有阻塞现象，然后将反应器顶部密封。3乙苯脱氢操作过程（1）将反应管放入到加热炉中，连接乙苯和水的进口，拧紧卡套。连接好空气冷凝器和反应器的接口，并把玻璃收集瓶和冷凝器连接好。玻璃收集瓶应放置在烧杯内，烧杯内装有适量的水、冰、食盐混合物，以保持冷却温度在零度以下，使产物能完全冷凝成液体，而被收集起来，没有冷凝的氢气和甲烷、乙烷则排空。（2）各流程及元件安装无误，连接良好后，插上设备电源开关。（3）打开钢瓶开关，调节钢瓶输出压力为0.2MPa，调节色谱两通道压力调节阀，均为0.08MPa。（4）打开装置总电源开关，打开泵开关，但不开泵，打开色谱总开关。按照实验要求，调整好色谱条件：载气：氮气； 柱箱温度：80；进样器温度：100；检测器温度：120；色谱柱：液晶柱。（5）将炉内温度设定为620，反应温度设定为620，预热温度设定为460。温度设定无误后，打开加热开关，在开始加热时可用自整定设置。（6）在温度达到设定值后，继续稳定10min左右，然后开始加入乙苯和水。乙苯的加料速度为1.1ml/min。水的加料速度为1.3ml/min。（7）反应进行20分钟后，正式开始实验。先换掉反应器下的吸收瓶，并换上清洗干净的新瓶，检查升降台的高度，应该调节升降台，使冰水混合物尽可能多的浸没分离器。记录湿式流量计的读数，反应温度，压力等实验条件。（8）固定温度在620，反应每进行10分钟取一次样并记录数据，粗产品从分离器中放入量筒内。然后用分液漏斗分去水层，称出烃层液重量及水层的体积。（9）取0.4L烃层液样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。计算原料转化率、产物苯乙烯收率、副产物苯和甲苯生成质量等。4注意事项 （1）使用色谱前应先通载气再开色谱；关色谱时，要先关色谱再关载气。 （2） 用来抽乙苯的泵应选用硅橡胶管，并在使用结束后马上清洗。五、结果与讨论对以上的实验数据进行处理，分别将转化率、选择性及收率对反应温度作图，找出最适宜的反应温度区域，并对所得的实验结果进行讨论。（包括曲线图趋势的合理性、误差分析、成败原因等）。六、预习与思考1讨论原料乙苯的转化率，产物苯乙烯收率，副产物苯和甲苯含量，苯乙烯的选择性随温度变化的规律，并作图表示。2讨论反应温度变化对反应平衡常数的影响，反应动力学常数变化的影响，并作图讨论。3回归温度和反应平衡常数、反应速率常数的关系式。4催化剂制备过程中，哪些因素影响其反应活性？5如何改变色谱条件，以获得最合理的分析结果？6实验误差的来源有哪些？怎样克服？7谈谈在实验中得到的体会和建议。实验五 反应精馏实验反应精馏是精馏技术中的一个特殊领域，在操作过程中，化学反应与分离同时进行，故能显著提高总体转化率，降低能耗。此法在酯化、醚化、酯交换、水解等化工生产中得到应用，而且越来越显示其优越性。一、实验目的1、了解反应精馏既服从质量作用定律有服从相平衡规律的复杂过程.2、掌握反应精馏的操作.3、能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析.4、了解反应精馏与常规精馏的区别.5、学会分析塔内物料组成.二、实验原理 反应精馏的过程不同于一般精馏，它既有精馏的物理相变之传递现象，又有物质变质的化学反应现象.两者同时存在，相互影响，使整个过程更加复杂。因此，反应精馏对下列两种情况特别使用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维护在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点和高沸点的物质存在，大大地提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因为它们的沸点接近，靠一般的精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能够发生化学反应生成沸点不同的物质，这时可在过程中得到分离。 对于醇酸酯化反应来说，适于第一种情况，但若该反应物催化剂存在，单独采用反应精馏也达不到高效分离的目的，这是因为反应速度非常缓慢，故一般都用催化反应方法。酸是有效的催化剂，常用硫酸。反应随酸浓度增加而加快，浓度在0.21（wt）.此外，还可以用离子交换树脂，重金属盐类和丝光沸石分子筛等固体催化剂。反应精馏的催化剂用硫酸，是由于其催化作用不受塔内温度的限制，在全塔内部可以进行催化反应，而反应固体催化剂则由于存在一个最合适的温度，精馏塔本身难以达到此条件，故很难实现最佳化操作。本实验室以乙酸和乙醇为原料，在催化作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的方程式为： 实验进料的方式有两种：一种是直接从塔釜进料，另一种是在塔的某处进料，前者有间歇和连续式操作，后者只有连续式。若用后一种方法进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的乙酸，塔下部某处加乙醇。釜液沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。具体地说，乙酸从上段向下端移动，与向上移动的乙醇接触，在不同的填料高度上均发生反应，生成酯和水。塔内此时有4组份。由于乙酸在气相中有缔合作用，除了乙酸外，其它三个组份形成三元或二元共沸物，水酯，水醇共沸物沸点比较低，醇和酯无法从塔顶排出。若控制反应的原料配比，可以使某组份全部转化。因此可以认为反应精馏的分离它也是反应器。若采用塔釜精料的间歇式操作，反应只能够在塔釜中进行，由于乙酸的沸点较高，不能进入到塔体，所以塔体内共有3组份，水，乙醇和乙酸乙酯。 全过程可用物料衡算和热量衡算来描述：（1）物料衡算方程：对于第j块理论板上的i组份进行物料衡算如下：（如图8-1所示）Lj-1Xi,j-1+Vj+1Yi,j+1+FjZj,i+Ri,j=VjYi,j+ LjXi,j (1) 2jn, i=1,2,3,4Lj,xi,jFj,Zi,jVj,yi,jVj+1,yi,j+1Lj-1,xi,j-1图5-1 第j块理论板上的气液流动示意图（2） 气液平衡方程对平衡级上某组分i有如下平衡关系:Ki,jXi,j- Yi,j=0 (2) 每块板上的组成总和应该满足下列关系：Yi,j =1 Xi,j =1 (3)（3）反应速率方程Ri,j =Kj.Pjsqrt(Xi,j/Xi,jQi,j)105 (4)上式指原料中各组份浓度相等条件下成立，否则应该加以修正。（4）热量衡算方程 对于平衡级上进行热量衡算，最终得到下式：Lj-1hj-1-VjHj-Ljhj + Vj+1Hj+1 FjHj,i -Qj+ RjHr,j=0 (5)三、实验装置及试剂 实验装置如图5-2所示。反应精馏塔用玻璃制成。直径29mm，塔高1400 mm，塔内填装3x 3 mm不锈钢环型填料；塔釜玻璃双循环自动出料塔釜，容积500m1，塔外壁镀有金属保温膜，通电使塔身加热保温。塔釜用500W电加热棒进行加热，采用电压控制器控制釜温。塔顶冷凝液体的回流采用摆动式回流比控制器操作。此控制系统由塔头上摆锤、电磁铁线圈、回流比计数器等仪表组成。进料采用高位槽经转子流量计进入塔内，可选择不同的进料口。5-2 实验装置示意图四、实验步骤间歇操作（1）将乙醇，乙酸各80克，浓硫酸数滴倒入塔内，开启釜加热系统，开其塔身保温电源，开启塔顶冷凝水。（2）当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作，15分钟后，设定回流比为3：1，开启回流比控制电源。（3）30分钟后，用微量注射器在塔身5个不同高度取样，应尽量保证同步。（4）分别将0.5微升样品注入摄谱分析仪，记录结果。注射启用后应用蒸馏水和丙酮清洗，以备后用。（5）重复（3）（4）步操作。（6）关闭塔釜及塔身加热电源和冷凝水，对馏出液及釜残液进行称重和色谱分析（当持液全部流至塔釜后才取釜残液），关闭总电源。五、实验数据处理自行设计实验数据记录表格，根据实验测得的数据，按下列要求写出实验报告，（1）实验目的和实验流程步骤；（2）实验数据和数据处理；（3）实验结果和改进实验的建议。对于间歇过程，可以根据下列公式计算反应的转化率和收率。转化率（乙酸的加料量釜残液乙酸量）/乙酸添加量进行乙酸和乙醇的全塔物料平衡衡算，计算塔内浓度分布，反应收率，转化率等等。六、符号说明Fjj板进料量hjj板上液体焓量Hjj板上气体焓量Hf,jj板上原料焓量Hr,jj板上反应热焓量Ljj板下降液体量Ki,ji组份气液平衡函数Pi,jj板上液体混合物体积Ri,j单位时间内j板上单位液体体积内i组份反应量Vj板上升蒸汽量Xi,jj板上组份i的液相摩尔分数Yi,jj板上组份i的气相摩尔分数Zi,jj板上组份i的原料组成Qjj板上冷却或加热的热量i,j反应混合物组份在j板上的体积七、思考题1.怎样提高酯化收率?2.不同回流比对产物分布的影响如何?3.采用釜内进料操作条件要做哪些变化?酯化率能否提高?4.加料摩尔比应保持多少为最佳?5.用实验数据能否进行模拟计算?如果数据不充分还要测得哪些数据?实验六 共沸精馏实验一、实验目的 恒沸精馏是一种特殊的分离方法。它是通过加入适当的分离媒质来改变被分离组分之间的汽液平衡关系，从而使分离由难变易。恒沸精馏主要适用于含恒沸物组成且用普通精馏无法得到纯品的物系。通常，加人的分离媒质(亦称夹带剂)能与被分离系统中的一种或几种物质形成最低恒沸物使夹带剂以恒沸物的形式从塔顶蒸出，而塔釜得到纯物质。这种方法就称作恒沸精馏。 本实验使学生通过制备无水乙醇，达到以下两个目的。（1）加强并巩固对恒沸精馏过程的理解。（2）熟悉实验桔馏塔的构造，掌握稿馆操作方法。二、实验原理在常压下，用常规精馏方法分离乙醇水溶液，最高只能得到浓度为9557(质量分数)的乙醇。这是乙醇与水形成恒沸物的缘故，其恒沸点7815，与乙醇沸点7830十分接近，形成的是均相最低恒沸物。而浓度95左右的乙醇常称工业乙醇。 由工业乙醇制备无水乙醇可采用恒沸精馏的方法。实验室中恒沸精馏过程的研究，包括以下几个内容。1、夹带剂的选择恒沸精馏成败的关键在于夹带剂的选取，一个理想的夹带剂应该满足如下几个条件：1)必须至少能与原溶液中一个组分形成最低恒沸物希望此恒沸物比原溶液中的任一组分的沸点或原来的恒沸点低10以上。2)在形成的恒沸物中，夹带剂的含量应尽可能少，以减少夹带剂的用量节省能耗。3)回收容易，一方面希望形成的最低恒沸物是非均相恒沸物，可以减轻分离恒沸物的工作量；另一方面，在溶剂回收塔中应该与其他物料有相当大的挥发度差异。4)应具有较小的汽化潜热，以节省能耗。5)价廉、来源广无毒、热稳定性好与腐蚀性小等。就工业乙醇制备无水乙醇，适用的夹带剂有苯、正己烷，环己烷，乙酸乙酯等。它们都能与水乙醇形成多种恒沸物，而且其中的三元恒沸物在室温下又可以分为两相，一相富含夹带剂，另一相中富含水，前者可以循环使用，后者又很容易分离出来，这样使得整个分离过程大为简化。下表给出了几种常用的恒沸剂及其形成三元恒沸物的有关数据。常压下夹带剂与水、乙醇形成三元恒沸物的数据组分各纯组分沸点恒沸温度/恒沸组成（质量分数）123123123乙醇水苯78.310080.164.8518.57.474.1乙醇水乙酸乙酯78.310077.170.238.49.082.6乙醇水三氯甲烷78.310061.155.504.03.592.5乙醇水正己烷78.310068.756.0011.93.085.02本实验采用苯为恒沸剂制备无水乙醇。当苯被加入乙醇水系统以后可以形成最低三元恒沸物。2、决定精馏区具有恒沸物系统的精馏进程与普通精馏不同，表现在精馏产物不仅与塔的分离能力有关，而且与进塔总组成落在哪个浓度区域有关。因为精馏塔中的温度沿塔向上是逐板降低，不会出现极值点。只要塔的分离能力(回流比塔板数)足够大，塔顶产物可为温度曲线的最低点，塔底产物可为温度曲线上的最高点。因此，当温度曲线在全浓度范围内出现极值点时该点将成为精馏路线通过的障碍。于是，精馏产物按混合液的总组成分区，称为精馏区。当添加一定数量的苯于工业乙醇中蒸馏时，整个精馏过程可以用图232加以说明。图上A、B、W分别表示乙醇、苯和水的纯物质，C、D、E点分别代表三个二元恒沸物，T点为ABW三元恒沸物。曲线BNW为三元混合物在25时的溶解度曲线。曲线以下为两相共存区，以上为均相区，该曲线受温度的影响而上下移动。图中的三元恒沸物组成点T室温下是处在两相区内。图6-1 恒沸精馏原理图以T点为中心，连接三种纯物质A、B、W和三个二元恒沸组成点C、D、F，则该三角形相T图被分成六个小三角形。当塔顶混相回流(即回流液组成与塔顶上升蒸气组成相同)时，如果原料液的组成落在某个小三角形内，那么间歇精馏的结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。为此要想得到无水乙醇，就应保证原料液的总组成落在包含顶点A的小三角形内。但由于乙醇水的二元恒沸点与乙醇拂点相差极小，仅0.15，很难将两者分开，而已醇苯的恒沸点与乙醇的沸点相差19.62，很容易将它们分开，所以只能将原料液的总组成配制在三角形的ATD内。图中F代表乙醇水混合物的组成，随着夹带剂正己烷的加入，原料液的总组成将沿着FB线而变化，并将与AT线相交于G点。这时，夹带剂的加入量称作理论恒沸剂用量，它是达到分离目的所需最少的夹带剂用量。如果塔有足够的分离能力，则间歇精馏时三元恒沸物从塔顶馏出(56)，釜液组成就沿着TA线向A点移动。但实际操作时，往往总将夹带剂过量，以保证塔釜脱水完全。这样，当塔顶三元恒沸物T出完以后，接着馏出沸点略高于它的二元恒沸物最后塔釜得到无水乙醇，这就是间歇操作特有的效果。倘若将塔顶三元恒沸物(图中丁点，56)冷凝后分成两相。一相为油相富含正己烷，一相为水相利用分层器将油相回流，这样苯的用量可以低于理论夹带剂的用量。分相回流也是实际生产中普遍采用的方法。它的突出优点是夹带剂用量少，夹带剂提纯的费用低。3、夹带剂的加入方式夹带剂一般可随原料一起加入精馏塔中，若夹带剂的挥发度比较低，则应在加料板的上部加入，若夹带剂的挥发度比较高，则应在加料板的下部加入。目的是保证全塔各板上均有足够的夹带剂浓度。4、恒沸精馏操作方式恒沸精馏既可用于连续操作，又可用于间歇操作。5、夹带剂用量的确定夹带剂理论用量的计算可利用三角形相图按物料平衡式求解之。若原溶液的组成为F点，加入夹带剂B以后，物系的总组成将沿FB线向着B点方向移动。当物系的总组成移到G点时，恰好能将水以三元恒沸物的形式带出，以单位原料液F为基准，对水作物料衡算得D XD水 = F XF水D = F XF水 / XD水夹带剂量的理论用量为B = D XDB式中 F进料量； D塔顶三元恒沸物量；B夹带剂理论用量；XFii组分的原料组成；XDi塔顶恒沸物中i组成。三、 实验装置及流程本实验所用的精馏塔为内径20200mm的玻璃塔。内部上层装有网环型22 mm的高效散装填料，下部装有三角网环型的高效散装填料。填料塔高度略高于1.2m。塔釜为一只结构特殊的三口烧瓶。上口与塔身相连：侧口用于投料和采样；下口为出料口；釜侧玻璃套管插入一只测温热电阻，用于测量塔釜液相温度，釜底玻璃套管装有电加热棒，采用电加热，加热釜料，并通过一台自动控温仪控制加热温度，使塔釜的传热量基本保持不变。塔釜加热沸腾后产生的蒸汽经填料层到达塔顶全凝器。为了满足各种不同操作方式的需要，在全凝器与回流管之间设置了一个特殊构造的容器。在进行分相回流时，它可以用作分相器兼回流比调节器；当进行混相回流时，它又可以单纯地作为回流比调节器使用。这样的设计既实现了连续精馏操作，又可进行间歇精馏操作。此外，需要特别说明的是在进行分相回流时，分相器中会出现两层液体。上层为富苯相、下层为富水相。实验中，富苯相由溢流口回流入塔，富水相则采出。当间歇操作时，为了保证有足够高的溢流液位，富水相可在实验结束后取出。图6-2 恒沸精馏装置图1一电热套；2进料口；3填料；4保温管； 5、8温度计；6冷凝器；7油水分离器2、实验试剂：乙醇（化学纯），含量95；苯（分析纯），含量995。四、实验步骤及方法(1)称取100g 95(质量分数)乙醇(以色谱分析数据为准)，按夹带剂的理论用量算出苯的加入量。(2) 将配制好的原料加入塔釜中，开启塔釜加热电源及塔顶冷却水。(3) 当塔顶有冷凝液时，便要注意调节回流考克，实验过程采用油相回流。(4) 每隔10分钟记录一次塔顶塔釜温度，每隔20分钟，取塔釜液相样品分析，当塔釜温度升到80时，若釜液纯度达995以上即可停止实验。(5) 取出分相器中的富水层，称重并进行分析，然后再取富含苯的油相分析其组成。称出塔釜产品的质量。(6) 切断电源，关闭冷却水，结束实验。(7) 实验中各点的组成均采用气相色谱分析法分析。五、实验数据处理要求（1）作间歇操作的全塔物料衡算，推算出塔项二元恒沸物的组成。（2）据下表的数据，画出25下，乙醇水苯三元系溶解度曲线标明恒沸物组成点画出加料线。（3）计算本实验过程的收率。 六、实验结果及讨论（1）三元恒沸物组成与文献值比较，求出其相对误差，井分析实验过程产生误差的原因。（2）根据绘制相图，对精馏过程作简要说明。（3）讨论本实验过程对乙醇收率的影响。实验七 管式反应器流动特性测定实验一、实验目的1、了解连续均相管式循环反应器的返混特性。2、分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征。3、研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n。二、实验原理在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。停留时间分布的测定方法有脉冲法、阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。由停留时间分布密度函数的物理含义，可知由此可知与示踪剂浓度成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCI作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCI浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化。 停留时间分布密度函数在概率论中有两个特征值，平均停留时间（数学期望）和方差。的表达式为： （1）的表达式为： （2）若采用无因次时间，可得无因次平均停留时间和无因次方差 （3）在测定了一个系统的停留时间分布后，如何评价其返混程度，则需要反应器模型来描述。这里我们采用的是轴向混合模型。轴向混合模型是一种适合于返混程度较小的非理想流动的流动模型，它是在平推流的基础上再迭加一个轴向混合的校正。即： （4）如写成无因次形式， 利用，则 （5）式中,称为Peclet准数，其物理意义是轴向对流流动与轴向扩散流动的相对大小，反映了返混程度。当时，对流传递速率较之扩散传递速率要慢得多，此属于全混流情况。反之，当时，即，这就变为活塞流情况。由此可见，越大，返混程度越小。也就是轴向扩散模型的模型参数。与方差之间的关系： （6）因次只要测得系统的停留时间分布，则可求出该分布的方差，利用式（6）即可求出模型参数Pe。三、 实验装置及流程 1-水箱；2-水泵；3-转子流量计；4-的进样口罐；5-进水阀；6-固定床；7-电导电极8-溢流口；四、实验步骤及方法1、准备工作(1)配好饱和KCL液体待用。(2)连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。注：管式反应器因管中装有填充物，加水时须大水量，并切冲净填充物间的气泡，不然会影响实验。(3)检查电极导线连接是否正确。2、操作(1).打开总电源开关，开启电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。调整完毕，备用。(电导仪的使用方法见该仪器使用说明书)(2)启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门(注意!初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别是死角处)。调节水流量维持在20-30升/时之间某值，直至管式反应器中充满水，并能正常地从溢流口处流出。(3)按下开始实验键后，看显示图上有显示点后将KCL液体用注射器注入反应器中。实验所需时间可以根据图形变换而定，及图象由最高点恢复到与出始点向近20秒后即可结束实验。(5)待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮保存数据文件。3、停车(1)实验完毕，连续进清水冲洗管路。反复三、四次。(2)关闭各水阀门。电源开关，将水排空。(3)退出实验程序，关闭计算机。实验八 连续均相管