连续流动反应器的返混测定难点.doc

实验一 连续流动反应器的返混测定A实验目的本实验通过三釜反应器与平推流反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的措施。掌握停留时间分布的测定方法。了解停留时间分布与多釜串联模型地关系。了解模型参数n的物理意义及计算方法。B实验原理在本实验通过三釜反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称之返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应关系，因此不能用停留时间分布的实验数据直接表示返混程度，而要借助数学模型来间接表达。物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数(t)和停留时间分布函数F(t)。停留时间分布密度函数(t) 物理意义是：同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到tdt间的流体粒子所占的分率dN/N为(t)dt。停留时间分布函数F(t) 物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测物料浓度变化。停留时间分布密度函数(t) 物理含义，可知 (t)dt=VC(t)dt/Q Q= 所以 (t)dt= 由此可见(t)与示踪剂浓度C(t)成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl浓度与电导成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即(t) L(t)，这里L(t)Lt-L，L(t)为t时刻的电导值，L为无示踪剂时的电导值。停留时间分布密度函数(t)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：(t)dt 采用离散形式表达，并取相同时间间隔t,则： 的表达式为： 也用离散形式表达，并取相同时间间隔t,则： 若用无量纲对比时间来表示，即 无量纲方差在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评价其返混程度，则需要用反应器模型来描述。这里我们采用多釜串联模型。所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个全混多釜串联的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反应器个数，n称模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无量纲方差与模型参数n存在关系为：当n1，为全混釜特征； 当n，为平推流特征；这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。C预习与思考为什么返混与停留时间分布不是一一对应的？为什么又可通过测定停留时间分布来研究返混呢？测定停留时间分布方法有那些？本实验采用哪种方法？何谓返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有那些？何谓示踪剂？有何要求？本实验用什么作示踪剂？模型参数与实验中反应釜个数有何不同？为什么？E实验仪器使用方法（1） 打开总电源开关，打开水位控制开关，开启入水阀门。当水位指示绿灯亮后，关小入水阀门，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30升/时，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流出。（2） 分别开启釜1、釜2、釜3搅拌马达开关，后再旋转调节马达转速的旋钮，使三釜搅拌程度大致相同（电流表指示在3540V之间）。开启电磁阀开关和电导仪总开关，再分别开启三个电导仪开关，将拨钮扳至“校正”位置，调节下方电位器使电导仪表针指示为满刻度1.0。至此，调整完毕，将拨钮扳至“测量”位置，准备测量。（ 电导仪的使用方法见该仪器使用说明书）（3） 开启计算机电源，在桌面上双击“多釜返混实验FH-3”图标，在主画面上按下“实验流程”按钮，调节“示踪剂量”、“进水流量”，使显示值为实际实验值，在操作员号框中输入自己对应号码（前三位必须是英文字母或数字）。（4） 按下“趋势图”按钮，调节“实验周期”、“阀开时间”，使显示值为实验所需值（推荐实验周期2530分钟，阀开时间1.6秒），按下开始按钮，开始采集数据。（5） 待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮，待按钮抬起后，将该数据文件（路径为D：/FH-3/DATA/*.XXX，其中“XXX”为操作员号中的前三位）保存到数据盘。实验四：渗透汽化实验一 实验目的1 了解渗透汽化膜分离的工艺原理与过程;2 熟悉渗透汽膜分离的操作;3 基本掌握分离性能的影响因素。二 实验原理与特点渗透汽化是一种通过致密高分子膜有选择性分离和富集有机物溶液中某一组分的新型膜分离过程。在渗透汽化过程中，首先是易渗透组份分子溶解或吸附于膜上游表面，然后扩散通过膜再从膜的下游解吸，其原理见图1。在过程中发生了相变：膜上游侧的液体通过膜变成膜下游侧的汽体，也是渗透汽化名称的由来。 渗透汽化分离过程和反渗透有相似的传质过程。其与反渗透不同点在于：渗透汽化过程存在相变，渗透汽化膜的下游是负压。因此渗透汽化在操作中必须不断加入能量，其大小至少相当于透过物潜热的热量。渗透汽化的评价指标（1）分离因子a和，其定义如下：a=c(1c)/c(1c)= c/cc为优先渗透组份在渗透物中质量分数c为优先渗透组份在原料混合物中质量分数（2）渗透通量J：单位时间内通过单位膜面积的渗透量，单位为kg/m2h或g/m2h。（3）通量计算：J( W/ St)x60式中： W样品量，g ;S 膜面积，m2;t取样时间，min。料液温度，膜下游压力，料液浓度及料液的循环量对分离因子和渗透通量均有较明显的影响。渗透汽化的应用，渗透汽化过程以其独具的优点在化工和其他行业中引起了极大的兴趣。主要用于乙醇或异丙醇脱水，酮类、醚类、酯类等溶剂脱水。我国渗透汽化的研究工作起步较晚，在80年代初期开始该过程的开发研究，目前处于实验室研究和中试阶段。三 实验流程主要设备及实验物料实验流程见图2，主要设备膜池示意图如图3，电源220V，50Hz，功率2KW。实验用物料：（a）异丙醇，95化学纯，500mlx4;（b）液氮，3L。四 实验方法及操作1 将料液加入溶液贮罐10中任何一个，用隔膜泵输送，转子流量计6计量，进入渗透汽化膜池12，进行渗透汽化分离，未透过液回到装料液的贮罐中继续循环；膜下游抽真空，透过物在真空下进入。置于冷阱中的扑集器冷凝并收集。实验中料液浓度和渗透液样品的浓度测定均采用气相色谱仪。本实验测定料液温度与分离因子的关系，即改变料液的温度，其他条件（膜前后压差、操作时间、流量等）不变，测渗透汽化产物中异丙醇和水的含量，得出一条分离因子随温度变化的关系曲线。2 实验操作步骤：（1） 将待处理的料液2L倒入料液贮罐10中的任何一个。（2） 启动循环泵，使料液循环。（3） 打开罐加热电源调节电流为2A，对料液加热，并同时设定加热温度为30。（4） 当料液在循环条件下达到预定温度时，取料液样品2ml待分析。（5） 将干燥的扑集器14装好，装上冷阱18，开始计时。（6） 运转40分钟，立即同时将两个三通阀切换至另一个扑集器，取下有样品的冷阱，待扑集器中样品全部溶化为液体，取下扑集器，用预无备好的胶塞塞紧管口，以防样品损失。（7） 取渗透汽化液样品进行色谱分析。（8） 将操作条件及分结果填入表1。 表1 实验条件及数据实验序号温度（）渗透液中异丙醇质量分数（%）渗透液中水的质量分数（%）备注13026.8173.1923712.6887.203468.0092.004553.7896.22实验条件1） 有效膜面积：4.65x10-3m2;2） 膜后真空度：10kpa;3） 膜前后压差：3050pa;4） 异丙醇料液浓度：85.24。3、色谱分析条件 热导检测器温度120，桥流100mA,色谱柱3mm不锈钢管，长1.5m，葵二酸/GDX102。汽化器150，柱前压力0.06Mpa，载气为H2，双组分谱图如下：五、数据处理与讨论1、 数据处理结果见表2，图4。 表2 实验数据处理结果实验序号温度渗透液中水的质量分数（%）分离因子备注13073.1915.823787.2039.334692.0066.445596.22102.52、分离因子与温度的关系曲线如图4。3、计算举例 分离固子 a=c(1c)/c(1c)以第2组数据为例： a=0.872（10.1476）/0.1476（10.872）39.34、实验结果与问题讨论（1） 实验结果的讨论：从实验结果可以看出，随温度的增加其分离因子也随之增加，说明渗透组分水的活化能较小。（2） 如果实验拟测定温度对渗透通量J的影响，那么实验需取哪些数据，如何操作。由渗透通量的计算式J( W/ St)x60可以清楚地看出，S为膜有效面积，对于固定的膜池设备，S为一定值，即4.65x103m2，t为实验时间，单位为分钟，关键数据为样品质量 W。实验中取得 W的方法：用天平称得取样前后扑集器的质量，两者之差即为 W。实验六 反应精馏法制备乙酸乙酯（一）实验目的 1. 了解反应精馏工艺过程的特点,增强工艺与工程相结合的观念. 2. 掌握反应精馏装置的操作控制方法,学会通过观察反应精馏塔内的温度分布,判断浓度的变化趋势,采取正确调控手段。 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. 获得反应精馏法制甲缩醛的最优工艺条件，明确主要影响因素。（二）实验原理 反应精馏过程不同于一般精馏，它既有物理相变之传递现象，又有化学反应现象。二者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下面两种情况特别适用：（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或高沸点物质存在，则精馏过程可使其连续的从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因它们的沸点接近，靠一般精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。本实验以乙醇与乙酸缩合生产乙酸乙酯的反应为对象进行反应精馏工艺研究。采用反应精馏技术还具有特点：（1） 在合理的工艺及设备条件下，可从塔顶直接获得合格的乙酸乙酯产品。（2） 反应和分离在同一设备中进行，可节省设备费用和操作费用。（3） 反应热直接用于精馏过程，可降低能耗。（4） 由于精馏的提浓作用，对原料浓度要求降低。本实验采用连续反应精馏装置，考察原料的配比、催化剂浓度、回流比等因素对塔顶产物的纯度和生成速率的影响，谷优选出最佳的工艺条件。实验中，各因素水平变化的范围是：甲醛溶液浓度（质量百分数）1238，甲醛：甲醇（摩尔比）为1：81：2，催化剂质量百分数13，回流比515。 全过程可用物料衡算式和热量衡算式描述：Vj，yij Lj-1,xij-1 （1）物料衡算方程 对第j块理论板上的i组分进行物料衡算： Lj1Xi，j1Vj1Yi，j1FjZj，iRi，jVjYi，jLjXi，j （2）气液平衡方程 对平衡级上某组分i有如下平衡关系： KijXijYij0 每块板上组成的总和应符合下式：Vj+1，yij+1 Lj,xij （3）反应速率方程 RijKjPj （4）热量衡算方程 Lj-1,hij-1 Vj+1Hj+1FjHrjRjHrjVjHjLjhjQ0（三）实验装置TI测温 TCI控温1.升降台 2.加热包 3.塔釜 4.塔保温套 5.玻璃塔体 6.填料7.取样口 8.预热器 9.塔头 10.电磁铁 11.加料口12.进料泵 13.加料罐 14.馏出液出集瓶 反应精馏塔用玻璃制成。直径20mm，塔高1500mm，塔内填装22mm不锈钢填料（316L）。塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜为一玻璃容器并有电加热器加热。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、回流比计数拨码电子仪表组成。 所用的试剂有乙醇、乙酸、浓硫酸。（四）实验步骤 间歇操作 将乙醇、乙酸各80g，浓硫酸6滴约0.24g倒入塔釜内，开启釜加热系统。开启塔身保温电源。待塔身有蒸气上升时，开启塔顶冷凝水。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。30分钟后，用微量注射器在塔身三个不同高度取样，应尽量保证同步。分别将0.25L样品注入色谱分析仪，记录结果。注射器用后应用蒸馏水、丙酮清洗，以备后用。重复3、4步操作。关闭塔釜及塔身加热电源及冷凝水。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1. 原料：乙醇（分析纯）80.42g；乙酸（分析纯）80.12g；浓硫酸6滴0.24g色谱分析条件：载气1柱前压0.05MPa 30ml/min载气2柱前压0.05MPa 桥电流100 讯号衰减1柱温130， 汽化130， 检测130最小面积1000， thresholds50， width0.504组分质量校正因子fi水0.549乙醇1乙酸乙酯1.109乙酸1.225进样量0.25L2. 对侧线产品的色谱分析对塔釜加热15分钟后，把回流比调到3：1，每半小时取样分析：时间/min塔顶温度/釜温/取样口高度/mm物质Ret.Time/sArea%W%3073.277.7350水0.3338.7504.65乙醇0.73725.56024.77乙酸乙酯2.53365.69070.58670水0.2608.3504.42乙醇0.66023.33522.51乙酸乙酯2.38068.31573.07890水0.3007.9344.19乙醇0.70723.28922.41乙酸乙酯2047368.77873.396073.380.9350水0.2308.6474.59乙醇0.63724.88224.08乙酸乙酯2.46366.47171.33670水0.3078.4054.45乙醇0.73023.48622.65乙酸乙酯2.60768.10972.90890水0.2208.2634.37乙醇0.64322.17821.35乙酸乙酯2.47069.55974.28计算示例：（以第一组的350mm为例）水的含量1004.65乙醇的含量10024.77乙酸乙酯的含量10070.583.对最终塔顶塔底产品的色谱分析（1）塔顶产品 塔顶产品的质量180.1085.6794.43g物质Ret.Time/sAreaW水0.2509.0544.80乙醇0.68320.05719.35乙酸乙酯2.52770.88975.85（2）塔釜产品 塔釜产品的质量137.5878.2959.29g物质Ret.Time/sAreaW水0.28334.52820.66乙醇0.72023.63625.76乙酸乙酯2.19317.98421.74乙酸2.86023.85231.844.转化率转化率【乙酸加料量釜残液乙酸量】/乙酸加料量 10076.445.收率 收率10010071.926.物料衡算 （1）塔顶产品中，水：94.430.0484.53g 乙醇：94.430.195318.44g 乙酸乙酯：94.430.758571.63g （2）塔釜产品中，水：59.290.206612.25g 乙醇：59.290.257615.27g 乙酸乙酯：59.290.217412.89g 乙酸：59.290.318418.88g 反应中产生的乙酸乙酯71.6312.8984.52g 消耗的乙醇4644.18g 消耗的乙酸6057.63g 理论上剩余乙醇80.4244.1836.24g 实际剩余乙醇18.4415.2733.71g 所以乙醇基本衡算； 理论上剩余乙酸80.1257.6322.49g 实际剩余乙酸18.88g 所以乙酸基本衡算。 原料总质量80.4280.12160.54g 产物总质量94.4359.29153.72g 所以总质量基本衡算。（六）思考题1、 怎样提高酯化收率？答：对于酯化反应CH3COOH+C2H5OH CH3COOC2H5H2O，为可逆平衡反应，一般情况下，反应受平衡的影响，转化率受平衡影响只能维持在平衡转化的附近；但是可以通过减小一种反应生成物的浓度，使平衡向有利于提高转化率的方向进行。反应精馏可以使生成物中高沸点或者低沸点物质从系统中连续的排出，使结果超过平衡转化率，大大提高效率。2、 不同回流比对产物分布有何影响？答：当回流比增大时，乙酸乙酯的浓度比回流比小时要大，但当回流比过大时，传质推动力减小，理论塔板数增大，需要的投资增加。3、 加料摩尔比应保持多少为最佳？答：此反应原料反应摩尔比为1:1，为加大反应的转化率通常使某种组分过量，因此在此反应中使乙醇过量，而且乙醇的沸点较低，容易随产物被蒸出，所以加入乙醇的摩尔数应该大于乙酸的摩尔数，比例约为2:1。（七）实验讨论1. 该反应先进行15分钟的全回流操作，目的是润湿塔内填料，为后面进行更全面的传质。2. 取样时三个取样口一定要同时进行，这样色谱分析的结果才有可比性。3. 由数据可以看出，随着塔高度的增加，样品中乙酸乙酯的含量是递增的；乙醇和水的量都递减。因为酯、水和乙醇三元恒沸物的沸点低于乙醇和乙酸的沸点。实验七 异丙醇脱氢法合成丙酮1.实验目的（1）掌握非均相催化脱氢化反应的原理和影响反应转化率和收率的因素；（2）掌握换热式固定反应器的特点及应用；（3）熟悉异丙醇脱氢法合成丙酮的工艺过程；（4）熟悉原料与产品的分析方法；（5）熟悉常见温度、压力及流量仪表在化工过程的应用。2.实验原理2.1丙酮及异丙醇的性质丙酮(一般工厂俗称ACE)，CH3COCH3，分子量58.08，密度：在25时比重0.788，熔点:-94，沸点:56.48，闪点:-17.78(闭杯)，又名二甲基甲酮，为最简单的饱和酮。一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味。易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等有机溶剂。易燃、易挥发，化学性质较活泼。丙酮是一种重要的有机化工原料，用于生产甲基丙烯酸甲酯等，丙酮也是用途广泛的溶剂。异丙醇（CH3）2CHOH是无色透明可燃性液体，有与乙醇、丙酮混合物相似的气味。比重0.7851、熔点88、沸 82.5。异丙醇能溶于水、醇、醚、氯仿。蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限3.810.2%(体积)。与水能形成共沸物。用于制取丙酮、二异丙醚、醋酸异丙酯和麝香草酚等；用于防冻剂、快干油等，更可作树脂、香精油等溶剂；也可用作涂料，松香水，混合脂等方面。2.2丙酮的生产方法主要有异丙醇法、异丙苯法、发酵法、乙炔水合法和丙烯直接氧化法。目前世界上丙酮的工业生产以异丙苯法为主。世界上三分之二的丙酮是制备苯酚的副产品，是异丙苯氧化后的产物之一。2.3异丙醇脱氢法异丙醇催化脱氢生成丙酮的反应：主反应：(CH3)2CHOH(CH3)2CO+H2副反应：(CH3)2CHOH+(CH3)2CO(CH3)3CHCH2CO+H2O 2(CH3)2CHOH(CH3)2CHOCH(CH3)2+H2O脱氢反应是脱氢催化剂（Dehydrogenation catalysts）下进行的气固相催化反应，且反应是吸热的。所用催化剂有铜、银、铂、钯等金属以及过渡金属的硫化物，负载于惰性载体上，反应在管式反应器中进行，温度400600。在使用氧化锌-氧化锆、铜-铬氧化物或铜-二氧化硅催化剂时，脱氢温度降低为300500。也有的采用二段反应，以提高收率。以异丙醇计丙酮收率为90，此法开发较早，目前在丙酮生产中尚占有一定的地位。3.实验装置流程及试剂3.1装置本装置由四部分构成。第一部分是加料及预热系统。由加料泵汽化预热器、温度显示仪表等组成。第二部分为反应系统。由管式反应器、加热炉、温度控制器和显示仪表等组成。第三部分为取样和分析系统。包括六通阀、产品收集器和在线气相色谱仪等组成。第四部分精馏分离系统。由多个侧线的精馏塔（填料塔）、塔釜、塔头及温度控制、显示，回流比调节装置等组成。3.2、流程实验流程见附图.3.3试剂和催化剂异丙醇，优级纯。催化剂：试验装置生产厂家提供。4.实验步骤开始实验前，必须熟悉流程中所有设备、仪器、仪表的性能及使用方法。然后方可按实验步骤进行实验。4.1.有关装置容器的称重准确称量冷凝器和气液分离器的质量，为后面数据处理提供条件。4.2.催化剂装填与系统试漏（1）催化剂装填松开反应器的下部热电偶套管密封件，拆去下部出口与分离器连接接头和上部预热器连接接头，卸开大螺帽将反应器从加热炉上部拉出，再卸下反应器上部大螺帽，上部朝下用铁丝拉出玻璃棉，倒出催化剂，取出套管和支撑架，用丙酮或乙醇清洗干