化工专业实验指导书.doc

1 / 75 化工专业实验指导书化工专业实验指导书 北方民族大学化学与化学工程学院 2 / 75 目目 录录 实验一 催化反应精馏法制乙酸乙酯.1 实验二 乙醇脱水反应研究实验.8 实验三 中空纤维超过滤膜分离实验.16 实验四 二元系统气液平衡数据的测定.23 实验五 三釜串联停留时间分布测定.26 实验六 十二烷基苯磺酸钠的合成（磺化反应）.32 实验七 2,4-二硝基苯酚的制备（羟基化反应）.38 实验八 超临界 CO2萃取实验.42 实验九 煤的工业分析实验.47 实验十 煤炭发热量测定实验.49 实验十一 内压薄壁容器的应力测定实验.56 实验十二 外压薄壁圆筒形容器失稳实验.62 实验十三 厚壁圆筒爆破实验.65 实验十四 用废旧铝制品制备超细 AL(OH)3粉体 . 实验十五 实验十六 附录 1：实验报告的封面.70 3 / 75 附录 2：实验报告的要求.71 0 / 75 实验一实验一 催化反应精馏法制乙酸乙酯催化反应精馏法制乙酸乙酯 一、实验目的一、实验目的 1、了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程，是反应和分离 过程的复合，通过实验数据和结果，了解反应精馏技术比常规反应技术在成本和操作上的 优越性。 2、了解玻璃精馏塔的构造和原理，学习反应精馏玻璃塔的使用和操作，掌握反应精馏 操作的原理和步骤。 3、学习用反应工程原理和精馏塔原理，对精馏过程做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，掌握反应精馏法适宜的物系。 5、学习气相色谱的原理和使用方法，学会用气相色谱分析塔内物料的组成，了解气相 色谱分析条件的选择和确定方法，并学习根据出峰情况来改变色谱条件。 6、学习用色谱分析，进行定量和定性的方法，学会求取液相分析物校正因子及计算含 量的方法和步骤。了解气相色谱仪以及热导池检测器的原理，了解分离条件的选择和确定。 二、实验原理二、实验原理 1、反应精馏原理 反应精馏是随着精馏技术的不断发展与完善，而发展起来的一种新型分离技术。通过 对精馏塔进行特殊改造或设计后，采用不同形式的催化剂，可以使某些反应在精馏塔中进 行，并同时进行产物和原料的精馏分离，是精馏技术中的一个特殊领域。 本实验为乙醇和乙酸的酯化反应，一般情况下，反应受平衡影响，转化率最大只能是 平衡转化率，而实际反应中只能维持在低于平衡转化率的水平。而在精馏塔中进行的酯化 反应，往往因为生成物中有低沸点或高沸点物质存在，而多数会和水形成最低共沸物，从 而可以从精馏塔顶连续不断的从系统中排出，使塔中的化学平衡发生变化，永远达不到化 学平衡，从而导致反应不断进行，不断向右移动，最终的结果是反应原料的总体转化率超 过平衡转化率，大大提高了反应效率和能量消耗。同时由于在反应过程中也发生了物质分 离，也就减少了后续工序分离的步骤和消耗，在反应中也就可以采用近似理论反应比的配 1 / 75 料组成，既降低了原料的消耗，又减少了精馏分离产品的处理量。 乙醇和乙酸的酯化反应精馏的催化剂用浓硫酸，是由于其催化作用不受塔内温度限制， 在全塔内都能进行催化反应。反应的化学方程式为 OHCHCOOCHCHOHCHCHCOOHCH 2323233 2. 应精馏塔原理 反应精馏塔用玻璃制成。直径 2025mm，塔总高约 1400mm，填料高度约 1300mm， 塔内装 2.5*2.5 不锈钢 网环型填料（316L） 。 塔身分两段，上面是精馏段，下面是提馏段，长度各为 700mm。全塔有 5 个取样口， 也可以当进样口使用。取样口在常压操作时使用，里面用硅胶垫密封，每取样 20 次以上应 根据密封情况，检查是否需要更换。塔身外壁镀有半导体金属膜，用于控制塔身的散热， 并尽可能保持塔身和环境为绝热状态，保温电流能使塔身的半导体加热保温。加热温度的 设定需要根据实验物系的性质决定，由仪表来控制加热的温度，加热电流可以用仪表或手 动来调节，一般为 0.150.3A。通常可以设定保温的温度比塔内的温度低 512。仪表采 用 AI708 型，可以参加仪表使用说明书来调节或改变仪表设置，精馏段和提馏段各使用一 块仪表加热。 塔内蒸汽到达塔顶后被冷凝器冷凝，顶气相的温度由仪表显示。塔顶冷凝采用自来水， 冷凝液体进入塔顶回流头，采用摆动式回流比控制器操作，一部分液体被从右面采出进入 到塔顶储罐，另一部分进入到塔内回流。回流比由仪表面板的回流比控制器控制，实验中 一般为 35，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。 本实验是间歇式反应精馏，在 500ml 间歇塔釜一次性加入原料的混合物和催化剂，然 后加热到反应温度进行反应。通常乙醇的摩尔数和乙酸摩尔数比为 1.031.05:1.0，浓硫酸 加入量按应加入乙酸理论重量的比例加入，一般在 0.20.3%（wt） ，加入量越大，反应速 度越快。反应完全发生在塔釜内，反应生成的产物在塔内发生分离，轻组分乙酸乙酯和水 的共沸物不断向上移动，并最终从塔顶排出。而塔釜内的乙醇和乙酸，随着反应的进行， 浓度不断减少，水量不断增加，反应温度也开始慢慢升高。最后，在塔顶得到的都是含水 的乙酸乙酯，有时候能自己分层，但通常是加入少量的水，使它们分层，上层就是乙酸乙 酯，下层为含少量乙酸乙酯的水。 3. 色谱分析原理 产物的分析由于比较复杂，含有多种成分，一般不能用滴定或折光仪分析，而采用气 2 / 75 相色谱法。实验所用的色谱柱固定相为 101 白色担体，固定液为邻苯二甲酸二壬酯，固定 液含量一般为 10%。需要测定的样品分别为乙醇、乙酸、水和乙酸乙酯，色谱采用热导池 检测器，出峰顺序为水、乙醇、乙酸、乙酸乙酯。汽化室温度 150，柱箱温度 130140， 检测器温度 150，桥电流 140mA，衰减 1，进样量 0.2l。 全塔物料总平衡如图所示 物料平衡方程如下： 对第 j 块理论板上的 i 组分进行物料衡算如下： Lj-1Xi,j-1+Vj+1Yi,j+1+FjZj,i+Ri,j=VjYi,j+LjXi,j 2jn，i=1,2,3,4 (1) （1）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) 每块板上组成的总和应符合下式： (3) n i ji n i ji XY 1 , 1 , 1; 1 （2）反应速率方程 (4) 52 , , , 10)( jiji ji jjji XQ X PKR V2 V2 L1 L2 Vj Lj D Vj,yi.jLj-1 xi,j-1 Vj+1 yi,j-1 Lj,xi,j 3 / 75 式（4）指原料中各组分的浓度相等条件下才能成立，否则应予修正。 （3）热量衡算方程 对平衡级上进行热量衡算，最终得到下式： Lj-1hj-1-VjHj-Ljhj+Vi+1Hj+1+FjHrj-Qj+RjHrj=0 (5) 式中： Fjj 板进料流量 hjj 板上液体焓值 Hjj 板上气体焓值 Hrjj 板上反应热焓值 Ljj 板下降液体量 Ki,ji 组分的汽液平衡常数 Pjj 板上液体混合物体积（持液量） Ri,j单位时间 j 板上单位液体体积内 i 组分反应量 Vjj 板上升蒸汽量 Xi,jj 板上组分 i 的液相摩尔分数 Yi,jj 板上组分 i 的气相摩尔分数 Zi,jj 板上 i 组分的原料组成 i,j反应混合物 i 组分在 j 板上的体积 Qjj 板上冷却或加热的热量 三、 装置及试剂装置及试剂 1、装置 玻璃精馏塔，天平，烧杯，量筒，胶头滴管，三角烧瓶，分液漏斗，气相色谱（TCD） ， 色谱工作站。 2、 试剂 无水乙醇（分析纯） ，含量 99.0%；冰乙酸（分析纯） ，含量 99.0%；乙酸乙酯（分析 纯） ，含量 99.0%；浓硫酸（化学纯） ，含量98.0% 四、 实验步骤实验步骤 1、打开色谱载气的氢气发生器。调节氢气减压阀的压力为 0.2Mpa，检查色谱后面的 稳压阀是否打开并调到合适位置？此时，色谱仪前面的两个压力表应该能调节到 0.15Mpa 左右。 2、在用皂沫确定色谱柱两个尾气出口都有气体后，打开启色谱仪主开关。调节面板上 的两个载气压力调节阀，使两路色谱柱的载气 H2 流量为 2530ml/min，可以用皂沫流量计 和秒表来测定出口处的流量，一般应使两路的流量基本相同。 4 / 75 3、调节完毕载气速度后，分别打开柱温、汽化器、检测器加热开关，然后按下柱温设 定的琴键开关，调节旋钮，使显示窗口的柱温设定为 140（可以根据出峰分离情况来调 节） ，然后可以将琴键开关切换到显示状态，此时，能观察到色谱柱箱的温度会快速升高， 否则，应按色谱使用说明书检查色谱保险和加热电路。 4、设定气化室温度为 140，检测器温度为 150，打开桥电流开关，并调节旋钮， 使桥电流为 140mA，信号衰减为 1。色谱柱、汽化器、检测器的温度都稳定后，再用秒表 和皂沫流量计准确测定色谱柱载气出口气体流量，并记录室温。在标准压力表上读出柱前 压。 5、开色谱记录仪或色谱工作站（根据用户自己的配置情况） ，调节色谱面板下面的调 零旋钮，此时，记录仪或色谱工作站的指针或读数应发生变化。待色谱仪基线稳定后，调 节基线的位置在“0”以上。 6、分别用量筒大约量取 110ml 乙酸(99.5%)和 120ml 乙醇(99.7%)加入到 250ml 烧杯中， 并在天平上用滴管加入直到 乙酸为 120.0 克，乙醇为 96.0 克，用滴管在乙酸中加入浓硫酸 2030 滴，然后把乙醇和乙酸一起加入到 500ml 的塔釜中。 7、打开塔顶冷却水，观察是否有水？如果正常，则打开控制柜加热开关，分别打开塔 釜、精馏段、提馏段加热控制温度仪表，并设定塔釜加热温度为 95，精馏段和提馏段加 热保温温度为 80。调节塔釜加热电流为 0.3A，保温电流暂时不打开。记录实验开始的时 间，每隔 15 或 30 分钟记录各种实验数据一次。 8、分别准确称取 33、8、40、20 克左右的蒸馏水、分析纯乙醇、分析纯乙酸、分析纯 乙酸乙酯，混合后用气相色谱分析，并最少分析三次，用于计算每个组分的校正因子。 9、在塔釜温度达到 60时，开始慢慢调节保温加热电流，精馏段为 0.15A、提馏段 0.20A，注意不同季节和环境温度，可以适当改变加热电流的大小。 10、在塔顶开始回流后，保持全回流 15 分钟，使塔内填料被充分润湿。打开回流比开 关，设置回流比为 3，此时，能观察到回流头的摆锤开始来回摆动，有液体开始流到塔顶 产品储罐中，保持这个回流比操作 30 分钟，然后把回流比改成 5。 11、在塔釜温度开始从 74左右突然开始升高时，反应可能接近终点。在塔釜内的液 面不能足够循环时，可以停止采出，把回流比关闭，使塔为全回流操作，关闭塔身保温加 热电流，将仪表温度设定为室温。关闭塔釜加热仪表，将加热电流调节调节到零。 12、将塔顶储罐的产品倒入到烧杯里，加入 100ml 蒸馏水，充分震荡，然后加入到分 液漏斗中，放置在试管架上静止分离 2030 分钟。仔细放出分液漏斗下部的水准确称重， 5 / 75 然后将上部的产品乙酸乙酯也准确称重，分别用色谱进行分析。最少重复两次。 13、等待 15 分钟使塔内液体完全流回到釜内，待釜液温度降低到 40时，可以打开 塔釜，将釜内液体准确称重，并用色谱进行分析。 14、停止通冷却水。在分析完毕后，首先关闭桥电流和色谱检测器加热，再关闭汽化 器加热。等检测器温度降到 7090以下时，再关闭色谱载气和柱箱加热。关闭色谱仪， 关闭氢气钢瓶减压阀，并等减压阀压力为零时，再关闭钢瓶总阀。将产品废液收集到废液 瓶中，清洗各种玻璃仪器，结束全部实验。 五、实验数据及处理五、实验数据及处理 根据实验情况，记录数据如下，室温 25，大气压力 760.0mmHg。分析用气相色谱为 双气路 910T 型。使用热导池检测器，分析数据用色谱工作站处理。 表一：色谱分析条件原始数据记录表 室温() 室内压力(Mpa) 色谱箱温度 汽化器温度 检测器温度 桥电流 mA 信号衰减 表二：色谱分析标样混合物组成 x 原始记录表 i 组分 项目 水（ min） 乙醇( min) 乙酸( min) 乙酸乙酯 ( min) 标样重量 W （克） i x (重量 W %） ii 第一次分析 A % i 6 / 75 第二次分析 A % i 第三次分析 A % i 表三：反应温度原始记录表 时间（min）塔釜温度塔顶温度精馏段温度提馏段温度 0 30 60 75 90 105 120 135 表四：馏出物组成原始数据表 组分 取样位置 水面积含量% 乙醇面积含量%乙酸面积含量%乙酸乙酯 面积含量% 塔顶产品（第一次分析） 塔顶产品（第二次分析） 塔釜液相（第一次分析） 塔釜液相（第二次分析） 塔顶水相（第一次分析） 7 / 75 塔顶水相（第二次分析） 表五：实验结果数据记录表 塔釜产品重量（克）塔顶产品重量（克）塔顶水相重量（克） 六、思考题六、思考题 1、怎样改变色谱分析条件，才能使分析的峰形最好？ 2、反应精馏的原料转化率和收率受那些因素影响？如何改变实验条件才能尽可能提高 转化率和收率？ 3、怎样对反应精馏塔做物料衡算？试举例说明。 4、与常规反应和精馏相比，反应精馏有什么优点？试从工艺和能耗两方面分析。 实验二实验二 乙醇脱水反应研究实验乙醇脱水反应研究实验 一、实验目的：一、实验目的： 掌握乙醇脱水实验的反应过程和反应机理、特点，了解副反应和生成副产物的过 程。 学习气固相管式催化反应器的构造、原理和使用方法，学习反应器正常操作和安 装，掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。 学习自动控制仪表的使用，如何设定温度和加热电流大小。怎样控制床层温度分 布。 学习气体在线分析的方法和定性、定量分析，学习如何手动进样分析液体成分。 了解气相色谱的原理和构造，掌握色谱的正常使用和分析条件选择。 学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法，学会使用湿式流量计测量流体流量。 二、实验原理：二、实验原理： 乙醚是一种应用广泛的化工产品。目前，在工业生产中主要是用硫酸作用下催化乙醇 脱水的方法制备。但是这种方法存在着一定的缺陷，如，劳动强度大、设备腐蚀严重、产 品酸度高需要进行碱中和、对环境污染严重，使生产成本提高等1。这些问题引起了化工 学者的关注，着手开发可以取代硫酸的新型催化剂体系。 8 / 75 目前，国内国外已有大量关于乙醇脱水制乙醚固体催化剂研究开发的科技报道。经过 化工学者的努力已有一部分理想的催化剂投入到乙醚的工业生产中去，且实际使用情况非 常好，基本上解决了硫酸催化乙醇脱水制乙醚所带来的生产问题，显示出了很高的实际应 用价值，使工业生产简单化，给工业化生产乙醚带来了革命性的曙光。 当今，乙醚的工业生产方法主要采用乙醇硫酸脱水法，乙醇氧化铝催化脱水法和乙烯 水合生产乙醇副产乙醚法。国外主要采用乙烯水合法，其次采用乙醇氧化铝催化脱水法来 弥补。 乙醇硫酸法： 2CH3CH2OH H2SO4 CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O 140 反应温度不得超过170，否则产生乙烯，工业上用乙醇脱水法制乙醚，常用氧化铝作为催 化剂，在300左右进行脱水反应 （乙醇氧化铝催化脱水法） Al2O3 2CH3CH2OH CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O 300 催化剂简介（ZSM-5 分子筛）： 取 1.0L 水玻璃长岭炼油化工厂催化剂厂生产，SiO2含量 250g/L,Na2O78.4g/L,密度 （20）1.259g/ml加热至 100，向其中加入 21.0g ZSM 一 5 分子筛齐鲁石化公司周村催 化剂厂生产，相对结晶度 90%，硅铝比 60，干基含量 90%（质量分数）并搅拌均匀; 76.5ml 硫酸铝溶液（长岭炼油化工厂催化剂厂生产，Al2O3含量 92.7g/L,d204=1.198）和 175.7ml 稀硫酸（质量分数 56%，d204 =1.192）所组成的酸化硫酸铝溶液，在搅拌下加入到 上述已加热的水玻璃中制成反应混合物，所得物料总体积为 1260ml，将该反应混合物装如 反应釜，于 180下搅拌、干燥后，得 ZSM 一 5 产品 170g（干基） ，其相对结晶度 95%,热 崩塌温度 1105，BET 比表面 354m2/g,单釜产量增加了 1.7 倍 9 / 75 ZMS-5沸石是一类具有独特孔道结构形状的沸石，它与熟知的大孔八面沸石的孔道 不同，它们具有非常好的催化选择性和高的热稳定性，ZSM-5沸石属高硅五元环形沸石， 其基本结构有八个五元环，组成这种基本结构单元，通过共边界成链状结构，然后再围成 沸石骨架。 ZSM-5晶体属理想的斜方晶系，空间群Pnma,晶格常数为：a=2.01nm ,b=1.99nm, c=1.34nm ,也发现有单斜对称的Na型的单晶包组成的为 NanAlnSai96-nO.16H2o,n代表晶包 中的铝原子数，可以从0-20左右，经过高温容烧或某些化学处理，ZMS-5沸石的晶体对称 性有可能降低，其晶体结构可由正交晶系转变成单斜晶系。 ZSM-5 分子筛的催化性能：晶体具有均匀的孔结构，孔径的大小与通常分子相当， 它们具有很大的表面积，且表面极性很高，一些具有催化活性的金属可以通过交换进入 ZSM-5分子筛的内部，然后还原为金属元素状态，可获得较高的分散度，同时ZSM-5分子 筛骨架结构的稳定性很高。这些结构性质，是分子筛不仅成为优良的吸附剂，而且成为良 好的催化剂和催化剂载体，ZSM-5分子筛催化剂主要作为酸性催化剂和双功能催化剂。 对ZSM-5分子筛催化作用的广泛研究表明：在浓硫酸、卤化铝和无定形硅酸铝中发生 的反应，同样可以在ZSM-5分子筛催化剂上进行。ZSM-5分子筛催化的显著特点是对于许 多反应都有催化活性，就像酶催化一样，但酶催化的操作温度和PH值范围较小，而分子筛 在非常宽阔的温度范围都有催化活性，许多反应仍有很高的转化率，分子筛起到酸催化剂 的作用，分子筛不像AlCl3那样容易与反应物配合,也不像硫酸那样具有腐蚀性和容易发生磺 化和氧化反应。在分子筛上的裂解，异构化，烃基化，歧化，水合和脱水等反应均属酸催 化反应。ZSM-5分子筛作为催化剂最明显的特点是对分子的大小有很强的选择性，ZSM-5 是Zeolite Socony Mobil 的缩写是美国Socony Mobil 公司研究和开发的一系列新型合成沸石， ZSM一5是公司在20世纪60年代合成的一种目前应用最广泛的沸石。 ZSM一5沸石分子筛的晶体，具有丰富的微孔通道和孔穴，在ZSM一5分子筛中进行 的催化反应面临以下三种不同的条件和结果（即选择性）： (1) 由于大多数活性中心都已被限制在孔结构之内，所以，只有那些半径与分子筛孔径相 当（较大或略大）的反应物分子，才有可能进入孔内，并在其中的活性中心上发生反 10 / 75 应。而无法进入孔内的反应物，只有在为数很少的外表面的活性中心上反应。 (2) 只有那些进入孔后而又能再从孔中扩散出来的分子，才可能作为产品出现。当然，这 种分子也只占一部分，而其余的产物分子，或者体积较大，或裂解成堵塞孔道、或使 催化剂失活的小分子，则也不能从孔中排除作为产物出现。 (3) 某些孔内反应，因为需要形成体积较大的过度状态（或中间态）分子，由于它们受到 分子筛孔道孔穴尺寸的约束和限制，使得这些过度态的中间产物，难以在孔中形成； 反之，分子较小的过度态产物，则可以形成。 由于ZSM-5分子筛具有巨大的内表面,因此分子筛的活性中心不仅存在于分子筛表面 上，而且内表面业存在催化活性中心起到催化作用。 反应机理： 主反应：CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3+H2O 副反应：CH3CH2OHCH2CH2+H2O 在实验中，由于反应生成的产物乙醚和未反应的乙醇留在了液体冷凝器中，而其他几 个副产物都是挥发气体，进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。 对于不同的反应温度，通过计算不同的转化率和反应速率，可以得到不同反应温度下 的反应速率常数，并得到温度的关联式。 三、实验仪器和药品：三、实验仪器和药品： 乙醇脱水气固反应器，气相色谱及计算机数据采集和处理系统，精密微量液体泵。 乙醇脱水催化剂，化学纯乙醇，分析纯乙醚，蒸馏水。 四、实验步骤：四、实验步骤： 1.准备工作: (1).色谱连接: 检查作为色谱载气的氢气钢瓶或氮气钢瓶压力是否大于 2.5kgf/cm2,如果小于 2.5kgf/cm2,要更换钢瓶.检查无误后,接好色谱载气接口,处理好色谱尾气接口,检查色谱柱 的连接情况. (2).催化剂的装填: 先准备好催化剂,然后用干量筒量取催化剂 5ml,在精密天平上称重并记录.根据反应管 11 / 75 的内径,计算出 5ml 催化剂所占的高度,然后根据恒温区曲线确定其在反应管中的最好的装 填位置. 准备 2-3mm 的碎瓷环（或颗粒度较大的石英砂）,瓷环或石英砂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. 从装置上拆下反应管,在反应器底部放入少量岩棉，然后放入适量高度的瓷环或石英砂 (以确保催化剂处于恒温区的最佳位置为准),准确量取瓷环或石英砂高度并记录.再放入少量 岩棉, 将称量好的催化剂，缓慢、全部加入到反应器中，并轻微震动，然后记录催化剂高 度，确定催化剂在反应器内装填高度。再装入碎瓷环或石英砂至反应管口(切记不要填至反 应管密封口处).装填过程中可以轻轻敲打反应管外壁,以保证不出现架桥现象. 然后将反应 器顶部密封。 (3)进料泵准备及流量校正： 液体物料由进口高压微量液体泵控制。放在原料瓶中的液体物料，经过过滤器进 入倒泵进口，该泵为单柱塞泵，但有特殊专利技术，能保证液体流量的准确和稳定。 液体从泵出口经三通阀 V-5（三通阀的作用是选择排气与进料）打入到系统中 进入预热器预热。如果实验开始泵出口没有液体，而泵能正常运转，可以将三通阀转 到排气状态，然后用泵自身配备的注射器从排气口抽气，一直到有液体出来为止，然 后再将阀门扳回到进料状态。 液体的流量可以从面板上很方便的设置，读数从0.01-9.99 可任意选择，单位 ml/min。该流量不需要再进行校正，既可输送准确体积的液体。根据实验要求,设定 好流量即可,详细的泵使用说明可以参考泵使用说明书。 (4).湿式流量计准备: 把湿式流量计拆下,拧下背面的溢水口接头,从顶口处往里灌水,到溢流口刚好有水 流出,拧上接头,装回流量计,装好各配件,连好尾气出口. 2 将反应管放入到加热炉中，连接乙醇的进口，拧紧卡套。把预热器出口与反应器的进 口连接，把反应器出口与六通阀连接，并把玻璃收集瓶放在放液调节阀出口。 3. 各流程及元件安装无误, 连接良好后, 插上设备电源开关。 4.打开钢瓶开关,调节钢瓶输出压力为 0.2-0.3 Mpa,调节色谱两通道压力调节阀,控制尾气 12 / 75 流量在 20-30ml/min(用皂膜流量计和秒表校正). 5.打开装置总电源开关,按照实验要求，调整好色谱条件：载气为氮气， 柱箱温度： 140 进样器温度：140， 检测器温度：150 ，色谱柱：乙醇脱水专用（4、3m） 6.将反应器加热温度设定为 260380，预热器温度设定为 100（可以根据反应器温度 的分配情况调节）阀箱温度设定为 100。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。 7在温度达到设定值后，继续稳定 1020 分钟，然后开始加入乙醇。乙醇的加料速度为 0.51.5ml/min。 8.反应进行 20 分钟后，正式开始实验。记录湿式流量计读数，应每隔一定时间记录反应温 度，压力等实验条件。 9反应开始每隔 1020 分钟旋转六通阀进样一次，每个温度至少取两个数据，粗产品从 分离器中放入量筒内，气体排空。 10取少量液体样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。 11改变反应温度，每次提高 2030，重复上述实验步骤，则得到不同反应温度下的原 料转化率、产物乙醚收率、副产物乙烯生成速率等，并根据动力学模型，可以得到反应速 率常数。 五、实验数据记录及处理五、实验数据记录及处理 数据记录： 1、 实验中，应每隔一定时间记录反应器和预热器加热温度、催化剂床层温度。有必 要，也可以轻轻拉动反应器内的测温热电偶，测定催化剂床层的温度分布。 2、实验中，每次完成一个温度下的实验时，应记录实验前后尾气流量计的体积，同时 称量反应时间内得到的液体产物的重量，并用气相色谱进行分析。 13 / 75 3、至少分析两次所得液体产物的组成，并用校正因子校正所得的含量，对液体进行物 料恒算。 表 1：原始记录 温度/体积/ml 乙醇 时间 min预热器反应器 流量/ml/min时间/min体积/ml 201002800.52010 201003200.52010 表 2：粗产品分析结果 粗产品 水乙醇乙醚乙烯 反应温 度/ 乙醇 加入量 ml含量%质量%含量%质量%含量%质量%含量%质量% 280103.33.585.92.42.4 320105.45.576.776.213.4 数据处理： 根据记录的数据，计算出原料乙醇的转化率，产物乙醚收率，乙醇的选择性。 （取 320时的数据计算） 原料中乙醇的量 产物中乙醇的量 乙醇的转化率 = 100% 原料中乙醇的量 =23.8% 14 / 75 2生成乙醚的量（mol） 乙醇的选择性 = 100% （乙醚） 反应的乙醇量（mol） =29.2% 乙醚的收率 = 乙醇的转化率 乙醇的选择性 =6.95% 2生成乙烯的量（mol） 乙醇的选择性 = 100% （乙烯） 反应的乙醇量（mol） =22.0% 乙烯的收率 = 乙醇的转化率 乙醇的选择性 =1.4% 六、实验结果讨论六、实验结果讨论 讨论原料乙醇的转化率，产物乙醚收率，副产物乙烯含率，乙醇的选择性等参数 随反应温度变化的规律，并作图表示。 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。 七、问答题七、问答题 反应转化率的提高和那些因素有关系？ 应如何提高反应的选择性？怎样使反应的平衡向有利于产物乙醚生成的方向发展？ 15 / 75 如何使用和改变气相色谱的条件？怎样确定最适宜的分析条件？ 怎样对液体产物进行定性和定量分析？如何求取校正因子？ 怎样对整个反应过程进行物料恒算？应该注意那些问题？ 实验中，那些简化的处理方法可能造成实验误差？应怎样进一步改进？ 谈谈在实验中得到的一些体会和对实验的建议。 实验三实验三 中空纤维超过滤膜分离实验中空纤维超过滤膜分离实验 一、实验目的 1. 了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程； 2. 了解膜分离技术的特点； 1.培养膜分离的实验操作技能。 二、实验原理 膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双 组分或多组分的溶质与溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离法可用于液相和 气相。对于液相分离可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的 水溶液体系。膜分离包括反渗透、超过滤、电渗析、微孔过滤等。膜分离过程具有无相态 变化、设备简单、分离效率高、占地面积小、操作方便、能耗少、适应性强等优点。目前， 在海水淡化、食品加工工业的浓缩分离、工业超纯水制备、工业废水处理待领域的应用越 来越多。超过滤是膜分离技术的一个重要分支，通过实验掌握这项技术具有重要的意义。 根据溶解-扩散模型，膜的选择透过性是由于不同组分在膜中的溶解度和扩散系数不同 而造成的。若假设组分在膜中的扩散服从 Fick 定律，则可推出透水速率 Fw 及溶质透过速 16 / 75 率 Fs方程。 1.透水速率)( )( pA RT pVcD F Mww w 式中：Fw透水速率，g/cm2s； Dw水在膜中的扩散系数，cm2s； cw水在膜中的浓度，g/cm3； VM水的偏摩尔体积， cm3/mol； p膜两侧的压力差，atm； 膜两侧的渗透压差，atm； R气体常数； T温度，K； 膜的有效厚度，cm。 A膜的水渗透系数（） ，g/cm2s atm RT VcD www 2.溶质透过速率 )( )( 32 32 ccBcB ccKDcKD F ssss s 式中，Ds溶质在膜中的扩散系数，cm2/s； Ks溶质在溶液和膜两相中的分配系数； B溶质渗透系数； c膜两侧的浓度差。 有了上述方程，下面建立中空纤维在定态时的宏观方程。料液在管中流动情况如图所 示。 取假设条件： （1）径向混全均匀； （2）A=BXA，渗透压正比于摩尔分数； （3）NA NB,XA3 1，B 组分优先透过； （4）DAM/K，同XA1或 K 无关； （5），忽略轴向混合扩散。 E LU peB 0 由假设看出，其实质是一维问题，只是侧壁有液体流出的情况，因为关心的是管中组 17 / 75 分的浓度分布，只需做出两个质量衡算方程即可求解。 由连续性方程： )(0源项 dx udc Pudivc t c 和总流率方程： )( 31 0 1 渗透项压力项 ccAPAJ At 可推出 （1） h ccrV dx ud w )(1 31 式中，h 为装填系数，对于圆管 h=R/2，R 为管半径。 P r c PA V A W 1 由溶质 A 的连续性方程 AA t A Pudivc c 可推出 （2） h Vc dx cud W31 实际工作中更关心的是回收率，因此需要将式（1）和式（2）转化为 0 1 u u 、c1的方程。 （3）)(1 V 31 ccr dx udh dx ud dx d （4） d cx cc dx dc dx ud cc dx dc u h Vc dx ud c dx dc u h Vc dx ud c dx dc u WW 1 )( 311 31 1 3 1 13 1 1 由流率方程可推出 c1与 c3的关系，为 (定态)(无混合扩散) 18 / 75 式中 （5） W AM AM V KD KD LD rc l rc cc / / / )( 1 exp 1 1 33 31 式（3） 、 （4）为非线性方程，一般只能在特定条件下求得数值解。但当 r=0 时，则化 为线性微分方程，可求得解析解。 附：分光光度计工作原理 分光光度计的基本原理是溶液中的物质在光的照射激发下，产生了对光吸收的效应， 物质对光的吸收是具有选择性的，各种不同的物质都具有各自的吸收光谱，因此当某色光 通过溶液时，其能量就会被吸收而减弱，光能量减弱的强度和物质的浓度有一定的比例关 系，也即符合与比色原理比耳定律。 0 I I T KCL I I 0 log A:测得 K ？ C待求？ L ？KCLA 其中：T 投射比 I0 入射比强度 I 透射光强度 A 吸光度 K 吸收系数 L 溶液的光经长度 C 溶液的浓度 由以上公式可以看出，当入射光/吸收系数和溶液的光经长度不变时，透射光是根据 溶液的浓度而变化的。 三、实验设备、流程和仪器 1主要设备：中空纤维超滤组件 透过液出口 料液进口 透过液出口 浓缩液出口 中空纤维束 19 / 75 主要参数：截留分子量，6000 过滤面积，2m2 适宜流量，400600ml/min 2实验流程 本实验将料液聚乙烯醇水溶液（PVA）浓缩，料液经泵输送经过滤器，然后从下 部进入膜组件。将料液分为：（1）透过液透过膜的稀溶液，该液由流量计（什么流量计？ ）计量后入贮罐；（2）浓缩液未透过膜的 PVA 溶液（浓度高于料液） 。浓缩液经转子流 量计计量后回料液贮槽。流程中，漏斗为膜组件加保护液（5%甲醛溶液）用；贮罐为放出 保护液的接收容器；过滤器聚丙烯酰胺蜂房式过滤器，精度为 3710 - 46为长圆筒，反之为短圆筒。临界长度由下式确定：L cr L cr L tDDLcr 00 17 . 1 长圆筒：长圆筒失稳时的波数=2，临界压力仅与有关，而与无关。n cr p 0 Dt 0 DL 图一 圆筒形容器失去稳定后的形状 63 / 75 值可由下式计算： cr p 3 2 )( 1 2 D tE pcr 短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数2,如为 3，4，5，其波数可近似为：nn 4 2 )()( 06 . 7 DtDL n 临界压力可由下式计算： tDLD Et pcr 00 2 59 . 2 对于外压容器临界压力的计算，有时为计算简便起见，可借助于一些现成的计算图来 进行。 三、实验装置：三、实验装置： 四、实验步骤及注意事项：四、实验步骤及注意事项： 1. 测量试件的有关参数：壁厚( )，直径()，长度（） 。用千分卡测壁厚，用游标卡尺t 0 DL 4 4 10 5 4 6 7 8 9 1 3 2 图二 外压圆筒失稳装置实验 1-横梁 2-压紧螺母 3-密封螺母 4-压紧法兰 5-垫片 6-外压圆筒 7-心轴 8-圆筒底垫块 9-透明容器 10-工作 台 10 64 / 75 测内直径（便于精确测量）和长度，外直径由内直径加壁厚得到。各参数分别测量 0 D 两到三次，计算时取平均值。 2. 按图二所示安装实验设备，先用手摇泵将透明容器内的水升至容器的约三份之二处;将外 压圆筒试件 6 置于平板顶盖上，试件与平顶盖间用垫片 5 密封（试件折边上下各放一垫 片） ；用压紧法兰 4 通过四个密封螺母 2 将试件压紧到平板顶盖上。 3. 将圆筒底垫块 8 (一大一小) 置于外压圆筒底部，把用心轴 7 置于圆筒底垫块的中心孔中,再 将横梁 1 压在心轴 7 上，通过两个压紧螺母 2 上紧 (用手旋紧既可)；以此抵消试件承受 的轴向载荷。 4. 用手摇泵缓慢升压至试件破坏为止（试件破坏时有轻微的响声） ，记下容器的失稳压力 （即有轻微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力） 。失稳后不可再升压。 cr p 5. 打开手摇泵的开关卸压，待压力为零后取出试件，观察失稳后试件的形状并记下波纹数。 6. 关上手摇泵的开关，清理好实验备件和工具。 五、实验报告：五、实验报告： 1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。 2. 验算波纹数。n 3. 计算容器的临界压力并与实测值进行比较。 4. 讨论、分析试验结果，分析误差原因。 六、 讨论分析题 1 列出测量所测试件几何尺寸数据，实测波纹数。 2 圆筒形容器在周向外压作用下，为什么会可能失去原有形状。 3 圆筒形容器失稳后的形状与哪些因素有关？ 4 圆筒形容器失稳后的压力与哪些因素有关？ 5 外压圆筒的底部为什么要放一块垫板？ 65 / 75 实验十四实验十四 厚壁圆筒爆破实验厚壁圆筒爆破实验 一、试验目的一、试验目的 1.测定圆筒塑性变形开始和结束时的屈服压力值； 2.测定圆筒破坏时的爆破压力，并通过计算验证理论公式； 3.了解过程装备控制专业数据自动采集测量系统基本单元的原理。 二、试验原理二、试验原理 1 屈服压力值的理论计算： （1） 屈服压力 2 2 1 3K K p s s （2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性） Kp sso ln 3 2 2 爆破压力值的理论计算： 承受内压的高压筒体，其爆破压力计算方法有如下几种： （1）公式：Faupel Kp b s sb ln)2( 3 2 （2）中径公式： 1 1 2 K K p bb （3）最大主应力理论 bb K K p) 1 1 ( 2 2 （4）最大线应变理论 bb K K p) 4 . 03 . 1 1 ( 2 2 66 / 75 （5）最大剪应力理论 bb K K p) 2 1 ( 2 2 （6）最大变形能理论 bb K K p) 3 1 ( 2 2 以上式中符号意义详见现教材“过程设备设计” 教材和王志文主编的“化工容器设计” 以及余国宗主编的“化工容器及设备” 。 3爆破试验原理过程： 塑性材料制造的压力容器的爆破过程如图一所示， 在弹性变形阶段（线段） ，器壁应力较小，产生OA 弹性变形，内压与容积变化量成正比，随着压力的增 大，应力和变形不断增加；到点时容器内表面开始A 屈服，与点对应的压力为初始屈服压力；在弹A s p 塑性变形阶段（线段） ，随着内压的继续提高，AC 材料从内壁向外壁屈服，此时，一方面因塑性变形而 使材料强化导致承压能力提高，另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料强化 作用大于厚度减小作用，到点时两种作用已接近，点对应的压力是容器所能承受的最CC 大压力，称为塑性垮塌压力；在爆破阶段（线段） ，容积突然急剧增大，使容器继续膨CD 胀所需要的压力也相应减小，压力降落到点，容器爆炸，点所对应的压力为爆破压力DD 。 b p 三、实验装置与工作原理三、实验装置与工作原理 1实验装置 本仪器中的液体介质油的吸入、压缩与排出是通过活塞腔容积的周期性变化而实现的。 电机接入电源后进入正常运转，通过减速器带动偏心轮传至十字头滑块，活塞柱通过滑快 与导向杆相连（导向杆在导向套内）做往复运动，当缸内处于低压状态时吸入介质油，活 塞杆压缩时，泵内高压流体经过止回阀向爆破试件中输送，使爆破试件中内压不断升高。 2 工作原理 图 1 压力与流量变化的关系 67 / 75 本系统的压力增升原理图 2 所示，活塞杆 9 在缸内作往复运动，介质油通过进口单向 阀 5 吸入缸内，活塞柱向缸内推进时，进口单向阀 5 关闭，介质油通过出口单向阀 6 流进 爆破试件中。压力表 4 下面装有单向阀 7，目的是为了在试件瞬间爆破时保护压力表（试 件爆破后压力表数值仍旧保持）压力信号由压力传感器 12 通过接口 13 传送至计算机。 四、试验操作步骤及注意事项：四、试验操作步骤及注意事项： 1了解试验装置的结构（包括高压爆破教学试验台操作方法、压力传感器、 数据采集卡、 转换器等计算机硬件接口以及测试软件的位置和功能） 。ADCRAS 2 测量尺寸：在爆破试件的上、中、下不同圆周方向上，