反应工建实验指导书

1、实验一 化学反应动力学参数测定一、实验目的1了解与掌握在连续流动搅拌釜式反应器内测定均相液相反应动力学参数的原理和方法。2复习巩固溶液标定和溶液配制的操作及计算方法。二、实验原理1乙酸乙酯皂化反应的反应式为NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH（A） （B） （C） （D）在稳态条件下，根据流动式全混釜反应器的物料衡算基础式，有 或 （1）当 ，且在等体积流量进料时，其反应速度可表示成如下形式： （2）或 （3）由实验测定不同CA下的反应速度（-g A），然后由式（3）可求出该反应的速度常数k和反应级数n。由乙酸乙酯皂化反应的离子式 Na+ + OH Na+ +

2、 Ac 可以看出，在整个反应过程中，Na+ 浓度相同，故Na+ 的电导不变；而同样浓度时OH 的电导远大于Ac 的电导，所以溶液的电导变化可以OH 的电导来表示。由于在一定浓度范围内NaOH溶液的电导与NaOH的浓度成正比，故可通过测定溶液的电导变化而反映出溶液中OH 浓度的变化。另外皂化反应是不可逆反应，反应进行完全时NaOH的浓度可视为零，因此溶液的电导与NaOH的浓度有下面的关系（溶液的电导可以用电导率仪来测定）： = a( L 0- L) ， CA = a( Lt- L）式中：L0、L 分别为反应初始和反应完毕时溶液的电导率。 Lt 空时为m 时溶液的电导率。代入（1）、（3）式，则有

3、 （4）及 （5）所以根据电导率的大小，由式（4）和（5）可直接得到相对应的反应速度、反应速度常数k及反应级数n。2若将该反应设定为二级反应，在采用CA 0 = C B 0及等分子流量进料时，式（2）可写成： (2)¢代入式(1)可求出 k = (1)¢ 同样可用电导率表示浓度的大小，式(1)¢ 可写成： k = (4)¢在不同的空时条件下，由式(4)¢ 得到的反应速度常数k如是常数时，则表明该反应确实是属于二级反应。3改变不同的反应温度，按上述实验原理1或2测定相应的反应速度常数k，再根据阿仑尼乌斯定律： k = （6） 或 ln k = l

4、nA - (7)即可得到反应的活化能和频率因子。三、实验流程和装置本实验流程如下：2145 8 73361 酯储槽2 碱储槽 3 转子流量计 4 搅拌釜 5 产物储槽6 电动搅拌器 7 电导率仪 8 计算机数采系统 四、实验步骤1打开设备电源开关，然后打开电导率仪开关，进行预热（10分钟以上），此时可进行下面工作。2. 反应物料的标定和配制：在碱储槽内用去离子水配制一定量约0.04 mol/L的NaOH溶液(已由实验室配好)。用已知浓度的酸标定该NaOH溶液(准确至0.0001 mol/L)。在酯储槽内根据得到的NaOH溶液的浓度，精确计算配制一定量（实验时由老师给出）相同浓度的乙酸乙酯溶液(

5、即CA0 = CB0 )。3L0的测量：用量筒从碱储槽取50mlNaOH溶液，将电导率仪的电极插入该溶液中。然后将“RANGES（量程）”旋钮转到“CAL（校正）”档，通过“CONST（常数）”旋钮使显示数值与所用电极的常数值一致。再将“RANGES（量程）”旋钮转到“20m”档，待显示稳定后直接从电导率仪读取数据，得，则 。读完数据后，关闭电导率仪电源，取出电极并用去离子水清洗，然后将其插入反应釜的溢流管出口处。4. 从酯储槽取等体积的乙酸乙酯溶液与上面所取的NaOH溶液混合于一个烧杯中，放置12小时以上，用做L的测量（在放置过程中应不时进行摇动，以使其充分反应）。5. 启动计算机，然后进入

6、“电导率测量”程序。打开电导率计算机数采测量系统的电源。6将反应釜底部阀门关闭，加入乙酸乙酯溶液和NaOH溶液各300ml，并开动搅拌器进行搅拌，搅拌速度以在不产生气泡的前提下尽可能大一些为宜。然后同时开启分别与碱储槽和酯储槽相连的流量计的阀门，使两种物料以相同流量进入反应釜，并保持流量稳定（流量值实验时由老师给出）。7打开电导率仪开关，“RANGES（量程）”旋钮保持在“20m”档。在“电导率测量”程序窗口中，点击开始采集按钮，计算机屏幕开始显示电导率变化曲线。当测得的电导率曲线基本为直线时，从电导率仪读取并记录反应后溶液的电导率数值以及相应的流量值。8改变流量，同上当电导率基本稳定后读取并

7、记录数据。共测五到六组数据。注意：实验中要随时注意产物储槽的液位，及时倒换，以免过满溢出。9最后一组数据测完后，点击终止采集按钮。10同时关闭两个流量计的阀门，关闭搅拌器开关，测量并记录反应釜内反应物料的温度。然后打开反应釜底部阀门，用量筒量取釜内溶液，以测量反应釜的有效体积。11. 关闭电导率仪开关，取出电极并用去离子水清洗，然后放入装有去离子水的烧杯中待用。12. 关闭电导率计算机数采系统的开关。退出“电导率测量”程序，关闭计算机。最后关闭设备电源开关。13. 以上过程结束12小时后，用同一台电导率仪测定步骤4中所配置的溶液的L。五、数据记录及处理1数据记录L0 = L = 反应温度： （

8、VR）m = CA0 =流量（L/h）电导率值（S/cm）2求算乙酸乙酯皂化反应速度常数和反应级数。一、实验目的1了解与掌握在间歇式反应器内测定均相液相反应动力学参数的原理和方法。2复习巩固溶液标定和溶液配制的操作及计算方法。二、实验原理1乙酸乙酯皂化反应的反应式为NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH（A） （B） （C） （D）由乙酸乙酯皂化反应的离子式 Na+ + OH Na+ + Ac 可以看出，在整个反应过程中，Na+ 浓度相同，故Na+ 的电导不变；而同样浓度时OH 的电导远大于Ac 的电导，所以溶液的电导变化可以OH 的电导来表示。由于在一定浓度范

9、围内NaOH溶液的电导与NaOH的浓度成正比，故可通过测定溶液的电导变化而反映出溶液中OH 浓度的变化。另外皂化反应是不可逆反应，反应进行完全时NaOH的浓度可视为零，因此溶液的电导与NaOH的浓度有下面的关系（溶液的电导可以用电导率仪来测定）： = a( L 0- L) ， CA = a( Lt- L）式中：L0、L 分别为反应初始和反应完毕时溶液的电导率。 Lt 反应时间为t 时溶液的电导率。2若将该反应设定为二级反应，在采用CA 0 = C B 0时，则： (1)3改变不同的反应温度，按上述实验原理1或2测定相应的反应速度常数k，再根据阿仑尼乌斯定律： k = （6） 或 ln k =

10、lnA - (7)即可得到反应的活化能和频率因子。实验二 填充管式反应器液体停留时间分布及其流动模型参数的测定一、实验目的1.通过本实验掌握一种测定停留时间分布的实验技术.2.初步掌握对流体流经固体颗粒层这类设备的流动模型检验和模型参数的实验测定方法。3.通过实验，加深对于数学模型方法和流动模型等方面的有关概念、原理和方法的理解。二、实验原理采用脉冲激发响应技术测定停留时间分布的实验方法，是当主流流体以恒定的体积流率流经具有一定堆积体积的填充层时，在反应器入口处瞬时脉冲注入一定量的示踪剂，与此同时在反应器出口处检测示踪物的含量，测得示踪物浓度随时间而变化的数据。由此可得到示踪物浓度与时间的关系

11、曲线，即曲线，并可转换为停留时间分布密度与时间的关系曲线，即曲线。由停留时间分布实验曲线可以定性地诊断流体流经反应器的流动状况。停留时间分布属于随机变量的分布，概率论上还可以定量地用数字特征加以描述，表征这种随机分布的数字特征，其中主要的特征是数学期望和方差。（1）停留时间分布的数学期望，随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。流体流经反应器停留时间分布的数学期望也就是停留时间的平均值。停留时间分布数学期望的定义式为（1）图1停留时间分布曲线如果取一定时间间隔的离散数据，则上述定义式可用离散型随机变量数学期望定义式替代，即（2）如果取等时间间隔的离散数据，即为一定值，则（2）式可化简为（3）本

12、实验以水为主流体，其体积流率恒定为，以KCl为示踪剂，其注入量为，则停留时间分布密度与浓度的关系为（4）本实验采用电导率仪测定出口处的示踪剂浓度，且已知水溶液的电导率与水溶液中KCl的浓度呈过原点的线性关系，水溶液的电导率又与电导率仪输出的电压显示值呈线性关系，则停留时间分布密度与存在如下线性关系：（5）式中为换算系数，在固定测试条件下为一常数。由此，可将（3）式改写为（6）如果流体流经反应器无密度变化，即流经反应器体积流率为定值，且，反应器进口又无返混，则平均停留时间可按下式计算：（7）式中流体流过反应器的流通体积，亦即固体颗粒填充层内的自由体积；固体颗粒填充层的空隙率；固体颗粒填充层的堆积

13、体积。（2）停留时间分布的方差，停留时间分布的数学期望只表征停留时间分布的中心，但不能反映停留时间分布的离散程度，而反应器内物料停留时间分布的离散程度正是反映物料在器内的返混程度。因此，停留时间分布的离散程度，统计学上用另一个特征数方差来表征。停留时间分布方差的定义式为（8）如果采集等时间间隔的离散型随机变量数据，则停留时间分布的方差可按下式计算：（9）展开上式并经整理后可得：（10）根据前述相同原由，本实验中的方差还可按下式计算：（11）（3）理想流动模型的检验由实验测得的停留时间分布方差值，可按下式计算无因次方差：（12）由无因次方差的数值，可对被测反应器的流动状况作出判断，对其是否已达到

14、理想流动模型进行检验。当0，则该反应器为理想流动反应器，其流动模型为理想的活塞流模型。当1，则该反应器也为理想流动反应器，但其流动模型为理想的全混流模型。只有当01时，则该反应器为非理想流动反应器。（4）非理想流动反应器的流动模型与模型参数对于非理想流动反应器的流动模型，需要采用各种不同方式加以模拟，建立等效于原型的数学模型。目前，常用的流动模型有凝集流模型，分散活塞流模型（或称扩散模型），多级全混流模型，循环流模型和组合模型等。分散活塞流模型（Dispersion Plug Flow Model）流体流经填充层时，如果流体在填充床层内作返混程度不大的一维定常流动，并且床层内维持等温，则非理想

15、流动反应器可采用分散活塞流模型，即在活塞流中，由于轴向扩散引起返混来模拟实际的返混状态。根据模型假设可导出数学模型为（13）式中示踪物的浓度，mol·m；轴向等效扩散系数，m2·s；长度，m；流体在反应器内的流动速度，m·s。当反应器的长度为，无因次时间为，且。若令为无因次长度，则轴向分散模型又可表达为（14）式中为无因次数群，令该数群的倒数等于Pe，即（15）称Pe为彼克列模数（Peclet modulus）。Pe即为一维轴向分散模型的模型参数，其数值也可用来度量返混程度的大小。Pe数值愈大（即愈小），则返混程度愈小；反之，则返混程度愈大。当Pe趋于¥

16、（或趋于0）时，则流动状况趋于完全无返混，即流动模型接近活塞流模型。根据各种反应器的不同边界条件和示踪物输入方法，求解（14）式可得到不同的解。各种求解方法及其解得结果，文献中多有报道。在本实验设备和操作条件下，保证设备进出口无返混，即属于闭式设备。当返混程度很小（）时，则可解得与的关系式为 （16）当返混程度比较大（）时，则需根据下式进行试差计算模型参数：（17）多级全混流模型多级全混流模型是以多级串联全混流反应器模拟各种非理想流动反应器。该模型也属于单参数模型，模型参数为虚拟的串联级数N。由式（8）的停留时间分布方差定义式，经展开并整理后，又可表达为如下形式：（18）多级全混流反应器的停留

17、时间分布密度为（19）联立上列两式求解可得：（20）或（21）由模型参数N的数值可度量非理想流动反应器的返混程度。N数值愈大，返混程度愈小；反之，则愈大。当N值趋于¥时，则反应器的流动模型趋于活塞流模型。一般情况下，当N³50时，已可视为活塞流反应器。三、实验装置本实验装置主要由反应器、供水系统、电导率仪，以及微型电子计算机等几个部分组成，其装置流程如图2所示。图2填充管式反应器测定停留时间分布及流动模型参数的实验装置流程1. 供水系统；2. 转子流量计；3. 排气阀；4. 示踪剂注入口；5. 液面视镜；6. 反应器；7. 电导池；8. 数字电导率仪；9. 微型电子计算机。

18、本实验采用的反应器由直径为65×5mm，总高度约为1600mm的圆形直管构成。管内填充有F5-6mm的玻璃珠，填充高度为1400mm。主体流体(水)从贮水槽由泵压送至反应器顶部，流量由调节阀调节，并由流量计显示。反应器顶部流入的水，自上而下流经填充层后，由器底出口排出，排出的水经电导池与电极接触后，再经P形管排入下水道。反应器内液层高度由P形管高度控制，并由器顶放空阀进行微调。固体颗粒填充至示踪剂注入口的下沿，而液面调至以淹没示踪剂注入口为度，一般以高出填料层约15mm左右为宜。示踪剂采用KCl饱和溶液，用注射器由器顶示踪剂注入口注入。由电导率仪测得出口溶液的浓度变化信号，经接口输入

19、微型电子计算机。四、实验步骤1. 实验前的准备工作（1）将贮水槽灌满水，关闭泵出口阀，启动水泵。（2）按预定的实验计划，用调节阀调节流量。流量一般可在15100l·h范围内选取。（3）利用P形管和器顶放空阀，调节填料上方的水垫层高度（约15mm左右），并维持稳定。（4）待水流量和水垫层高度稳定后，启动电导率仪和电子计算机，并调节好实验数据采集程序。待屏幕上显示的初始电压值稳定不变后，可以开始测定停留时间分布实验。2. 停留时间分布测定实验（1）用注入器将适量的示踪剂（KCl饱和溶液），由反应器上方示踪剂注入口迅速注入器内的水垫层中。示踪剂用量应与主体流体的流量相适应，以使屏幕上显示的

20、最高电压值不超出程序预先设定的值。示踪剂注入量一般约为0.51ml。（2）在注入示踪剂的同时，用鼠标点击“开始采集”指令键。（3）当连续采集的电压值，再次出现初始值时，点击“终止采集”的指示键，终止数据采集。再点击“存储数据1”指令键，将采集的实验数据付于文件名后存入机内，待用。按上述操作步骤重复操作二、三次，以便获得相同操作条件下的平行数据，进而可改变流量，重复上述实验步骤，取得不同流量下的实验数据。3. 实验结束工作当最后一组实验数据采集完毕之后，按下列步骤进行停机操作：（1）先关闭计算机，再关闭电导率仪。（2）先关闭水调节阀，再关闭泵的出口阀，最后停泵。（3）排尽设备内的存水。4. 实验

21、注意事项（1）填充的固体颗粒层要填充均匀，避免出现“死区”或“短路”。（2）实验过程中一定要控制水流量，水垫层高度和测试仪器的稳定，保证基准电压不飘移。（3）示踪剂注入量要适量，注射时动作要快速，同时又要保证示踪剂全部注入水垫层内，防止飞溅。（4）正确使用铂黑电极，使用前后一定要将电极浸泡在蒸馏水中，以防铂黑惰化。如发现电极失准，应按电导电极说明书进行处理。五、实验结果1. 记录实验设备结构参数与操作参数。（1）实验设备参数装填颗粒物种类：固体颗粒的直径：mm填充层的直径：mm填充层的高度mm填充层的堆积体积：ml填充层的自由体积（流通体积）：ml（2）操作参数主体流体（水）的体积流率：l&#

22、183;h示踪剂（KCl饱和溶液）注入量：ml数据采集频率：次·秒2. 参考下列格式记录实验数据并绘制实验曲线。实验序号或文件名称：初始电压值：mV起峰电压值：mV最终电压值：mV实验数据：实 验 序 号数据采集累计数 /次电压值 mV3. 整理实验数据（1）将实验数据按下表进行整理：实验序号时间分布函数/mV（2）标绘曲线。（3）列出停留时间分布的特征数和模型参数的计算结果。实验序号或文件名称主流体（水）的体积流率（1）平均停留时间/s（2）停留时间分布的数学期望（3）停留时间分布的方差（4）停留时间分布的无因次方差（5）轴向分散模型参数Pe/（6）多级全混流模型参数N/（7）列出

23、表中各项的计算公式。4. 从实验数据整理结果中，可作出哪些判断和结论？实验三 连续搅拌式反应器液体停留时间分布及其流动模型的测定一、实验目的1. 通过实验，观察和了解连续流动的单级、二级串联或三级串联搅拌釜式反应器的结构、流程和操作方法；2. 掌握一种测定停留时间分布的实验技术；3. 初步掌握液体连续流过搅拌釜式反应器的流动模型的检验和模型参数的测定方法。二、实验原理流体流经反应器的流动状态，可以采用激发响应技术，通过实验测定停留时间分布的方法，以一定的表达方式加以描述。本实验采用的脉冲激发方法是在设备入口处，向主体流体瞬时注入少量示踪剂，与此同时在设备出口处检测示踪剂的浓度随时间的变化关系数

24、据或变化关系曲线。由实验测得的变化关系曲线可以直接转换为停留时间分布密度随时间变化的关系曲线。由实验测定的曲线的图象，可以定性判断流体流经反应器的流动状况。由实验测得全混流反应器和多级串联全混流流反应器的曲线的典型图象，如图1所示。若各釜的有效体积分别为V1、V2和V3，且各釜体积相同，即，当单级、二级和三级全混流反应器的总有效体积保持相同，即时，则其曲线的图象如图1(a)所示；当各釜体积虽相同，但单釜、二釜串联三釜串联的总有效体积又各不相同时，如单釜有效体积，而双釜串联总有效体积，三釜串联的总有效体积，则曲线的图象如图1(b)所示。 图1全混流反应器和多级串联全混流反应器的曲线停留时间分布属

25、于随机变量的分布，除了用上述直观图象加以描述外，通常还可采用一些特征数来表征分布的特征。概率论上表征这种随机变量分布的数字特征主要是数学期望和方差。（1）停留时间分布的数学期望，随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。流体流经反应器的停留时间分布的数学期望的定义式为（1）如果取一定时间间隔的离散数据，即为定值，则停留时间的数学期望可按下式计算： （2）本实验以水为主流体，氯化钾饱和溶液为示踪剂。当水的进出口体积流率恒为，示踪剂的注入量为时，则停留时间分布密度与示踪剂浓度的关系为（3）本实验采用电导率仪测定出口处的示踪剂浓度，且已知水溶液的电导率与水溶液中氯化钾的浓度呈过原点的线性关系，又知电导

26、率与电导率仪输出的电压显示值呈线性关系，则停留时间分布密度与存在如下线性关系：（4）式中为换算系数，在固定测试条件下为一常数。由此，可将式（2）经过变换，停留时间分布的数学期望又可按下式计算： （5）如果流体流经反应器无密度变化，即体积流率为定值，且反应器进出口无返混，则可按下式计算平均停留时间：（6）式中为反应器的总有效体积。（2）停留时间分布的方差，停留时间分布的方差是反映流体流经反应器时，停留时间分布的离散程度，亦即返混程度大小的特征数。停留时间分布方差的定义式为（7）经整理后可得：（7）如果采集等时间间隔的离散数据，则可按下式计算：（8）按照上述相同原由，本实验中的方差还可按下式计算：

27、（9）（3）以无因次时间为时标的数字特征无因次时间的定义式为（10）以无因次时间为变量的数学期望（11）以无因次时间为变量的方差（12）与两者之间存在如下关系：（13）（4）流动模型与模型参数单釜或多釜串联的连续流动搅拌釜式反应器的理想流动模型的检验，或非理想流动反应器偏离理想流动模型的程度，一般常采多级全混流模型来模拟实际过程。该模型为单参数模型，模型参数为虚拟的串联级数N。由多级全混流反应器的物料衡算可导出其停留时间分布密度的数学表达式，即（14）联立（7）和（14）两式求解可得模型参数：（15）或（16）由模型参数N的数值可检验理想流动反应器和度量非理想流动反应器的返混程度。当实验测得模

28、型参数N值与实际反应器的釜数相近时，则该反应器达到了理想的全混流模型。若实际反应器的流动状况偏离了理想流动模型，则可用多级全混流模型来模拟其返混情况，用其模型参数N值来定量表征返混程度。三、实验装置本实验装置由三个等容积的搅拌釜串联组合而成。装置中还配备有数字电导率仪、转速调节与测量仪，以及微型电子计算机等仪器，其装置流程如图2所示。图2连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布实验装置流程1. 贮水槽；2. 循环水泵；3.转子流量计；4. 搅拌釜；5. 调速电机；6. 电导电极； 7. 检测与控制器；8.电子计算机。三个釜的内径均为100mm，总高度约为200mm，高径比为2。釜内搅拌器由直流电机经

29、端面磁驱动器进行间接驱动，并由转速调节仪调控和测速。主流流体（水）自循环水泵的出口，经调节阀和流量计，由第1釜顶部加入，再由器底排出后进入第2釜，如此逐级下流，最后由第3釜釜底排出，经电导池后排入下水道。示踪剂可根据实验需要，分别由各釜釜顶注入口注入。如单釜实验可在第3釜釜顶注入；二级串联釜实验可在第2釜釜顶注入；三级串联釜实验则可在第1釜釜顶注入。由电导率仪测得设备出口液体中示踪剂浓度变化的电信号经接口输入计算机。四、实验步骤1. 实验前的准备工作（1）将贮水槽和循环水泵灌满水，启动循环水泵，排尽泵内和管线内的气体。（2）按实验计划调节水的流量，流量一般可在3060l·h范围内调节。再由釜顶放空阀和釜底排水阀联合调节釜内液面高度。一般可调至与档板上沿平齐为宜。（3）启动电路控制器和电子计算机，并调好数据采集程序。2. 停留时间分布测定实验（1）用注射器将适量的示踪剂（KCl饱和溶液）迅速由釜顶的注入口注入釜内。与此同时，用鼠标单击