化工专业实验讲义新

化工专业实验讲义新

化学工程与工艺专业实验室编

2010年8月

、/—1—

刖3

当前，我们国家正处于蓬勃进展时期，各项建设需要大量的高质量的高校毕业生。

化学工业是国民经济的重要支柱之一，不但对人才需求量大，而且对人才质量要求也

越来越高。要求化工类人才既要有扎实的专业基础知识，又要有较强的习惯性，善于

分析问题与解决问题，具有独立工作能力、实践动手能力与技术创新能力。要使我们

的化学工程与工艺专业的毕业生具备上述素养，实验与技术开发能力的培养起着极其

重要的作用，化学工程与工艺实验就是其中重要的一环。

化学工程与工艺实验是在化工类专业学生学完化工原理、分离工程、化工热力学、

化学反应工程与有关化工工艺等理论课程及受过一系列基础实验的训练之后进行的。

化学工程与工艺实验具有综合性、复杂性与更切合工程实际的特点，需要专业知识与

基础实验技能的综合应用。在化工专业理论的指导下，该课程着重培养学生的工程及

工艺类较复杂实验项目的设计能力、动手操作能力、对实验数据与结果的处理及分析

能力。通过该实验课程的学习，达到拓宽实验知识、提高实验技能与实验研究能力的

目的。

本教材是为化学工程与工艺专业及有关专业本科生编写的实验教材。各实验的讲

义由相应的实验教师编写。在实验项目与内容的安排上，以综合及设计实验为主，将

一些实验方法的训练融于各个实验项目中，充分表达实验基础训练与应用的联系。

化工专业实验课程以学生亲自动手进行整个实验项目的实验，要求每个同学都要

主动地在老师指导下参与实验的全过程，深入思考，充分体会化工专业知识与有关的

分析及物理知识在实验中的应用，有意识地训练自己的实验动手能力。同时，对实验

中遇到的问题，提出自己的见解，在实验报告的结果与讨论中充分表达出来。

由于科学技术的飞速进展，化工专业实验教材的内容与教学方法也随之在变，要

求我们在有限的教学资源下，达到很好的教学效果，在这一方面还有很多工作要做。

希望老师与同学们能提出有关的意见与建议，共同改进化工专业实验教学工作！

编者

2010年7月

目录

刖B.............................................................1

目录..............................................................2

实验1釜式反应器的研究..........................................3

实验2乙酸丁酯的合成及精制....................................12

实验3水盐体系相平衡测定及硫酸钾制备..........................15

实验4聚醋酸乙烯酯乳液的合成与乳胶漆的制备...................39

实验5固体催化剂性能评价实验一一CO2甲烷化反应.................51

实验6反渗透膜分离制高纯水实验................................63

实验7液膜分离法处理废水实验..................................68

实验8中低品位磷矿组合式浸取实验..............................72

实验9等离子体重整甲烷一二氧化碳制合成气.....................80

实验1釜式反应器的研究

物料在反应器内的停留时间分布是连续流淌反应器的一个重要性质，可定量描述

反应器内物料的流淌特性。物料在反应器内停留时间不一致，其反应的程度也不一致。

通过测定流淌反应器停留时间，即可由已知的化学反应速度计算反应器物料的出口浓

度、平均转化率，还能够熟悉反应器内物料的流淌混合状况，确定实际反应器对理想

反应器的偏离程度，从而找出改进与强化反应器的途径。通过测定停留时间分布，求

出反应器的流淌模型参数，为反应器的设计及放大提供根据。

单个反应釜使反应达到最大返混，因此降低了反应速度。而多个反应釜串联操作

能够减小反应物料的返混，因此增大了反应速度。通过单釜与多釜串联的反应器实验

熟悉多釜串联影响反应速度的规律，为多釜串联的优化设计打下基础。

影响反应速率的因素要紧是单位反应物系中物料混合均匀程度、反应物浓度、反

应温度及反应时间等。在由小试到中试到工业生产的放大过程中，研究放大过程中液

相停留时间分布(RTD)的变化规律，能够合理、精确地描述实际反应器中物料流淌

及混合特性，得到最佳中试规模及放大规律。

1实验目的

⑴掌握停留时间分布的测定及其数据处理方法

⑵对反应器进行模拟计算及其结果的检验；

⑶熟悉根据停留时间分布测定结果判定釜式反应器混合状况与改进反应器的方

法；

⑷熟悉单釜反应器、串联釜式反应器对化学反应的影响规律，学会釜式反应器的

配置方法。

2实验内容

(1)测定单釜反应器与串联反应釜的停留时间分布；

⑵将停留时间测试数据的处理结果与全混反应器与平推流反应器相比较，分析单

釜与串联反应器的返混情况；

⑶根据停留时间测试数据的处理结果与蔗糖水解的化学反应速度方程式计算反应

器出口浓度与反应转化率，与全混反应器单釜与三釜串联的计算结果加以比较；

⑷在单釜与三釜串联的实验装置上进行蔗糖水解实验，测定出口反应产物的旋光

度，将出口浓度与反应转化率与上述计算结果进行比较及分析讨论。

3原理

在连续流淌的反应器内，不一致停留时间的物料之间的混合称之返混。连续操作

的理想反应器有2种，即平推流反应器与全混反应器。平推流反应器完全没有返混，

而全混反应器则达到完全返混。二者分别描述了连续式反应器的两种极端情况，而实

际反应器的返混状况介于二者之间。但实际的管式反应器的混合状况更接近于平推流

反应器，实际的釜式反应器更接近于全混反应器。

返混程度的大小，通常很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研

究。然而测定不一致状态的反应器内停留时间分布时，我们能够发现，相同的停留时

间分布能够有不一致的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因

此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模

型来间接表达。

停留时间分布的表示方法有两种，一种称之分布函数F(t),其物理意义是停留时

间小于t的粒子所占的分率；另一种称之时间分布密度因数E(t),其物理意义是停留

时间为t的粒子的概率。两个函数的关系为：

E(t)=dF(t)/dt(1)

蔗糖在酸催化下水解转化为果糖与葡萄糖的化学反应是一个典型的液相催化反

应，其化学反应式如下：

C12H220n(蔗糖)+H20—->C6H12O6(果糖)+C6Hl2。6(葡萄糖)

水解反应可视为一级反应，其速率方程为：

积分上式得

In舁=kt(3)

CA

式中心为t时蔗糖的浓度；k为反应速度常数。

蔗糖及其水解产物都为旋光物质，其比旋光度分别是；蔗糖［切必为66.65。，葡萄

糖㈤%为52.5°,果糖⑷多为-91.9°。D表示所用光波为钠黄光，其波长为589nm；

正值表示右旋(使偏振面顺时针偏转)，负值表示左旋(偏振面逆时针偏转)。由于

果糖的左旋性大于葡萄糖的右旋性，随着反应的进行，反应产物的浓度逐步增大，溶

液的右旋性逐步减少，以至通过0°角后转变为左旋。因此可用溶液的旋光度变化来

度量反应的程度。

溶液的旋光度为溶液中各组分旋光度之与。溶液的浓度可分别表示为

CA°=F(ao—a~)(4)

=

CAF(at—cig)(5)

式中a。、a,、a-分别表示反应时间为0、t、8时溶液的旋光度，关于给定的条件，

a-为常数；或为溶液的浓度；F为常数。可将(5)式改写为

CA=Fa(~Fao==Fa,—B(6)

从上式能够看出，关于一定初始浓度与PH值的蔗糖溶液来讲，随着水解反应的进行,

通过测定溶液的旋光度，即可通过(6)式计算出溶液中的蔗糖浓度，因此可算出相

应水解产物的浓度。a。、a-ai都是能够测定的，或°能够从反应器各物流的流量与

浓度计算，由此可直接计算出F。因而可通过测定的a,直接由(6)式算出CA。

蔗糖水解是在常压下进行的。蔗糖水溶液以一定的进料速度进入反应器，产物以

相同的速度从反应器流出，保持反应器内物料体积恒定后，向反应器中加入一定量的

示踪物，分析示踪物的浓度随时间的变化。由于注入示踪物所用时间极短，数量又少，

因此可认为示踪物的流淌行为与与它同时进入设备的反应流体流淌行为相同，即示踪

物在反应器内停留时间分布密度函数E(t)与反应物料相同。停留时间介于t与dt间

的示踪物物料量QE(t)dt,将在t与t+dt间流出反应器。故

QE(t)dt=UC(t)dt(7)

因而

E(t)=(U/Q)C(t)(8)

式中，U为总流量(ml/min)；Q为示踪物总量(mg)；C(t)为示踪物出口浓度(g/L)0

显然，若测知示踪物浓度随时间变化的函数关系C(t),即可得到停留时间分布密

度函数E(t)随时间的变化。

本实验以示踪物KC1来测定反应器停留时间分布，用电导仪测定KC1的电导率随

时间的变化。KC1电导率与浓度的关系为

CKCI入KC1=KKC1-(9)一

式中，CKCI为KC1的浓度；入KC1为KC1的摩尔电导；KKCI为KC1的电导率。

用电导仪测定KC1溶液的电导率，并配以自动平衡记录仪记录电导率的变化，此

变化用电讯号V与时间t的关系曲线表示，通过下面的换算即可得到KC1在反应器内

停留时间分布密度函数E(t)。

溶液浓度C(t)与电讯号V(t)的关系式为

C(t)=u'V(t)(10)

式中口'为常数。

将C(t)关系式代入E(t)关系式，得

E(t)=(U/Q)u'V(t)(11)

令

□'U/Q(12)

则

E(t)=uV(t)(13)

由于

dAV(t)dt

(14)

ACv(t)dt

JO

其中A为V(t)-t曲线下的面积(mm.s)；将E(t)与V(t)关系代入上式，得

dA_E(t)dt

(15)

A£E(t)dt

由于

00

JE⑺<*=1(16)

0

因此

dA/A=E(t)dt(17)

dA/dt=V(t)

VQ)

E(t)=----=--00-------=(18)

A00

⑺加

00

根据V(t)的测定数据即可计算出反应器的平均停留时间J与无因次散度常，

qn=)/ZES)=汇俏。)/汇飞)(19)

才0/0才0,0

(20)

t。t。

=St/Tm(21)

以此即可考查反应器的返混特性。

由实验得到的v(t)-t曲线换算为停留时间分布密度函数E(t)与时间t的关系

式，适用于处理以电讯号表示示踪物浓度变化时停留时间的分布数据。

4实验装置

图1实验装置流程示意图

槽中的反应物料通过蠕动泵计量后进入反应釜，反应釜内设置搅拌器搅拌混合，

反应温度由夹套内的恒温水操纵。流出反应器的物料温度由温度计测定，示踪物使用

电解质KC1,在出口设置电导电极测定出口物料的电导率，电导率信号输入计算机，由

计算机对信号进行处理。在蔗糖水解实验时，通过取样口可随时取样测定溶液旋光度。

由恒温槽送出的恒温水操纵反应器的温度。反应器的搅拌速度由调节器调节，由光电

测速仪测定或者在显示器上直接读出。

5实验步骤

5.1停留时间分布的测定

首先将自来水加入水槽，标定反应器有效体积后即可进行测定实验。标定步骤：

打开反应器进口开关，按表1调节流量计流量，同时打开搅拌器至一定的转速，待流

量稳固时关闭反应器进口开关的同时在出口处收集流出水，再打开反应器的底部的排

空开关收集排出水，用量筒量取两部分水的总体积，即为反应器有效体积。

测定停留时间分布的步骤：将自来水加入水槽，待有流体经溢流管溢出时，将转

子流量计调至所需流速。系统稳固后，开启电导仪。当计算机显示器显示的电导率信

号为直线(基线)时，方可脉冲进样检测。某时刻t。，用针头在反应器入口处极快注

入已知示踪剂KC1溶液，并同时给计算机一个进样记号。当曲线逐步平稳回到基线位

置时，该次测定结束。

5.2蔗糖水解反应的测定

表1蔗糖水解反应的实验条件

反应器体积反应器体积蔗糖溶液流量酸催化剂流量总流量蔗糖溶液浓度

1(mL)2(mL)(mL/h)(mL/h)(mL/h)(mol/L)

750250X32000100030000.9(1.1156)

酸催化剂浓度进口蔗糖浓度进口酸浓度平均停留时间蔗糖分子量浓盐酸浓度

(mol/L)(mol/L)(mol/L)(min)(g/mol)(mol/L)

1.5(1.026)0.60.5〜15342.3011.97(1.188)

蔗糖水解反应的实验条件暂按表1的条件⑴进行。先配置5L蔗糖溶液与3L酸催化

剂溶液，分别倒入酸槽与蔗糖槽。调节超级恒温槽至所需温度，开启水泵向反应器夹

套供恒温水。开启蠕动泵向反应器进料，按表1调节蠕动泵流量。开启旋光仪预热lOmin,

等待取样后立即检测。调节搅拌速度，准备好取样瓶。

待反应器出口温度稳固达到所需温度时，即开始取样测定。每隔2min取样测定一

次样品旋光度，当连续3次的样品旋光度一致时该次测定结束，由最后的样品旋光度

确定水解反应率(为什么？)。

蠕动泵的流量标定略。

旋光仪的使用方法见附录。在反应器进口取样测定a。，一次水解实验的最终的

出口样品放入恒温槽内隔夜后测定旋光度得a「°

6实验数据处理

根据旋光仪所测得的出口浓度与进口浓度，即可算出实际的转化率。

Xreal=1—CA/CAO(22)

由停留时间分布密度函数E(t)虽能够确定反应转化率。由于一级反应进行的程度

仅与反应时间有关，因此在获知物料停留时间后即可确定反应的转化率。由于停留时

间在t至t+dt之间，物料所占的分率为E(t)dt,若这部分物料的转化率为XA,则它

对反应出口转化率的奉献应为xAE(t)dt,将这些转化率的奉献相加即可得到出口的

平均转化率，即

XA=Ix^E(t)dt(23)

Jo

同理，出口平均浓度应为

___1e00

CA=CAE⑺dt(24)

Jo

对一级反应CA=CA°exp(-kt),代入上式得

CA=JC.0exp(-kf)E3dt=(25)

°0

即

_poo

CA/CAO=exp(-〃)£(f)dr(26)

Jo

因此

oo00

尤A=l—J=1—>:exp(—修)石(/)八：(27)

在实验测定的条件下，21℃时的反应速度常数k为2.58乂10%1小；25℃时的反

应速度常数k为4.40X10-3min-1[1]o由实验测得停留时间分布密度后即可由上式计算

出平均转化率，将计算出的转化率与实际转化率比较。

运用停留时间分布的测定数据还可算出物料在反应器内的平均停留时间，将计算

结果与按反应器体积与物料流量计算出的平均停留时间参照。

根据实验数据计算出无因次散度，由散度的大小即可推断反应器的返混程度或者

接近全混反应器的程度。平推流反应器没有返混，其无因次散度为0；全混反应器完

全返混，其无因次散度为