釜式反应器的研究

一、实验目的1、掌握停留时间分布的测定及其数据处理方法；2、对反应器进行模拟计算及其结果的检验；3、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和改进反应器的方法；4、了解单釜反应器、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。二、实验内容1、测定单釜反应器和串联反应釜的停留时间分布；2、将停留时间测试数据的处理结果与全混反应器和平推流反应器相比较，分析单釜和串联反应器的返混情况；3、根据停留时间测试数据的处理结果和蔗糖水解的化学反应速度方程式计算反应器出口浓度和反应转化率，与全混反应器单釜和三釜串联的计算结果加以比较；4、在单釜和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，将出口浓度和反应转化率与上述计算结果进行比较及分析讨论。三、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。连续操作的理想反应器有2种，即平推流反应器和全混反应器。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，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。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1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，一种称为分布函数F(t)，其物理意义是停留时间小于t的粒子所占的分率；另—种称为时间分布密度因数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和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：C12H22O11(蔗糖)+H2O—→C6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)水解反应可视为一级反应，其速率方程为：AAkCdtdC﹙2﹚积分上式得ktCCA0ln﹙3﹚式中CA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D20][为66.65°，葡萄糖D20][为52.5°，果糖D20][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，反应产物的浓度逐渐增大，溶液的右旋性逐渐减少，以至经过0°角后转变为左旋。所以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和。溶液的浓度可分别表示为2CA0＝F(α0－α∞)﹙4﹚CA＝F(αt－α∞)（5）式中α0、αt、α∞分别表示反应时间为0、t、∞时溶液的旋光度，对于给定的条件，α∞为常数；CA为溶液的浓度；F为常数。可将(5)式改写为CA＝Fαt－Fα∞＝Fαt－B(6)从上式可以看出，对于一定初始浓度和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。α0、α∞、αt都是可以测定的，CA0可以从反应器各物流的流量和浓度计算，由此可直接计算出F。因而可通过测定的αt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。因为注入示踪物所用时间极短，数量又少，所以可认为示踪物的流动行为与和它同时进入设备的反应流体流动行为相同，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和dt间的示踪物物料量QE(t)dt，将在t和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)。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KCl来测定反应器停留时间分布，用电导仪测定KCl的电导率随时间的变化。KCl电导率与浓度的关系为3CKClλKCl=KKCl﹙9﹚式中，CKCl为KCl的浓度；λKCl为KCl的摩尔电导；KKCl为KCl的电导率。用电导仪测定KCl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KCl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)=μ′V(t)﹙10﹚式中μ′为常数。将C(t)关系式代入E(t)关系式，得E(t)＝（U/Q）μ′V(t)﹙11﹚令μ＝μ′U/Q﹙12﹚则E(t)＝μV(t)﹙13﹚因为0)()(dttVdttVAdA﹙14﹚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0)()(dttEdttEAdA﹙15﹚因为1)(0dttE﹙16﹚4所以dA/A＝E(t)dt﹙17﹚dA/dt＝V(t)00)()()()()()(ttVtVdttVtVAtVtE﹙18﹚根据V(t)的测定数据即可计算出反应器的平均停留时间τm和无因次散度2t，nnnnttittiittittiimtVtVttEtEt0000)(/)()(/)(﹙19﹚22200)(/)(mttittiitnntVtVt﹙20﹚222/mt﹙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。四、实验装置图1实验装置流程示意图6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控制。流出反应器的物料温度由温度计测定，示踪物采用电解质KCl,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控制反应器的温度。反应器的搅拌速度由调节器调节，由光电测速仪测定或在显示器上直接读出。五、实验步骤5.1停留时间分布的测定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。系统稳定后，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t0，用针头在反应器入口处极快注入已知示踪剂KCl溶液，并同时给计算机一个进样记号。当曲线逐渐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1(mL)反应器体积2(mL)蔗糖溶液流量(mL/h)酸催化剂流量(mL/h)总流量(mL/h)蔗糖溶液浓度(mol/L)750250×3140070021000.9(1.1156)酸催化剂浓度(mol/L)进口蔗糖浓度(mol/L)进口酸浓度(mol/L)平均停留时间(min)蔗糖分子量(g/mol)浓盐酸浓度(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[1]进行。先配置5L蔗糖溶液和3L酸催化剂溶液，分别倒入酸槽和蔗糖槽。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10min,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定达到所需温度时，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？）。7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α0，一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α∞。六、实验数据处理根据旋光仪所测得的出口浓度和进口浓度，即可算出实际的转化率。xreal＝1－CA/CA0（22）由停留时间分布密度函数E(t)虽可以确定反应转化率。因为一级反应进行的程度仅与反应时间有关，所以在获知物料停留时间后即可确定反应的转化率。因为停留时间在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贡献应为xAE(t)dt，将这些转化率的贡献相加即可得到出口的平均转化率，即0)(dttExxAA（23）同理，出口平均浓度应为0)(dttECCAA（24）对一级反应CA＝CA0exp(-kt)，代入上式得0000)()exp()()exp(ttEktCdttEktCCiiAAA（25）即00)()exp(/dttEktCCAA（26）所以00)()exp(1)()exp(1iiiAttEktdttEktx（27）在实验测定的条件下，21℃时的反应速度常数k为2.58×10-3min-1；25℃时的反应速度常数k为4.40×10-3min-1[1]。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。8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和物料流量计算出的平均停留时间对照。根据实验数据计算出无因次散度，由散度的大小即可判断反应器的返混程度或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1。根据实验数据计算得到的无因次散度在0～1之间。对于串联反应器，分别在1级、2级、3级出口测得相应的停留时间分布密度和溶液浓度，将反应转化率的计算结果与实测结果对照，同时将结果与停留时间相同的两种理想反应器的计算结果相对照。6.1蠕动泵的流量标定进料：自来水表6-1水流量的标定数据转速/rpm时间/s体积/mL1060252060503060764060102作图并进行线性拟合得：9图6-1清水泵标定曲线进料：盐酸表6-2盐酸流量的标定数据转速/rpm时间/s体积/mL1060252060503060744060100作图并进行线性拟合得：10图6-2盐酸泵标定曲线进料：蔗糖表6-3蔗糖流量的标定数据转速/rpm时间/s体积/mL106025206050306074406098作图并进行线性拟合得：11图6-3蔗糖泵标定曲线6.2停留时间分布的测定6.2.1单釜停留时间分布的测定KCl稀溶液在25℃时摩尔电导率为149.8S·cm2/mol控制单釜水流量2100mL/h，单釜搅拌器转速200r/min采样时间间隔30s，根据实验测定所得的溶液电导率数据，由公式计算并绘制时间-浓度图，如图6-4：12图6-4单釜停留时间分布图其平均停留时间m和无因次散度2tnnnnttittiittittiimtVtVttEtEt0000)(/)()(/)(=30.5215322200)(/)(mttittiitnntVtVt=376.4603222/mt=376.4603/30.521532=0.4041176.2.2串釜停留时间分布的测定KCl稀溶液在25℃时摩尔电导率为149.8S·cm2/mol（1）控制串釜水流量2100mL/h，串釜搅拌器转速300r/min采样时间间隔30s，根据实验测定所得的溶液电导率数据，由公式计算并绘制时间-浓度图，如图6-5：图6-5串釜停留时间分布图-1其平均停留时间m和无因次散度2tnnnnttittiittittiimtVtVttEtEt