化工专业实验讲义-新

化学工程与工艺专业实验化学工程与工艺专业实验室编2010年8月1前言当前，我们国家正处于蓬勃发展时期，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，又要有较强的适应性，善于分析问题与解决问题，具有独立工作能力、实践动手能力和技术创新能力。要使我们的化学工程与工艺专业的毕业生具备上述素质，实验和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、化学反应工程和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、复杂性和更切合工程实际的特点，需要专业知识和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、对实验数据和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、提高实验技能和实验研究能力的目的。本教材是为化学工程与工艺专业及相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。在实验项目和内容的安排上，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，充分体现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和相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体现出来。由于科学技术的飞速发展，化工专业实验教材的内容和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。希望老师和同学们能提出有关的意见和建议，共同改进化工专业实验教学工作！编者2010年7月2目录前言………………………………………………………………………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和乳胶漆的制备………………………39实验5固体催化剂性能评价实验——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—二氧化碳制合成气…………………………803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动反应器的一个重要性质，可定量描述反应器内物料的流动特性。物料在反应器内停留时间不同，其反应的程度也不同。通过测定流动反应器停留时间，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，还可以了解反应器内物料的流动混合状况，确定实际反应器对理想反应器的偏离程度，从而找出改进和强化反应器的途径。通过测定停留时间分布，求出反应器的流动模型参数，为反应器的设计及放大提供依据。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可以减小反应物料的返混，因此增大了反应速度。通过单釜和多釜串联的反应器实验了解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主要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，可以合理、精确地描述实际反应器中物料流动及混合特性，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和改进反应器的方法；⑷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。2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；⑵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；⑶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；⑷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。43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5CA0＝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CKClλKCl=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﹚6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﹚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。4实验装置图1实验装置流程示意图8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。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，待流量稳定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)750250×32000100030000.9(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