专业实验-反应工程实验讲义2013..

1、1反应工程实验室安全注意事项1、在反应釜上合成产物特别是在100L釜内合成产物，必须有完善的工艺控制手 段。2、100L、10L反应釜皆为常压釜，严禁超压使用。3、使用有毒、有害、易燃、易爆危险化学品时，必须加强室内通风，必要时要 采取强制通风。4、使用易燃、易爆危险化学品时，要密闭操作，严防物料泄漏，所用设备需防 爆，同时还要防止由静电火花导致的火灾爆炸。5、必须严格控制导热油温度，严禁超温。反应物需冷却时，要及时打开内盘管 及夹套循环冷油，防止超温引发危险。6、在开关阀门之前要确认该阀门的功能。7、开真空泵时要先打开进水阀门。8、导热油热油罐及热油输送管道、反应釜体等温度较高，严禁触摸。9

2、、反应釜、水泵、油泵等皆为用电设备，在操作过程中要注意用电安全。10、实验室内机械设备较多，操作时要预防机械伤害。11、实验室内设备布置较密，空间狭小，在工作中严禁打闹、嬉戏。12、实验室内严禁烟火。反应工程实验室基础知识、反应工程实验的重要意义反应工程是化工类技术基础课程,而实验是教学中的实践环节； 是学生巩固理论知 识，从实践中进一步学习新知识的重要途径，培养学生应用这些理论解决工程实际问 题的能力，并掌握一定的实际操作技能。为此，反应工程实验的目的是：21.加深对反应工程专业知识的理解与运用，学习并掌握各种仪器设备的安装、使用。2通过实验使学生掌握一定的实验研究方法和技巧。并培养学生实事

3、求是的科学态 度。3通过实验数据的分析处理，编写实验报告，培养、训练学生的实际计算能力和组 织报告的能力二、反应工程实验要求（一）实验前的预习工作1、阅读实验指导书，弄清本实验的目的和要求。2、进入实验室后，要要遵守实验室安全注意事项，详细了解实验装置的流程、主要 设备的结构、测量仪表的使用及实验操作方法， 并认真思考实验操作步骤， 测量记录 的内容和测定数据的方法。（二）实验小组的分工和合作反应工程实验一般都是由6-8人为一小组合作进行的。因此实验开始前必须作好 组织工作，做到既分工，又合作，既保证质量，又能获得全面训练。每个实验小组要 有一个（组长）负责实验方案的执行，联络和指挥，与组员讨

4、论实验方案，使得每个 组员各明其职（包括操作、读取数据、记录数据及现象观察） ，而且要在适当时候进 行轮换工作。（三）实验中需测取的数据 凡是影响实验结果或者数据整理过程中所必需的数据必须测取，包括大气条件， 设备有关尺寸，物料性质及操作数据等。（四）实验数据的读取及记录实验开始前拟好记录表格，在表格中应记下各物理量的名称、表示符号及单位。 实验时一定要等现象稳定后才开始读取数据。条件改变后，要稍等到一会才能读取数 据。每个数据记录后，应该立即复核，以免发生读错或记错数字等事故。（五）实验数据的整理与标绘通过实验测得大量的数据，这些数据需要清晰地表示出自变量和因变量之间的关 系。表示实验数据中

5、各变量间的关系一般有列表示法、图示法和公式法。1、实验数据的列表示法实验数据的初步整理即列表，实验数据表分为记录表和结果综合表两类。记录表 分原始数据记录表、中间和计算结果记录表。实验原始记录是根据实验内容设计的， 必须在实验正式开始3之前列出表格。2、实验数据的图形表示法实验曲线的标绘是实验数据处理的第二步，将整理得到的实验结果综合表标绘成 曲线图。它比结果综合表简单直观。对照曲线可以更明确地看出数据之间的关系和变 化规律。3、实验数据的公式表示法在化工实验研究中，实验数据除了用列表表示和图形表示外，还常常把所获得的 实验数据整理成经验公式 （或称议程式）。即将变量之间的关系表达成y=f（x

6、）的函数关 系，以描述过程或现象的规律，建立数学模型。（六）实验报告的编写与要求实验报告是实验工作的总结，编写报告是对学生能力的训练。一份优秀的实验报 告必须写得简洁明了、数据完整、表达清楚、结论正确、有讨论、有分析，得出的公 式、曲线或图形有明确的使用条件。报告的内容一般包括：1、报告的题目；2、写出报告人姓名、班级、实验时间和同组实验人员的姓名；3、实验的目的；4、实验的理论依据；5、实验设备说明（包括流程示意图和主要设备、仪表的类型及规格） ；6、实验数据，应包括原始数据和经过加工后用于计算的全部数据；7、数据整理及计算示例，其中引用的数据要说明来源，简化公式要写出导出过程， 要列出一组

7、数据的计算过程，作为计算示例；8、实验结果，根据实验任务，明确提出本次实验的结论，用图示法或列表法均可；9、分析讨论，要对本次实验结果作出评价，分析误差大小及原因，对实验中发现的 问题应作讨论，对实验方法、实验设备有何改进建议也可写入此栏。（七）实验课堂纪律和注意事项1、准时进实验室，不得迟到早退，不得无故缺席。42、遵守纪律，严肃认真地进行实验。室内不准吸烟，不准喧哗说笑或进行与实验无 关的活动。3、对实验设备、仪器等在没弄清楚使用方法之前，不得开动。与本次实验无关的设 备、仪器不要乱动。损坏设备、仪器要照价赔偿。4、爱护实验设备、仪表注意节约使用水、电、气及药品。5、保持实验现场和设备的整

8、洁，禁止在设备及台桌等处乱写、乱画。衣物、书包不 要挂在实验设备上，应放在指定地方。6、注意安全及防火，电动机开动前，应观察电机及运转部件附近有无人在工作。合 上电闸时，应慎防触电。注意电机有无怪声和发热。精馏实验附件不得动明火。7、实验结束后，应安排人员清扫现场卫生。合格之后方可离开。5实验一酯化反应合成邻苯二甲酸二正丁酯反应动力学一、实验目的1.掌握积分法求解均相反应动力学参数；2.进一步加深对动力学基本概念的理解；3.掌握处理实验数据的方法。二、实验原理邻苯二甲酸二正丁酯由苯酐与正丁醇酯化。合成途径为：第一步，苯酐与正丁醇反应生成单酯；第二步，单酯与正丁醇继续反应生成DBP。第一步为瞬间

9、反应，第二步为二级可逆慢反应，因此第二步为反应的控 制步骤。为了数据处理的方便将第二步反应按二级不可逆反应处理，分别测定两 个不同温度下单酯浓度随时间的变化情况，按照以下推理的公式便可得 到该反应的活化能以及各温度下反应速率常数。计算公式如下62r=kc =-dc/dt（c代表单酯的浓度，加料时设法使第一步反应完毕，单酯的浓度和所剩正丁醇的浓 度相等。）积分上式得kt=1/c-1/c0（由此求得时刻t下得k值），分别求得两组温度下的k值，根据Arrihenius公式Ink=lnko-Ea/RT，便可求得活化能。三、实验仪器和药品1仪器电加热套温度计回流冷凝器四口烧瓶烧杯碱式滴定管铁架台洗瓶 锥

10、形瓶滴瓶滴管2药品乙醇 正丁醇 苯酐 氢氧化钾 酚酞四、实验方法1在100ml的三角瓶中放入10ml的中性乙醇，并置于冰浴中冷却备用。2在四口瓶中放入苯酐44.5g、正丁醇44.5g，加热，轻微搅拌，待苯酐全部溶解后 取反应液0.5ml，记为V取样，测定单酯的浓度C0,并由此计算出反应状态下反应液的 总体积（V总）。3将反应液的温度控制在110C（或120C）左右；待温度波动稳定后，加入HSOO.2ml,同时记时，以后每隔十分钟取样一次，放入冷却的中性乙醇中，立即用0.1mol/L的KOH乙醇标准溶液滴定，测定单酯的浓度，反应约60分钟即可停止加热和搅拌。4反应期间单酯浓度的测定：将盛有试样的

11、中性乙醇溶液，加2滴酚酞指示剂，用0.1mol/L的KOH-乙醇标准溶液滴定至粉红色，记下所耗标准液的毫升数。五、数据处理1酯初始浓度的计算：（mol/l）2反应状态下，反应总体积的计算：（ml）3反应液中H浓度的计算：(mol/l)式中：VH- H2SO4加入量(ml)4反应期间单酯浓度计算5数据记录及最终处理格式见下表7温度时间耗液量CH+V总单酯浓度kt1/2EaCC)(min)(ml)(mol/l(ml)(mol/l)l/(mol/min)(min)5(105J/mol)1100110101102011030110401105011060注：活化能E和半衰期t1/2是以两个温度下第一个

12、10分钟所对应的反应速率常数计算得到的六、思考题1冰浴的目的是什么?2如何更准确地求出可逆反应的反应速率常数？3第一步完全反应完毕的标志是什么?实验二 连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布测定、实验目的1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检验和模型参数的测定方法。8二、实验原理流体流经反应器的流动状态，可以采用激发一一响应技术，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

13、口处检测示踪剂的浓度随 时间t的变化关系数据或变化关系曲线。由实验测得的c(t) -t 变化关系曲线可以直接转换为停留时间分布密度 E(t)随时间t变化的关系曲线。由实验测定的 E(t) -t 曲线的图像，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E(t) -t 曲线的典型图像，如图1所示。若各釜的有效体积分别为Vi、V2和V3,且各釜体积相同，即V|= V2= V3， 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VidTR=V24STR=V3工STR时，则其 E(t) -t 曲线的图像如图1(a)所示；当各釜体积虽相同，但单釜、二釜串联三

14、 釜串联的总有效体积又各不相同时，如单釜有效体积VysTR- V-!，而双釜串联总有效体积V2STR=v,V2=2V,，三釜串联的总有效体积V3STR=v,V2V3V,，则其E(t) -t 曲线的图像如图1(b)所示。9(a)图1全混流反应器和多级串联全混流反应器的E(t) -t 曲线停留时间分布属于随机变量的分布，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，t?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】E(t)dt t?(1)

15、0E(t)dt如果取一定时间间隔的离散数据，即兀为定值，则停留时间的数学期望可按下式E(i) |E(t) *NF10n迟tiE(tjt?=-Ln送 E(h )iT本实验以水为主流体，氯化钾饱和溶液为示踪剂(2)当水的进出口体积流率恒为Vs，11示踪剂的注入量为no，则停留时间分布密度与浓度的关系为Vs0E(t)丄c(t)(3)n。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 c(t)呈过原点的线性关系，又知电导率与电导率仪输出的电压显示值U (t)呈线性关系，则停留时间分布密切 E(t)与 U (t)存在如下线性关系:VsoE(t) c(t)二KU(t)

16、(4)n。式中 K 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：如果流体流经反应器无密度变化，即体积流率Vs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 t :_ V tVS式中 V 为反应器的总有效体积。(2)停留时间分布的方差，G2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(t -?E(t)dt2 - 0ct二f0E(t)dt(6)12经整理后可得:+ = 0 t2E(t)dt -P2如果采集等时间间隔的离散数据，则可按下式计算:nZi 4n

17、2tiEtit?E(ti)i =4按照上述相同原由，本实验中的方差还可按下式计算:(3)以无因次时间为时标的数字特征无因次时间二的定义式为=t/t?以无因次时间为变量的数学期望9 -E) -1以无因次时间为变量的方差? -v -?E(d J2E(dr -1-2与匚t2两者之间存在如下关系:-；/?(7)(8)(9)(10)(11)(12)(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N1314联立（7）和（14）两式求解可得

18、模型参数:N =1/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、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.转子流量计；3.搅拌针；4.调速电机；5.电导池；E(t)/ 21NNt(N -1)! t

19、_Nt/te(14)(15)(16)156.电子计算机；7.检测与控制器。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、实验方法

20、1.实验前的准备工作(1) 将贮水槽灌和循环水泵灌满水，启动循环水泵，排尺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30601hJ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(KCI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“开始采集”指令键，开时数据采集。示踪剂注入量应与主体流体的流量相适应， 以屏幕上显示最高电压值不超过预先 设定值为度(一般1ml左右)。注入口根据实验要求，单釜、双釜或三釜串联实验， 分别由第3釜、第2釜或第1釜顶注入口注入。(2)当采集的电压值再次重复出现初值时，点击“终止采集”的指令键，终止数 据采集。再单击“存储数据1”指令键，将采集的数据付于文件名存入机