化工专业实验讲义课件

1、化工专业实验部分实验一 连续均相反应器停留时间分布测定实验装置一实验目的1.了解停留时间分布实验测定方法及数据的处理方法；2.通过脉冲示踪法测定实验反应器内示踪剂浓度隨时间的変化关系；3.求出停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）、停留时间分布数学特征值数学期望和方差，并和多级混合模型或轴向扩散模型关联，确定模型参数虚拟级数N或Pe。二实验原理由于连续流动反应器内流体速度分布不均匀，或某些流体微元运动方向与主体流动方向相反及内部构件等原因，使反应器内流体流动产生不同程度的返混。在反应器设计、放大和操作时，往往需要知道反应器中返混程度的大小。通过停留时间分布测定能定量描述返混程度

2、的大小。因此停留时间分布测定技术在化学反应工程领域中有一定的地位。停留时间分布可用分布函数F（t）和分布密度函数E（t）来表示，两者的关系为：, 测定停留时间分布最常用的方法是阶跃示踪法和脉冲示踪法。阶跃法： 脉冲法： 式中：C(t)时间t时反应器出口的示踪剂浓度。Co阶跃示踪时反应器入口的示踪剂浓度。U流体的流量 Q脉冲示踪瞬间注入的示踪剂量。由此可见，若采用阶跃示踪法，测定出口示踪物浓度变化，即可得到F（t）函数；而采用脉冲示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，就可得到E（t）函数。实验装置图单釜与三釜串联实验流程图 三实验装置和流程本实验采用脉冲示踪法分别测定单釜与三釜串联反应器、管式反应器

3、、滴流床反应器的停留时间分布，测定是在不存在化学反应的情况下进行的。实验流程见上图。四实验步骤1开启高位槽的上水阀，当高位槽出现溢流后再开启各组实验装置分阀及流量计上的阀门，并将流量调为规定值，保持高位槽溢流状态，使流量稳定；2接通搅拌器电源，慢速启动电机，将转速调至所需稳定值；3接通各电导率仪电源，调整电极常数与电极上标出的数值一致；4检查数模转换器联线，接通电源；5启动计算机，在Windows桌面上双击图标启动本采集软件，计算机界面图见图2-8-4 。6用针筒在反应器的入口快速注入一定量的1.7N的氯化钾溶液，同时单击“开始实验” ,此时由计算机实时采集数据； 7待反应器浓度不再变化后，单

4、击“退出”以结束采集。接着退出 “组态环境”进入数据计算与分析”，可浏览实验结果，最后可打印出计算结果与图形。五实验数据记录 实验数据列于下表。实验条件反应器类型流量（L/m）示踪剂注入体积（ml）反应器装水体积（ml）单釜反应器三釜串联反应器采集的实验数据时间t（秒）浓度C（t） E（t） F（t） 六实验数据处理在一定的温度和浓度范围，氯化钾水溶液的电导率与浓度C成正比，由实验测定反应器出口流体的电导率（或与之对应的数模转换器的毫伏数）就可求得示踪剂浓度。从我们实测的氯化钾水溶液（以自来水作为溶剂）的电导率（或对应的毫伏数）浓度数据可以看出：当浓度很低时，在一定的温度下，它的电导率（扣除自

5、来水电导率后的净值）较好地与浓度成正比，故在计算F（t）和E(t)时也可用电导率（或对应的毫伏数）代替浓度进行计算。按式计算实验结果。(1) 停留时间分布函数：(2) 停留时间分布密度函数：(3) 平均停留时间：(4) 方差：， (5) 多数混合模型的虚拟级数：七实验结果和讨论1将单釜、三釜反应器的实验结果列于表。不同类型反应器实验结果反应器2N单 釜釜A釜B釜C实验二 减压精馏实验一实验目的1 熟悉减压精馏的原理和减压精馏装置；2 掌握减压精馏塔的操作方法；3 利用减压精馏方法制取高浓度乙醇；二实验原理精馏是化工过程中重要的分离单元操作，其基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发度(或沸点

6、)的差异，通过一精馏塔经多次汽化和多次冷凝将其分离。 在精馏塔底获得沸点较高(挥发度较小)产品, 在精馏塔顶获得沸点较低(挥发度较大)产品。但实际生产中也常遇到各组分沸点相差很小，或者具有恒沸点的混合物，用普通常压精馏的方法难以完全分离。此时需采用其他精馏方法，如减压精馏、恒沸精馏、萃取精馏、溶盐精馏或加盐萃取精馏等。减压精馏，装置操作压力降低，混合物沸腾温度下降，精馏塔可在较低温度下工作。这样可以降低塔釜加热温度，减少能耗。对高温下易氧化分解的物质，可避免氧化分解。有些在常压下能形成恒沸点的混合物，减压下恒沸点可能消失。萃取精馏是在被分离的混合物中加入某种添加剂，以增加原混合物中两组分间的相

7、对挥发度（添加剂不与混合物中任一组分形成恒沸物），从而使混合物的分离变得很容易。所加入的添加剂为挥发度很小的溶剂（萃取剂）,其沸点高于原溶液中各组分的沸点。由于萃取精馏操作条件范围比较宽，溶剂的浓度为热量衡算和物料衡算所控制，而不是为恒沸点所控制，溶剂在塔内也不需要挥发，故热量消耗较恒沸精馏小，在工业上应用也更为广泛。乙醇水能形成恒沸物（常压下，恒沸物乙醇质量分数95.57%，恒沸点78.15），用普通精馏的方法难以完全分离。可采用萃取精馏或减压精馏的方法获得高浓度的乙醇。沸点和压力的关系有一些经验规律：1. 压力降低到2.67 kPa(20 mmHg)大多数有机物沸点比常压低100-120。

8、2. 压力在1.33-3.33 kPa(10-25 mmHg)之间，大多物质压力每变化0.133 kPa， 沸点大约相差1。3. 压力在3.33 kPa以下，大多物质压力每降低一半，沸点大约下降10。对乙醇（1）-水（2）体系，饱和蒸汽压 和， 可由Antoine 方程计算，Antoine 方程形式如下： 式中，和-bar(100000Pa), T-K由化工热力学研究，压力较低时，原溶液组分1（轻组分）和2（重组分）的相对挥发度可表示为 加入溶剂S后,组分1和2的相对挥发度（12 ）S则为 式中, 加入溶剂S后,三元混合物泡点下，组分1和2 的饱和蒸汽压之比； 加入溶剂S后,组分1和2的活度系

9、数之比。一般把叫做溶剂S的选择性。因此，萃取剂的选择性是指溶剂改变原有组分间相对挥发度的能力。越大，选择性越好。三实验装置流程和试剂1.减压精馏塔减压精馏塔流程见图。图上部为冷凝器回流头1，回流量由回流比调节器6控制。回流比调节器由电磁摆针、电磁铁和时间继电器构成。冷凝器通冷却水冷却。塔顶产物进入塔顶产物接收瓶5。塔身由24/27耐热玻璃管制成，内装填2-3 网环。塔分三段：上部为回流段（填料层高100mm,）2-1，中部为精馏段（填料层高700-800mm）2-2和下部为提馏段（填料层高250-300mm）2-3。精馏段上端配有测温口T和溶剂加料口（普通减压精馏可不用），下端也配有测温口T及

10、原料加料口。各塔节外套有31/34玻璃套管，其外缠电热带（7-1、7-2、7-3）保温。原料加料由原料管9-1，溶剂加料由溶剂管9-2（普通减压精馏可不用），分别经加料管连续进入塔内。塔釜为300-500 ml四口瓶3，主口接精馏柱，三个侧口分别接温度计T、真空压力计P和塔底产物接受瓶4。塔釜用电热包8加热。电热包8和电热带（7-1、7-2、7-3）的加热量由数显温控仪配控温温度计控制。真空系统包括缓冲瓶10（二个），真空泵11。本装置配有计算机数据采集和控制系统。可显示塔顶、塔中和塔釜温度及温度随时间变化曲线；可自动调节和控制电热包8和电热带（7-1、7-2、7-3）的加热量。2.仪表控制面

11、板其排列见装置。3.实验试剂乙醇 化学纯(纯度95%)；乙二醇 化学纯(水含量0.3%)（选用）；蒸馏水4.实验设备安装及调试A安装（1） 向精馏柱装填少量瓷环垫底，再装入2-3 网环填料，注意填料要紧密堆积。给玻璃套管缠电热带（每段套管缠1根）。（2）按图 连接冷凝器回流头1、精馏塔身2和塔釜3，插入温度计套管、U真空压力计管和进出料管。注意：玻璃件磨口处要均匀涂上高真空硅脂，以保证磨口连接润滑和密封（磨口处要定期补涂真空硅脂，长期不用应将磨口接头松开，防止磨口结死！）。向温度计套管和加入液体石蜡、U真空压力计管加入水银。连接进料管、塔身，连接冷凝器上下水管、连接塔顶和塔釜出料管（普通减压精

12、馏可不用）及连接U真空压力计管。连接塔釜加热电路、塔身保温电路、热电偶测温电路和回流比调节电路。连接真空系统。B调试（1）检查系统的密封性（可用减压法），检查精馏塔塔身是否垂直。（2）检查各电路运行是否正常。（3）标定回流头和进料口流速（每100滴液体的质量或体积）。（4）校核温度计和真空压力计，校核分析方法。（5）检查计算机系统。（6）测定精馏塔理论塔板数。四 实验步骤和操作1 开启气相色谱仪，调节载气流量、汽化温度、柱温度和热导检测器温度。调节桥流。使之稳定，待产品分析用。 2. 减压精馏塔 （1）准备向塔釜内加入少许碎瓷环（以防止釜液暴沸）及80-120 ml 60-95% 乙醇，向加料

13、管加入60-95% 乙醇.向塔顶冷凝器通入冷却水，并取样分析。开启真空泵，调节到一定的真空度。（2） 升温 合上总电源开关,温度显示仪有数值显示,观察各温度测点指示是否正常.塔釜加热控制和各保温段加热控制仪表应有显示.按动仪表上参数给定键,仪表显示Sn，通过增减键调节釜加热温度设定值和各保温段加热温度设定值.根据设定温度高低，用电流调节旋钮,调节电流。塔釜加热温度设定值和各保温段加热温度设定值也可直接由计算机调定。升温操作注意: a. 釜加热控温仪表的设定温度要高于塔釜物料泡点50-80,使传热有足够的温差.其值可根据实验的要求而调整.如蒸发量小,则应增大温差;如蒸发量大,则应减少温差,以免造

14、成液泛. b. 升温前,再次检查冷凝器-塔头是否通人冷却水！当釜液开始沸腾时,根据塔的操作情况调节各保温段加热温度的设定值，不能过大或过小，否则影响精馏塔操作的稳定性。（3）建立精馏塔的操作平衡升温后注意观察塔釜、塔中、塔顶温度和釜压力的变化。塔头出现回流液时，保持全回流30分钟左右，观察温度和回流量。釜压力过大时，注意检查是否出现液泛。当塔顶温度稳定，回流液量稳定时，可取少量塔顶产品，分析其组成。根据进料组成，估计塔釜液组成。根据全回流时的塔顶和塔釜液组成，可估算全塔理论塔板数。（4）当塔顶产物组成稳定，且显示精馏塔的分离效果良好时，可开启回流比调节器，给定一回流比。维持少量出料。同时开启进

15、料流量计，加入原料。进料量和出料量可按物料衡算计算，保持乙醇的平衡。稳定情况下，回流比控制在3-4：1。（5）实验中应及时记录温度、压力（真空度）、流量和回流比数据。注意观察塔釜液位，如液位显著上升，应及时抽出釜液。（8）实验结束，应停止加热，真空系统放空，停真空泵，切断电源。关闭冷却水。关闭色谱仪。如实验装置长时间不用，应将各磨口接头松开，防止磨口结死！ 五实验数据记录精馏塔操作记录参见表。 精馏塔操作记录 实验日期 室温 大气压塔釜加料量= 克， 原料醇含量（%质量）= 时间釜加热包温度/ 电流mA塔身保温温度/电流mA操作温度塔釜真空度进料量ml/min回流比塔顶产物组成（醇%wt）塔釜

16、产物组成（醇%wt）备注上中下釜中顶原料六实验数据处理1. 估算精馏塔理论塔板数由实验数据，利用芬斯克方程估算理论塔板数（全回流条件下理论板），芬斯克方程为： 对乙醇-水体系，式中相对挥发度可近似取 （由于乙醇-水体系非理想性较强，理论板估算误差较大。较准确的标定方法，是利用苯-四氯化碳或苯-二氯乙烷或正庚烷-甲基环己烷等体系。）2. 比较普通精馏和减压精馏塔顶产物组成3. 估算精馏塔乙醇回收率4. 乙醇回收率（%质量）=塔顶产物质量*塔顶产物醇含量（%质量）/（原料进料质量*原料醇含量（%质量）+塔釜醇的减少量）七实验结果和讨论1 实验结果给出减压精馏塔全塔理论塔板数。给出减压精馏实验条件。

17、比较普通精馏和减压精馏塔顶产物组成，并说明为什么减压精馏塔顶产物醇含量高。2 讨论（1）实验中为提高乙醇产品的纯度，降低水含量，应注意哪些问题。（2）分析影响乙醇的回收率的因素。（3）对实验装置和操作的改进意见。3思考题（1）减压精馏适用于什么体系？（2）减压精馏与普通精馏有何不同？八实验注意事项1 塔釜加热量应适当。不可过大，此时易引起液泛；也不可过小，此时蒸发量过小，精馏塔也难以正常操作。2 塔身保温要维持适当。过大会引起塔壁过热，物料易二次汽化；过小，则塔中增加物料冷凝量，增大内回流，精馏塔也难以正常操作。3 塔顶产品量取决于塔的分离效果（理论塔板数、回流比和真空度）及物料衡算结果。不能

18、任意提高。4 加热控制宜微量调整，操作要认真细心，平衡时间应充分。实验三 填料精馏塔理论塔板数的测定精馏操作是分离、精制化工产品的重要操作。塔的理论板数决定混合物的分离程度，因此，理论板数的实际测定是极其重要的。在实验室内由精馏装置测取某些数据再通过计算得到 该值。这种方法以同样也可用于大型装置的理论板数校核。目前包抱实验室在内使用最多的是填料精馏塔。其理论板数与塔结构、填料形状和尺寸有关。测定时要在固定结构与形式的塔内以标准组成混合物进行。一、实验目的1、 了解实验室填料塔的结构、学会安装、调试的操作技术。2、 掌握精馏理论，了解精馏操作的影响因素，学会填料塔理论板数测定方法。3、 掌握高纯

19、物质的提纯制备方法。二、实验原理精馏是基于气液平衡理论的一种分离方法。对于双组分理想溶液，平衡时气相中易挥发组分浓度要比液相中高；气相冷凝后再次进行气液平衡，则气相中易挥发组分浓度又相对提高，此种操作即是平衡蒸馏。经过多次重复的平衡蒸馏可以使两种组分分离。平衡蒸馏中每次平衡都被看作是一块理论板。精馏塔就是由许多块理论板组成的，理论板越多，塔分离效率就越高。板式塔的理论板数即为该塔的板数，而填料塔理论板用当量高度表示。精馏塔的理论板与实际板数未必一致，其中存在塔效率问题。实验室测定精馏塔的理论板数是采用间歇操作，可在回流或非回流条件下进行测定。最常用的测定方法是在全回流条件下操作，这可免去回流比

20、、馏出速度及其他变量的影响，而且试剂能反复使用。不过要在稳定条件下同时测出塔顶、塔釜组成，再由该组成通过计算或图解法进行求解。具体方法如下：1.计算法二元组成在塔内具有n块理论板的平衡关系，用芬斯克公式表示为： （1）式中，ynn块板上气相组成；x1塔釜液相组成；a相对挥发度；n理论板数 （2）采用全回流操作时，塔顶为全凝器，则塔气相级成yn即等于塔顶馏出液组成xp,yn=xp,釜液组成x1=xw,于是式（2）可写成 （3）计算理想二元混合溶液精馏的理论板数时，可认为相对挥发度为常数。实验上，相对挥发度a随溶液浓度变化而改变。以平均值进行计算其误差较小。如果有a 随浓度变化的关系式，亦可采用逐

21、板计算法。2.图解法用二元体系的气液平衡数据作x-y图，在平衡线与对角线间作xp至xw的阶梯。若相对挥发度较小，则做出的阶梯误差较大，不家采用此法，可改用理论板数与组成关系曲线。根据测定的釜液和塔顶组成查出相应理论板数NP和NW，则测定的理论板数即为 NNpNw 1 （4）三、实验设备与试剂1. 实验试剂：四氯化碳，苯2. 精馏设备如下图所示。四、实验步骤1、 实验前准备工作检查精馏装置是否清洁，如有残留物和少量水或新填料塔时，应用丙酮清洗 并干燥才能使用。装塔，检查垂直度，检查冷却水通畅否，检查温度控制和测量系统正常否。2、 将70ml四氯化碳及30ml苯加入玻璃塔釜内。通入冷却水，打开总电

22、源，并分别打开塔体保温、塔釜测温。3、 当塔头出现蒸汽并进行回流，保持全回流操作2个小时。对塔头、塔釜产物进行分别取样分析。4、 实验结束后关闭电源，并继续通水，待温度降低后停止通水。五、数据处理1、测量数据填料类型塔顶塔釜316L，2x2mm网环填料四氯化碳苯四氯化碳苯72.2427.769.0990.9172.0927.919.0190.99 2、校正举例 四氯化碳校正因子f 1.82，苯校正因子f 1.0查得a1.107y 33 有效填料高度1.33.分析采用热导池检测器色谱，色谱柱采用6201，柱温70。 实验四 结晶实验一、实验目的1、通过实验加深对结晶过程的理解；2、熟悉结晶设备的

23、构造，掌握结晶操作方法；3、能够对结晶过程作全塔物料衡算及收率的计算；4、会使用气相色谱仪分析液体的组成。二、实验原理工业生产中，混合二氯主要有两个来源，其一,由苯定向氯化法制得，组成为对二氯苯（PDCB）8790%，邻二氯苯（0DCB）1013%。其二，源于氯苯生产的副产物，组成为：PDCB6570，0DCB3035%。由于应用上对PDCB和0DCB的纯度要求都比较高，尤其是PDCB要求纯度达到99.9%以上，因此必须对混合二氯苯进行分离。 为寻找分离的依据，比较二者的物理性质，发现沸点相差很小（PDCB 174，ODCB 179）,熔点却相差颇大（PDCB 53，ODCB -17），表明结

24、晶分离比精馏分离法更具可行性。溶质从溶液中结晶出来，要经历两个步骤。首先要产生被称为晶核的微小晶粒作为结晶的核心，这个过程称为成核。然后晶核长大，成为宏观的晶体，这个过程称为晶体成长。无论是成核过程还是晶体成长过程，都必须以浓度差即溶液的过饱和度作为推动力。溶液过饱和度的大小直接影响成核和晶体成长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影响着晶体产品的粒度分布，因此，过饱和度是结晶过程中一个极其重要的参数。溶液在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液所构成的混悬物成为晶浆，去除悬浮于其中的晶体后剩下的溶液称为母液。结晶过程中，含有杂质的母液会以表面粘附和晶间包藏的方式夹带在固体产品中。工业上，通常对晶浆进

25、行固液分离以后，再用适当的溶剂对固体进行洗涤，以尽量除去由于粘附和包藏母液所带来的杂质。三、仪器设备及试剂1、仪器：100mL烧杯三个、滤纸若干、色谱分析仪、天平及砝码、微量进样器、真空泵、恒温水浴2、试剂：邻二氯苯CP、对二氯苯CP、丙酮AR3、分析方法：气相色谱热导单检测器，载气H2流量30ml/min，柱前压0.10Mpa，色谱相苯二甲醚二壬酯620120，柱长3m，柱温120，汽化150，桥流100m A，典型色谱峰谱图如图1所示。四、实验前的准备工作1、实验前先用丙酮清洗一下设备。2、检查一下设备各接口的连接，打开真空泵，检查真空度是否能够达到要求3、用保温材料给设备及管路保温4、用

26、天平称量一下烧杯的质量，并称量出100mL原料的质量5、打开气相色谱仪，打开氢气，开始升温。五、实验步骤1、实验前先用丙酮清洗一下设备，并检查一下设备各接口是否连接好，真空度是否能够达到要求。2、配制溶液。在室温下用对二氯苯溶于邻二氯苯，配制成浓度50的溶液，将溶液倒入计量瓶内；3、冷冻液的操作，按操作书所示，将致冷槽内倒入乙二醇，开启致冷机，温度由低至高取不同值，供实验用（一般取10、5、0、5、10）5个数据点；4、当温度到达规定值后，开动循环液，使结晶器降温，同时开启结晶器搅拌马达控制转速在100转，温度稳定后，打开计量瓶活塞，调节转子流量计，控制一定流量（流量取3ml/min），此后打

27、开下部阀门，使液体不断流出，当进料管达到100ml时，停止加料，继续排液，在液体排液量很少时，抽真空，直到无液体流出，关闭真空泵，停止搅拌；5、在进行致冷操作时，恒温水浴也开启做准备，温度控制在60，此时改装热水循环，并将三通阀转至烧杯处，有液体不断流出；6、最后分析两液体浓度。注意当熔化后的溶液在室温下又产生结晶，此时取一部分在样品瓶中，倒入部分分析纯丙酮，使其溶解后进行色谱分析；7、最后计算收率，并做出对二氯苯组成随结晶温度变化的关系曲线；8、条件允许可做高浓度的溶液，如室温在20下采用饱和溶液。9、改变转速、流量、进料量等，观察一下这些因素对收率的影响。六、实验数据处理1、实验数据记录原

28、料组成：PDCB (对二氯苯) % ， ODCB（邻二氯苯） %烧杯重量： g，100ml原料+烧杯重量： g，流量： l/min搅拌转速： 转/分，循环热水温度： ，真空度: MPa序号结晶温度（）母液分析晶体分析母液质量（g）PDCB%晶体质量（g）PDCB%123452、数据处理若用表示原料总重量， 表示晶体重量，表示原料中对二氯苯组成，表示晶体中对二氯苯组成，则对二氯苯收率计算式为：3、实验结果根据实验记录和数据处理给出实验结果。实验结果表：序号结晶温度()晶体纯度（PDCB%）PDCB收率%12345七、思考与讨论1结晶过程的推动力是什么？2常用的结晶方法有哪些？各在什么条件下使用？

29、3采用熔融结晶的方法能否将邻、对二氯苯完全分离，为什么?4. 要减少母液在晶体中的附着，除采用上述结晶方法外，你认为可以采取哪些其他的结晶方法？可采取哪些手段来迫使母液脱离晶体？5结晶器结构设计有何重要性？6结晶过程的实验研究，可以获得哪些对结晶过程放大有价值的数据？八、参考文献1丁维绪.工业结晶.北京:化学工业出版社，1985.2.松岗正邦.化学装置，19883.房鼎业，乐清华，李福清.化学工程与工艺专业实验.北京：化学工业出版社，2000.实验五 液固体系的无机陶瓷膜分离实验1 实验目的1了解无机膜分离新技术、无机陶瓷膜性能特点和膜的分离原理。2测定评价膜分离性能优劣的主要指标的方法，了解

30、影响膜通量的主要因素。3掌握膜通量恢复和清洗的实验技能。2 实验原理1. 实验原理膜分离是一种新型的分离技术，它是借助于膜对分离体系的选择渗透作用对混合物进行分离、分级、提纯和富集的方法。陶瓷膜是无机膜中最常用的一种。陶瓷膜是以陶瓷材料如氧化铝、氧化锆、氧化钛等制成的不对称分离膜。膜管分为单通道膜管（单管）和多通道膜管。膜管内管壁涂有均匀薄涂层，起到有效分离作用。在操作压差的作用下，小于膜孔孔径的粒子及溶剂流可以通过无机陶瓷膜而形成透过液（渗透液），未渗透的流体在管路内循环，浓缩至一定程度后收集或排放。实验所用的多通道不对称陶瓷膜管由三层结构构成：多孔载体，过渡层，活性分离层，如图5-1所示。

31、多孔载体的作用是保证膜的机械强度，要求其有较大的孔径和孔隙率，以增加渗透性，减少流体流动阻力。多孔载体的孔径一般是0.021.0m左右，其形状有平板式、管式以及多通道蜂窝状，而以后者居多。多孔载体一般由三氧化二铝、二氧化锆、碳、金属、陶瓷以及碳化硅材料制成。图5-1 多通道不对称陶瓷膜管示意图过渡层是介于多孔载体和活性分离层中间的结构，有时称之为中间层。过渡层的作用是防止活性分离层制备过程中颗粒向多孔载体渗透。由于有过渡层的存在，多孔载体的孔径可以制备的较大，从而减小流体透过膜的流动阻力，提高膜的渗透通量。根据需要，过渡层可以是一层，也可以是多层，其孔径从表面逐渐减小，以与膜的活性分离层匹配。

32、一般而言，过渡层的孔径在0.25m左右，每层厚度不大于40m。活性分离层即是薄涂层，它是通过各种方法负载于多孔载体或过渡层上，膜分离过程主要发生在这层薄膜上，活性分离层的材料常采用氧化锆，分离膜层的厚度一般为0.510m之间，现在正在向超薄方向发展，已可以在实验室制备出几个纳米厚的超薄分离层。实验室中一般采用微孔滤膜处理法。微孔滤膜主要采用筛分的原理，颗粒的直径比膜的微孔的孔径大或与其相当，这种颗粒能被截留而与原液分离。2. 实验体系本实验的分离体系是由碳酸钙和水配成的液固混合体系（具有一定浓度的碳酸钙悬浮液），在操作压差作用下，水（溶剂）透过膜流入渗透侧成为滤液，而大于孔径的物质（碳酸钙颗粒

33、）被膜截留，进入循环液逐渐浓缩，从而达到物质的分离、浓缩和提纯的目的。操作压差的计算公式如下： (1)式中：p1-膜管进口处压力(MPa)；p2-膜管出口处压力(MPa)；p3-渗透侧压力(MPa)3. 评价膜分离性能的指标和影响膜（渗透）通量的因素评价膜性能优劣的主要指标是：溶剂的渗透通量和对溶质的截留率。膜通量J是指物料（如水）在单位时间内通过单位膜面积的量， L/(m2h)，该指标用于评价膜的处理能力。膜通量J的计算公式为： (2)式中：J-膜通量(L/m2h)；V-渗透量(L)；t-取样时间(h)；A-膜有效面积(m2);截留率R表示膜截留某些组分的能力，该指标用于评价膜的分离性能。截

34、留率的计算公式为： (3)式中：R-膜对溶质的截留率；C1-原料液中溶质的浓度g/g；C2-透过液中溶质的浓度g/g；影响膜通量的因素主要有：传质推动力，膜的阻力，膜料液侧的流动情况（边界层阻力）及膜的污染。膜的阻力通常是固定的，除非膜孔被堵塞。被膜截留的组分将积累在膜面上，使通量下降。本实验中可考察膜通量和截留率随操作压差、循环流量（即，膜面流速）、时间和温度等操作因素的影响。在膜分离过程中，由于膜面的污染导致渗透通量不断下降，当下降到一定程度时，须对膜进行清洗。4. 膜污染与再生膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学作用或机械作用而在膜表面或膜孔内吸

35、附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜渗透通量降低，膜污染可以通过清洗的方法进行恢复。膜管清洗可以采用在线清洗。在线清洗的原则是在髙流速、低压力下进行的。本实验体系为碳酸钙，可采用在线反冲和清水清洗的方法恢复膜通量。当膜污染严重时，可拆下膜管（离线）清洗，通常可采用物理方法和化学方法。物理方法是指采用高流速水冲洗，海绵球机械清洗等去除污染物；化学方法是采用对膜材料本身没有破坏、对污染物有溶解作用或置换作用的化学试剂对膜进行清洗。三、实验流程与材料实验流程，如图5-2。将料液加入原料循环罐1内，开启循环泵2，料液留经膜组件3，渗透液通过转子流量计5返回原料循环罐，循环液（浓缩液）通过循环流量计4返回

36、原料循环罐。通过控制进出膜管的阀门调节不同的操作压力，通过调节转子流量计控制循环流量。1. 原料循环罐；2. 原料循环泵；3. 膜组件；4.浓缩液流量计；5.渗透侧流量计；6.反冲缓冲罐；DV1 , DV2, DV3-电磁阀；V1-7-阀门；P1-.3 -压力表；T-循环液温度表图5-2无机陶瓷膜分离实验流程图实验使用的是膜管外径30mm、通道内经4mm、长度50cm的19孔陶瓷膜，膜表面为氧化锆，莫面积为0.1m2，膜孔径选择的是20nm。四、实验步骤1. 关闭所有阀门；2. 加料液至原液罐中约10-20L；打开阀门V2、V3及电磁阀DV2（电磁阀的开关在控制面板上）；3. 启动原料泵；4.

37、 调节阀门V2、V3至所需流量和操作压差；观察循环流体及透过液的流动情况；用量筒在透过液出口处测量单位时间内透过液的流量（mL/min)；5. 实验内容，测定透过液通量随操作压差、流量的变化规律。固定流量，测定不同操作压差下纯水通量；固定操作压差，测定透过液通量的变化（需要同时调节阀门V2、V3）；6. 反冲洗。关闭阀门V2及电磁阀DV2（此时V3打开）；打开电磁阀DV3，启动空压机至压力表P3的读数为0.30.4MPa，关闭空压机及电磁阀DV3；过一段时间后，观察气体在转子流量计4及原料缺罐中的流动情况（在这个过程中完成气体对污染膜表面的反冲洗过程）；反冲洗过程结束后，打开电磁阀DV1将剩余

38、的空气排空；7. 运行结束后打开V1、V4、V5、V6、V7，排空系统中的料液，清洗设备及管路；8. 关闭所有阀门。五、实验数据与记录膜材料： ；膜孔径： ；膜面积： ；膜管形式： 实验设备号： ；实验地点： ；实验时间： 1. 纯水通量的测定纯水通量的大小与操作压力P，温度等因素相关，在一定温度下，从小至大改变操作压差，再从大至小改变压差，记录不同条件下膜渗透通量，通量用秒表和量筒记录后计算出结果，其实验结果如表5-1，根据表5-1的实验数据做出膜渗透通量随压差的变化关系。表5-1 操作压差对膜通量的影响循环流量： L/h ；温度： 操作压差P（MPa）0.090.110.130.15渗透液

39、体积(mL)从小至大取样时间(s)渗透通量J/(m2h)渗透液体积(mL)从大至小取样时间(s)渗透通量J/(m2h)根据实验数据作图。2. 碳酸钙体系分离实验调整操作压力和循环流量，在水中加入一定量的碳酸钙颗粒，记录流量随时间的变化结果，并将实验结果记入表5-2，根据表5-2的实验数据做出膜渗透通量随时间的变化关系。表5-2 膜通量随时间的变化时间(min)渗透液体积(mL)取样时间(s)渗透通量J/(m2h) 3.反冲时间对膜通量的影响表5-3 反冲时间对膜通量的影响操作压差： ；循环流量： ；温度： 浓度： 反冲间隔时间5min 持续时间 2s反冲次数1234渗透通量J/(m2h)反冲间

40、隔时间 min 持续时间 s反冲次数渗透通量J/(m2h)五、实验报告1. 叙述无机陶瓷膜液固分离原理；2. 绘出无机陶瓷膜分离实验的原则流程；3. 整理实验数据表格，并绘制渗透通量随操作压差、时间等的变化曲线，及反冲清洗的；4. 讨论实验结果。6、 思考题1. 进料液的温度、压力等操作条件对处理过程有什么影响？2. 膜污染后如何处理？3. 无机陶瓷膜分离性能有哪些主要指标，影响膜渗透通量有哪些主要因素？4. 影响膜面污染的主要原因。实验六 邻二甲苯气相氧化制取邻苯二甲酸酐一、实验目的1、 了解气相催化氧化制取含氧有机化合物的原理和方法。2、 掌握气固相催化反应的实验技术。3、 认识催化剂在化

41、学品合成中的重要意义。二、实验原理由于邻二甲苯（O-Xylene,OX）侧链的易氧化特性，将邻二甲苯和空气组成的混合气体通过以五氧化二钒、二氧化钛为主的催化剂，在360以上发生氧化反应，在生成主产品邻苯二甲酸酐（Phthalic Anhydride,PA）（俗称苯酐）的同时，还生成顺丁烯二酸酐（俗称顺酐）、邻甲基苯甲醛、苯甲酸等副产物。主反应式：完全氧化反应（燃烧反应）：反应历程：三、实验装置流程及试剂实验装置照片见图1。图1邻二甲苯的气相氧化装置实物图邻二甲苯的气相氧化制邻苯二甲酸酐的反应在管式固定床反应器内进行，固定床反应器上端（反应器高度的1/3）装填惰性刚玉球，起预热和混合原料气的作用

42、，下端（反应器高度的2/3）装填催化剂，起氧化反应作用。装在滴定管中的邻二甲苯由柱塞式计量泵输送，通过调节邻二甲苯转子流量计阀门、循环回流阀门及计量泵行程控制进入反应器顶部的邻二甲苯流量；从空气压缩机出来的空气一部分经进气转子流量计计量后进入反应器顶部，另一部分经冷气转子流量计在反应进行后作为冷激气进入反应器中部。进入反应器的原料先经过上段预热，然后通过催化剂床层（中段和下段）进行氧化反应。反应气体从反应器下端出来经过第一捕集器冷却成白色针状晶体并加以收集，余气经过第二捕集器再次冷凝收集产品。尾气经过冷凝器冷凝后排空。实验试剂：邻二甲苯（O-Xylene），纯度99%。四、实验操作步骤1、称取

43、苯酐第一捕集器及第二捕集器的初始重量分别记为W10和W20。安装捕集器，检查各部分仪器连接是否正确，通过测试压力检查流程气密性，打开冷凝器冷凝水阀。2、接通装置电源，启动无油空气压缩机，调节出口压力约为0.1MPa，调节进气转子流量计约为200L/h。3、对反应器进行加热，反应器上段、中段和下段控制仪表设定温度分别约为300、360和370。床层温度控制仪表的报警上限温度设定约为430（超温计量泵自动断电），设置回差为30（即低于400后计量泵自动启动），若床层温度控制仪表失灵应手动开关计量泵电源。4、在滴定管中加入邻二甲苯，开启计量泵进邻二甲苯，排尽管路中的空气后，微开邻二甲苯转子流量计阀门

44、、循环回流阀门并通过调节这两个阀门及计量泵行程控制进入反应器顶部的邻二甲苯流量约12ml/h0.2ml/min1ml/5min，邻二甲苯在空气中的浓度约为（120.88）g/h/0.2m3/h=52.8g/m3）。5、反应较快进行后（温度上升至约400，温升速度约为0.1-0.2/s，第一捕集器底部中心位置开始变模糊时），记下邻二甲苯滴定管的刻度数V1，并通过适当调小邻二甲苯的进料量以及增大冷激气的流量，使反应器床层热点温度控制在400430之间，防止催化剂产生飞温。 6、反应过程中要密切注视各部位的温度控制是否正常，流量是否稳定，当反应器温度达到300时开始每隔5分钟按要求记录数据，填入实验

45、记录表。观察到第一捕集器中的白色针状晶体产生一定量后，关闭加热电源，关闭柱塞式计量泵电源，停止邻二甲苯进料，记录邻二甲苯滴定管的刻度数V2。继续用两路空气吹扫反应器床层，待反应器温度下降至250后关闭空气压缩机。 8、取下第一和第二捕集器，待其降至常温后称其重量W1和W2。之后将产品倒入废物桶中。9、实验结束后关闭装置总电源电源，关闭冷凝水。若长期不用可将两个捕集器和连接管放入温水中清洗待用。五、实验数据记录邻二甲苯气相氧化制取邻苯二甲酸酐实验操作记录列于表1，实验中间隔五分钟记录一次数据。表1邻二甲苯气相氧化制取邻苯二甲酸酐实验操作记录空气流量L/h:V1/ml=V2/ml=W10/g=W2

46、0/g=W1/g=W2/g时间minOX刻度数mlOX流量ml/5min床层温度冷气流量L/h六、实验数据处理计算生成物PA 粗品摩尔收率。式中：WPA和WOX分别为PA和OX的质量，g；MPA和MOX分别为PA和OX的摩尔质量，148.11 g/mol和106.17 g/mol；W1、W2、W10、和W20别的含义见“实验操作步骤”，g；V1和V2的含义见“实验操作步骤”，ml；OX为邻二甲苯的密度，取0.88 g/ml。七、实验结果与讨论实验结果：根据实验记录和数据处理给出实验结果。思考与讨论：1、反应热点温度对苯酐收率的影响？2、影响反应热点温度的因素有哪些？如何才能使反应能够稳定地进行

47、？3、反应气管路堵塞对实验造成的后果如何？4、讨论PA粗品摩尔收率高低的原因？5、气固相催化反应过程包括哪些步骤？八、实验注意事项1、反应热点温度的控制实验过程中要密切注意反应器床层的热点温度，当温升较快时，可以通过减少邻二甲苯的流量来减少反应热，同时可以加大冷激气的流量，以此降低温升速度。床层温度超过控制仪表的报警上限温度时计量泵自动断电，若床层温度控制仪表失灵应手动开关计量泵电源，停止邻二甲苯进料。2、保持系统气路畅通由于苯酐的熔点为131，常温下为白色针状晶体，以此从反应器底部出来的产品气在出气流道中因降温而结晶在管道内壁上，甚至会堵塞气路，当发现系统压力上升时，应及时用铁丝疏通管路。九

48、、参考文献1、张雅明，谷和平，丁健化学工程与工艺实验南京：南京大学出版社，20062、廖巧丽，米镇涛化学工艺学北京：化学工业出版社，2001十、附录：原料与产品性质：（1）邻二甲苯（O-Xylene），分子量106.17，密度0.88，熔点-25 ，沸点144 ，闪点29 。无色透明液体，有芳香气味，有毒。不溶于水，溶于乙醇和乙醚，与丙铜、苯、石油醚和四氯化碳混溶。主要用于有机合成和溶剂。（2）邻苯二甲酸酐，也称苯酐（Phthalic Anhydride），分子量152.16，密度1.527（4），熔点131，沸点284.5 ，闪点151.7 。白色针状晶体。微溶于冷水，易溶于热水并水解为邻苯

49、二甲酸。溶于乙醇、苯和吡啶。微溶于乙醚。用于制增塑剂、染料、药物、聚酯树脂、醇酸树脂、塑料和涤纶等。实验七 稳态法气相扩散系数的测定一、实验目的1了解一维拟稳态扩散传质的基本原理。2掌握用斯蒂芬管（Stefan Cell）测定气相扩散系数的方法。3对比讨论气相扩散系数的经验计算值与实测值。二、实验原理将装有液体A的斯蒂芬扩散管（见图2-6-1）置于恒温水槽中，惰性气体B（如空气）以恒定的流速流过扩散管顶部的水平段。由于顶部气体流速较低，管内液面离开管顶有一定距离，故可认为在液面上部为一静止气层B，蒸发的组分A向上通过静止气层B扩散至管口，在管口A组分被大量的惰性气流B带走。液面处的组分A分压为其在实验水浴温度下的饱和蒸气压，水平段组分A分压可视为零。由于组分A的汽化使扩散距离Z不断随时间增加，记录时间t与距离Z的关系即可计算出