化学反应工程实验

1、化学反应工程实验河北科技大学化学与制药工程学院化学反应工程课程组实验1 二氧化碳甲烷化反应动力学的测定一、实验目的测定催化剂的反应动力学数据及确定动力学方程中各参数值是化学动力学研究的重要内容，也是工业反应器设计的基础。本实验通过测定不同温度下、不同初始组成的二氧化碳甲烷化反应的转化率，掌握一种获得气固相催化反应速度常数以及吸附平衡常数的定方法。二、实验原理二氧化碳与水蒸汽在镍催化剂存在下，进行如下甲烷化反应：催化剂以氧化镍为主要成分，三氧化二铝为载体，氧化镁或三氧化二铬为促进剂，在使用前，需将氧化镍还原成具有催化活性的金属镍。反应的动力学方程为：分离变量并积分得： 因为二氧化碳甲烷化反应为变

2、体积的反应，各组分分压可表示为（假设混合气体在低压下符合道尔顿分压定律）：以上各式中，为反应速度常数；为各组分的吸附平衡常数；为反应物瞬时摩尔分率；为初始反应物摩尔分率；为进口混合气体流量，Nm3/h；W为催化剂质量，g；为该反应的化学膨胀因子，这里为-2。反应速度常数和各组分的吸附平衡常数分别满足阿累尼乌斯方程和范特霍夫方程，即：因此，动力学方程中共有8个待定参数。利用积分反应器测定不同温度、不同入口初始组成时二氧化碳的出口转化率x，以为变量，转化率x的计算值与实验值相对误差的平方和为目标函数，用参数估值的方法可得出各待定参数的值。三、实验装置及流程实验流程见图1，反应管为20×3

3、不锈钢管，内径14，内装催化剂0.5g左右（以实际称量值为准），催化剂粒度0.20.3mm，催化床中部插有热电偶，并与测温仪表相连测定反应温度。来自钢瓶的氮气、氢气和二氧化碳，分别经减压阀和过滤器后，用质量流量计调节流量。三股气体经过混合器进入预热器。经过预热的混合气体再进入反应器中反应，反应后的气体经冷却除去冷凝水后去气相色谱进行分析或放空。图1 实验流程图四、实验步骤1启动按实验流程将反应管接入体系中，打开氮气、氢气和二氧化碳钢瓶的总阀门，用减压阀调节出口压力至0.1MPa。将控制柜各调节旋扭回零后，再按下控制柜开关，检查各仪表显示是否正常。2系统试漏将系统用氮气充压400mm水柱，封闭体

4、系，若十分钟内压差不变，证明系统不漏气。否则，应仔细检查，消除漏点，重新试验，直到合格为止。3催化剂升温还原准确称取催化剂0.5g（精确到小数点后三位），在教师指导下，将催化剂装入催化床，然后将反应管接入系统。经再次试漏后，准备升温还原。用质量流量计调节氮气流量为50 ml/min，置换系统2 min，除去残余的空气。在氮气的吹扫下，通过调节温控仪表将预热器和反应器在15 min升温至300 。然后，配入氢气，使反应器温度在1 h升温至400，再恒温1 h，还原结束。4不同温度下二氧化碳转化率的测定还原结束后将反应器温度降至240，调节氢气、二氧化碳和氮气流量，恒定15分钟后测定二氧化碳的转化

5、率。改变组成或空速，继续测定，要求每一温度至少测定四点。在测定过程中，反应器温度必须恒定，温度波动不大于0.5，各气体流量必须稳定不变。同时要选择合适的空速或组成，使所测各点变换率在3070%之间。将炉温升高20左右，重复上述过程。要求至少测定四个温度下的数据。并按表1记录格式详细记录所需数据。表1 数据记录表实验号室温/反应床温度/CO2流量/NmL·min-1H2流量/NmL·min-1N2流量/NmL·min-1反应后CO2干基摩尔分率123（1）原料气中各组分摩尔分率的计算式中：为各气体体积流量(mL/min)。（2）计算二氧化碳转化率式中：为反应原料气中

6、CO2的摩尔分率，为反应器出口体中的CO2的干基摩尔分率。将以上计算结果记录于表2中用于模型参数的估值。表2 数据处理表实验号反应床温度/CO2摩尔分率H2摩尔分率N2摩尔分率反应后CO2转化率1235编出模型参数估值的源程序，并在计算机上计算出不同温度下的反应速率常数和吸附平衡常数。实验2 多釜串联反应器停留时间分布的测定一、实验目的1. 通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。2. 掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。3. 学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。二、实验原理停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入

7、示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图2形象地描述。图2 脉冲法测定停留时间分布示意图由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此，E（t）dt就代表了流体粒子在反应器内停留时间介于t到t+dt之间的概率。在反应器出口处测得的示踪剂浓度c(t)与时间t的

8、关系曲线叫响应曲线。由响应曲线就可以计算出E（t）与时间t的关系，并绘出E（t）t关系曲线。计算方法是对反应器作示踪剂的物料衡算，即Qc(t)dt=mE(t)dt（1）式中Q表示主流体的流量，m为示踪剂的加入量。示踪剂的加入量可以用下式计算m=（2）在Q值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：E（1）（3）关于停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t),即F（t）（4）用停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。数学期望对停留时间分布

9、而言就是平均停留时间,即（5）方差是和理想反应器模型关系密切的参数。它的定义是：（6）对活塞流反应器；而对全混流反应器；对介于上述两种理想反应器之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜串联模型中的模型参数N可以由实验数据处理得到的来计算。N（7）当N为整数时，代表该非理想流动反应器可以用N个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当N为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。三、流程示意图图3 多釜串联实验流程图 1-水箱;2-水泵;3-转子流量计;4-电磁阀;5-KCL罐;6,7,8,9,10,.11-截止阀;12-搅拌电机;13-电导电极;14-

10、溢流口;15-管式反应器;16-釜式反应器釜式反应器1.5L，直径110mm，高120mm，有机玻璃制成，3个。釜式反应器 直径160mm，高120mm，有机玻璃制成，1个。搅拌马达25W，转数901400转/分，无级变速调节，液体(水)流量0-100升/时。电磁阀控制示踪剂进入量5-10毫升/次。四、操作步骤1. 准备工作(1)将饱和KCL液体注入标有KCL的储瓶内。(2)连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。(3)检查电极导线连接是否正确。2. 操作(1)打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注水，启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门(注意!初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别

11、是死角处)。调节水流量维持在20-30升/时之间某值，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流出。(2)分别开启釜1、釜2、釜3、釜4搅拌马达开关，后再调节马达转速的旋钮，使四釜搅拌程度在200转-250转。开启电磁阀开关和电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。调整完毕，备用。(电导仪的使用方法见该仪器使用说明书)(3)开启计算机电源，按计算机提示要求操作。(4)按下“趋势图”按钮，调节“实验周期”、“阀开时间”，使显示值为实验所需值(推荐实验周期25-30分钟，阀开时间13秒，按下开始按钮，开始采集数据。(5)待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按

12、钮保存数据文件。3. 停车(1)实验完毕，将实验柜上三通阀转至“H20”位置，将程序中“阀开时间”调到20秒左右，按“开始”按钮，冲洗电磁阀及管路。反复三、四次。(2)关闭各水阀门。电源开关，打开釜底排水阀，将水排空。(3)退出实验程序，关闭计算机。实验3 反应精馏法制醋酸乙酯一、 实验目的1. 掌握反应精馏的原理及特点。2. 掌握反应精馏的操作。3. 学会塔操作过程分析。4. 掌握用气相色谱分析有机混合物料组成。 二、实验原理精馏是化工生产过程中重要的单元操作，是化工生产中不可缺少的手段，反应精馏是精馏技术中的一个特殊领域。在操作过程中，化学反应与分离同时进行，故能显著提高总体转化率。此法在

13、酯化、醚化、酯交换、水解等化工生产中得到应用，而且越来越显示其优越性。反应精馏过程不同于一般精馏，它既有精馏的物理相变之传递现象，又有物质变性的化学反应现象。两者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下列两种情况特别适用：（1）可逆反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物存在，则精馏过程可使其连续地从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提了效率。（2）异构体混合物分离。通常它们的沸点接近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体混合中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在反应过程中得以分离。对醇酸酯化反应来说，适于

14、第一种情况。但该反应若无催化剂存在，单独采用反应精馏操作也达不到高效分离的目的。这是因为反应速度非常缓慢，故一般都用催化反应方式，酸是有效的催化剂，常用硫酸。反应随浓度增高而加快，浓度在0.21.0%（wt）。此外，还可用离子交换树脂、重金属盐类和丝光沸石分子筛等固体催化剂。反应精馏的催化剂用硫酸，是由于其催化作用不受塔温度限制，在全塔内都能进行催化反应，而应用固体催化剂则由于存在一个最适宜的温度，精馏塔本身难以达到此条件，故很难实现最佳化操作。本实验是以醋酸和乙醇为原料、在酸催化剂作用下生成醋酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为：实验的进料有两种方式：一是直接从塔釜进料；另一种是在塔的某处进

15、料。前者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。本实验用后一种方式进料，即在塔上部某处加带有酸催化剂的醋酸，塔下部某处加乙醇。塔釜呈沸腾状态时，塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动，具体地说，醋酸从上段向下段移动，与向塔上段移动的乙醇接触，在不同填料高度上均发生反应，生成酯和水。塔内此时有4组元。由于醋酸在气相中有缔合作用，除醋酸外，其他三个组分形成三元或二元共沸物。水酯，水醇共沸物沸点较低，醇和酯能不断的从塔顶排出。若控制反应原料比例，可使某组分全部转化。因此，可认为反应精馏的分离塔也是反应器。全过程可用物料衡算和热量衡算式及反应速率方程描述。 三、实验装置 实验装置如图4所示。图4 反应精馏

16、实验示意图反应精馏塔用玻璃制成，直径20mm,塔高1500mm，塔内填装3×3mm不锈钢网环型填料（316L）。塔釜为四口烧杯，容积500ml，塔外壁镀有金属膜，通电流使塔身加热保温。塔釜置于500W电热包中。采用XCT191，ZK50可控硅电压控制器控制釜温。塔顶冷凝液体的回流采用摆动式回流比控制器操作。此控制系统由塔头上摆锤、电磁铁线圈、回流比计数拨码电子仪表组成。 四、实验步骤（1）开塔顶冷却水。（2）向釜内填加200ml已知组成的釜残液。（3）开始升温。升温时，先开启总电源开关，开启测温开关，温度显示仪表有数值出现，开启釜热控温开关，仪表有显示。顺时针方向调节电流给定旋钮，使

17、电流表读数为0.5A，调节釜热温度控制仪到150。当釜开始沸腾时，打开上下段保温电源，顺时针方向调节保温电流给定旋钮，使电流维持在0.2A。升温后观察塔釜和塔顶温度变化，直至塔顶有蒸汽并有回流液体出现。（4）15分钟全回流后，分析塔顶组成。（5）从塔的上部侧口以40ml/h的速度加入已配制好的含0.3%硫酸的冰醋酸原料。（6）从塔的下部侧口以40ml/h的速度加入无水乙醇原料。（7）塔顶以回流比为4:1维持出料，塔釜同时出料。有回流比操作时，应开启回流比控制器给定比例（通电时间与停电时间的比值，通常使以秒计，此比例即采出量与回流量之比。（8）测量进料量与出料量，调节出料量使其维持物料平衡。（9

18、）隔15分钟从塔顶取样分析一次。（10）塔顶、塔釜温度，及塔顶浓度均稳定，维持30分钟后取样分析塔顶及塔釜出料的流量和组成，以及入料量。（11）改变回流比，重复以上操作。（12）根据所记录的数据，计算醋酸的转化率和乙酸乙酯收率。 五、实验数据处理自行设计实验数据记录表格。根据实验测得数据，写出实验报告。可根据下式计算反应转化率和收率。转化率=（醋酸加料量）-（塔顶馏出物醋酸量+塔釜液醋酸量）/醋酸加料量收率=（塔顶馏出物乙酸乙酯量+塔釜液乙酸乙酯量）/理论生成乙酸乙酯量 六、注意事项（1）必须先通冷却水，以防止塔头炸裂（2）不要随意动操作面板上的按扭。（3）上下段保温电流不能过大，维持在A之处

19、。过大会使加热膜受到损坏。实验四 流化床基本特性的测定流化床是利用气体或液体通过颗粒状固体床层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并使固体颗粒具有某些流体特征的一种床型。它是流态现象的具体应用，已在化工、炼油、动力、冶金、能源、轻工、环保、核工业中得到广泛使用。例如煤的燃烧和转化、金属的提取、废物焚烧等。化工领域中，加氢、丙烯氨氧化、费托合成以及石油的催化裂化等均采用了该技术。因此，它是极为重要的一种操作过程。采用流化床的操作技术有着物料连续、温度均匀、结构紧凑、气固传质速度快和传热效率高等优点，但操作中会造成固体摩损、床层粒子返混严重、反应中转化率不高等现象。本实验是在鼓泡床内进行流态化的基本特性

20、测定。一、实验目的1.了解流化床的基本特性，掌握流化床的操作方法。2.学会用光导纤维测定技术测量流化床的颗粒密度。3.了解流化床颗粒特性、流体特性及流化速度与压降关系。二、实验原理将固体颗粒堆放在多孔的分布板上形成一个床层，当流体自下而上地流过颗粒物料层时，在低流速范围内，床层的压降随流速的增加而增加，当流速不超过某值时，流体只能从颗粒间隙中通过，粒子仍然相互接触并处于静止状态，属于固定床范围。当流体流速增大至某值后床层内粒子开始松动，流速再增加则床层膨胀，空隙率增大，粒子悬浮而不再相互支撑并且处于运动状态，此时容器内床层有明显的界面。床内压降在开始流化后随流速增加而减小，此后再加大流速时压降

21、也基本上不改变。当流体速度增大至粒子能自由沉降时，粒子就会被带出，流速越大带走的越多，流速提高到一定数值则会将床内所有粒子带走形成空床，相应的流速为终端速度。其关系如图九所示。 500 300 固定床 pmax 流化床 200 0 mf 夹带开始 100 1 2 3 5 10 20 30 50 空床流速 图九均匀砂粒的压降与气速的关系图中是临界流化速度，空床线速超过该值后才能开始流化，亦称最小流化速度。在临界流化时，床层所受气体向上的曳力与重力相等。即以表示起始流化时的床高，表示床层空隙率，则（）式可写成：对于不同尺寸的颗粒，临界流化速度由下式算出： 在流化床操作的上限，气速近似于颗粒的速度，

22、其值由流体力学估算： 对于球形颗粒，代入(5)式得 (7) (8)之值与气固特性有关，一般在10:1和90:1之间，它是操作能否机动灵活的一项指标。光导探针是由多股光导纤维整齐排列而成的传感器，尾端把光导纤维按奇偶分为两束，分别输入和接受反射光信号。无固体粒子存在时，反射光信号微弱，并定为零。光线照射到固体粒子上时，反射光经光电变换为电信号并由积分仪积分。在一定时间内的积分值反映了测量点的床层密度相对值。三、实验装置与流程 实验装置和流程见图十。主要由流化床、空压机、稳压系统和光导纤维探针等测定系统和进料系统组成。固体物料为铜粉，其主要参数为：dp=0.215mm，堆=5.33g/cm3，mf

23、=5.05g/cm3，umf=0.15m/s。图十流化床实验流程图1、空压机； 2、稳压罐； 3、减压阀； 4、压力表；5、调节阀； 6、转子流量计；7、截止阀； 8、压力计；9、流化床； 10、过滤器； 11、进料绞龙；12、料罐；13、出料绞龙； 14、光导探针； 15、光电源； 16、定时数字积分仪；17、SC16光线示波器；18、稳压电源四、实验步骤1.检查实验设备，将压差计与床层连接阀断开。2.打开压差计床层连接阀和供气减压阀，使空气缓慢流入床层。注意观察床层从固定床流化床流体输送阶段的变化。3.当流速稳定在某一值u0时，用光导纤维测定床层内某点的密度。仪器使用见本书附录十二。4.将

24、气体流速从大到小再按步骤2做一遍。观察床层的变化，记录u0与对应的床层压降p。五、数据处理1.以lgu为横坐标，以lgp为纵坐标，作图得到lgulgp曲线，由曲线求出临界流化速度umf。2.将测得点密度积分值按(9)式算出点密度。=mfN/Nmf (9)六、符号说明p床层压降，KPa/mW固体粒子质量,KgAt床层截面积,m2g气体密度, kg/m3 s固体粒子密度,kg/m3 Lmf临界流化床高度,m床层空隙率N操作条件下点密度相对值Nmf起始流化条件下点密度相对值mf临界流化床层空隙率 dp颗粒直径,m umf床层临界流化速度,m/s ut床层带出速度,m/s参考文献1李绍芬.反应工程.北

25、京：化学工业出版社，19902卢天雄.流化床反应器.北京：化学工业出版出版1986实验五 多孔催化剂内气体扩散系数的测定在气固催化反应系统中，有效扩散系数反映气体通过催化剂孔道的能力，由于内扩散不仅直接影响其故催化反应的速度和选择性，而且还对催化剂中毒与再生有重要影响，此外，内扩散系数还是建立气固催化反应器数学模型的重要参数。通过对催化剂颗粒内扩散的研究可为制备和改善催化剂结构等提供依据。一、 实验目的(1) 在常温常压下，测定H2，N2在多孔催化剂微孔中的气体扩散系数D N2 -H2，D H2- N2。(2) 了解扩散系数测定方法的选择依据，学习和掌握非稳态法测定扩散系数的方法。二、 实验原

26、理测定催化剂微孔内气体扩散系数由定常态和非定常态法两种方法。两者测定的基本形式是将单颗粒柱型催化剂置于图所示的扩散元件中，催化剂与扩散元件接触面用密封材料紧密固定，上、下室与外界密封，不能漏气。定常态法测定原理是：在扩散元的上下室通入不同的气体A和，保持催化剂两端压力相等。由于物质在多孔催化剂中的传递属于分子扩散和努森（Knudsen）扩散，按费克(Fick)定律，其扩散通量：由物料衡算可得结合式(1)与式(2)可得扩散系数只要测出扩散组分A 再下室的摩尔分率YAL和通过下室的气体体积流量VB，就可计算出扩散系数DeA。非定常态法测定原理是：在扩散元的上、下室通入同一种气体B，某时刻t，自上室

27、脉冲加入气体A，同时检测上、下室出口处气体A的浓度。依据扩散机理，对不吸附的气体A，通过催化剂单颗粒的扩散方程是：初始条件：t=0 cA=0, 边界条件：x=0 对方程（4）可以在拉普拉斯定义域内解出，其通解：其中：式（5）中p为引进的拉氏变量。如果要获得（4）式的解，必须对式（5）进行演算。式（5）中与是一个非常复杂的函数关系，虽然该方程演算极其困难，但存在如下关系：实验测得的响应峰曲线的一次绝对矩为：1包括系统的整个时间，而(7)式定义在催化剂0-L处的时间。需要扣去系统死时间和脉冲加入时间0/2(用热导池检测)。即：由(7)式和(9)式可求得扩散系数DeA-B。三、 预习与思考(1) 测

28、定催化剂微孔内气体扩散系数的定常态法和非定常态法各有什么特点？非定常态法是一种间接测定孔内扩散系数的方法，以引入误差，如何克服误差？(2) 内扩散对反应速率及选择性有什么影响，试举例分析讨论。(3) 测定孔内扩散系数对制备和改善催化剂孔结构有什么作用？四、 实验装置及流程实验装置及流程如图2-18所示。扩散原中装入催化剂，用胶质管紧密固定。在气自钢瓶出来，由下室针型法进入热导池参考臂，再如扩散元下室，又回到热导池测量臂，计量后放空。另一路在气由上室针型阀经六通阀进入扩散元上室，计量后放空，示踪剂经六通阀脉冲进入系统中，由热导池检测出口处(下室)示踪剂浓度。用记录仪记录测定结果。五、 实验步骤(1) 开载气钢瓶总阀，缓缓调节减压阀至。细心调节针型阀，并调节到预定的流量(由转子流量计读数显