工艺实验讲义(打印)

实验1 反应精馏法制乙酸乙酯
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，降低能耗。

此法在酯化、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。

一、实验目的：
1、了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程。

2、掌握反应精馏的操作。

3、能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。

4、了解反应精馏与常规精馏的区别。

5、学会分析塔内物料组成。

二、实验原理：
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，互相影响，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）可逆平衡反应。

一般情况下，反应受到平衡影响，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质存在，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，大大提高了效率。

（2）异构体混合物分离。

通常因它们沸点相近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。

对醇酸酯化反应来说，属于第一种情况。

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，通常用硫酸。

反应随酸浓度增高而加快，浓度在0.2-1.0%（wt）。

此外，还可以用离子交换树脂，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内温度限制，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
CH3COOH+C2H5OH CH3COOC2H5+H2O 实验进料有两种方式：一是直接从塔釜进料；另外一种是在塔的某处进料。

前者有间歇和连续式操作；后者只有连续式。

本实验采用前一种方式进料。

釜沸腾状态下塔内轻组分逐渐向上移动，重组分向下移动。

具体地说，醋酸从上段向下移动，与向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。

塔内此时有四组元。

由于醋酸在气相中有缔合作用，除醋酸外，其它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，醇和酯能不断地从塔顶排出。

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描述。

三、实验装置
1-冷凝器2-塔头3-温度计4-摆锤5-电磁铁6-收集量管7-反应精馏塔体
8-压差计9-出料管10-出料管11-反应塔釜12-电热包13-加料泵
图1 反应精馏实验装置图
四、实验步骤：
(1) 用量筒取100 ml乙醇倒入蒸馏釜内.
(2) 取100 ml用已配制好的含硫酸 0.3% (重量百分数) 的冰醋酸，将它倒入釜内.打开冷却水。

(3) 开启加热釜系统，开始用手动档，注意不要使电流过大，以免设备突然受热而损坏。

待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流（注意：不能过大），
(4) 蒸汽上升到塔顶时，全回流二十分钟后启动回流,控制回流比为4:1,并开始收集出料,分析.反应温度控制在80—900C。

(6) 停止试验,等不再有液体流回塔釜时,取塔顶流出物和塔釜内残留物称重,并分析其值。

分析:用带有热导池检侧器的气相色谱仪去分析原料和产物，色谱操作条件：色谱柱：GDX-104填充柱（1m×3㎜）
温度：柱温：120℃；汽化室：140℃；检测室：160℃；
载气：高纯氢气；
载气压力：0.2Mpa；
桥流：100mA；
相对校正因子：水0.74 、乙醇 1.0 、乙酸乙酯1.15、醋酸 1.27。

用面积归一法计算。

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，计算转化率和收率.
转化率=[（醋酸加料量）-（馏出物醋酸量）]
/（醋酸加料量）
六、思考题：
1、怎样提高酯化收率？
2、不同回流比对产物分布影响如何？
3、进料摩尔比应保持多少为最佳？
实验2 离子交换法制备纯水
一、实验目的
1、了解和熟悉离子交换制取纯水的工艺流程；
2、了解离子交换技术的特点；
二、实验原理
离子交换技术在水处理领域中有广泛的应用。

如水质软化、水质除盐、高纯水制取、工业废水处理、重金属及贵重金属回收等。

此法也是医药、化工等工业用水处理的普遍方法。

本装置采用复床法制取纯水，此法出水纯度虽然不如混合床，但再生方法简单易行，所以还被广泛采用。

在大型水处理中，阳床后面加一个脱气塔，将二氧化碳除去，可以减轻阴床树脂负担，延长阴树脂使用周期，从而可以节约再生剂的用量。

水中各种无机盐类电离生成的阴、阳离子，经过氢型离子交换层时，水中的阳离子被氢离子所取代，经过氢氧型离子交换层时，水中的阴离子被氢氧离子所取代，进入水中的氢离子与氢氧离子组成水分子（H
O）。

从而取得去除水中无机盐类的效果。

2
三、实验装置
P-压力表K-调节阀F1-30-阀门
1-水净化器2-阳离子交换柱3-阴离子交换柱4-转子流量计5-酸储槽6-碱储槽7-配液槽8-水泵9-阳树脂10-阴树脂11-支承层12-纯水储槽13-酸计量转子流量计14-碱计量转子流量计
图1 离子交换工艺流程图
四、实验步骤
下面实验是以自来水为水源，阴、阳离子交换柱串联操作进行除盐、逆流再生为例，操作过程如下：在贮水罐7内放入蒸馏水。

酸贮罐5内放入HCL再生液，碱OH再生液。

（注：再生液需用蒸馏水配制）。

贮罐6内放入N
a
再生液配制：量取540毫升浓盐酸（含量36-37%），加入酸贮槽5中，然后加水至5升，搅匀，即得含量约为4%HCL再生液。

称取200克N
OH（含量96.0%）放入
a
1000ml的烧杯中，加入800ml纯水溶解，搅拌至全溶后，放入碱贮槽6中，加纯水至5升，搅拌均匀，即得含量约为4%N
OH再生液。

a
（1）交换操作：开启阳离子交换柱进水阀门F2、F6和出水阀门F3、F5、F26，打开转子流量计4，然后轻轻打开自来水进水阀门F1，控制交换柱内流量为一定值，然后开启阴离子交换柱进水阀门F19和出水阀门F16、F18，关闭阳离子交换柱出水阀门F26，（其余各阀门均处于关闭状态），交换5-10分钟后，测定交换柱出水电导率。

稳定后，可开启阀门F23，同时关闭出水阀门F16、F18，将出水收集于水储槽12中。

重新调整好流量至一定值，稳定后将出水电导率记录于表格中。

然后可改变流量将测量结果记录于表格中。

制水过程中，随时取样测定离子交换柱出水电导率，用试纸检测PH值，监测交换柱是否穿透。

（2）返洗：当交换柱穿透后，关闭进水阀门，及各出水阀门，进行反洗操作。

阳离子交换柱：用自来水反洗时，反洗水经水净化器1净化，转子流量计计量，经阀门F4、F3、从柱底进入，在上部流出后经阀门F7、F26排放（也可经阀门F27排放），在此操作过程中，阀门F1、F2、F3、F4、F7、F26、F30均应打开，其余各阀门关闭。

阴离子交换柱：用自来水反洗时，反洗水经水净化器1净化，转子流量计计量，经阀门F4、F5、F16、F17从柱底进入，在上部流出后经阀门F20排放（也可经阀门F29排放），在此操作过程中，阀门F1、F2、F4、F5、F17、F16、F20均应打开，其余各阀门关闭。

（3）再生：
阳离子交换柱：酸由酸储槽5经阀门F8转子流量计13计量后，经阀门F10从柱底进入，在上部流出后经阀门F27排放，在此操作过程中，阀门F8、F10、F27、F30均应打开，其余各阀门关闭。

注意：再生时，应通过打开阀门F9、F30，将管路中气体排出，否则不能正常进液。

阴离子交换柱：碱由碱储槽6经阀门F21转子流量计14计量后，经阀门F28从柱底进入，在上部流出后可经阀门F29排放，在此操作过程中，阀门F21、F28、F29均应打开，其余各阀门关闭。

注意：再生时，应通过打开阀门F22，将管路中气体排出，否则不能正常进液。

（4）淋洗：淋洗前，将水槽7中水放净，并加入蒸馏水备用。

阳离子交换柱：淋洗水由水槽经阀门F13、增压泵8增压，经调节阀K，转子流量计4计量，经阀门F4、F3、从柱底进入，在上部流出后经阀门F7、F26排放（也可经阀门F27排放），在此操作过程中，阀门F13、K、F3、F4、F7、F26、F30均应打开，其余各阀门关闭。

淋洗至中性时，改为正洗操作，此时关闭F3、F4、F7、F26，开启阀门K、F6、F11。

阴离子交换柱：淋洗水由水槽经阀门F13、增压泵8增压，经调节阀K，转子流量计4计量，经阀门F4、F5、F16、F17从柱底进入，在上部流出后经阀门F20排放（也可经阀门F29排放），在此操作过程中，阀门F13、K、F4、F5、F17、F16、F20均应打开，其余各阀门关闭。

淋洗至中性时，改为正洗操作，此时关闭F17、F16、F20，开启阀门F19、F23。

交换柱淋洗好后，将所有阀门关闭，下次开机可直接进行交换操作。

五、数据处理：
文献资料：根据大量实测数据经统计分析整理得出不同水型总含盐量（C）（mg/l）与电导率（σ）（μs/cm）和水温（t）（℃）之间存在下列关系式：
Ⅰ--Ⅰ价型水：
C=0.5736e (0.0002281
2
t-0.03322t)σ1.0713
重碳酸盐型水： C=0.8382e (0.0001828
2
t-0.03200t)σ1.0809
根据实验所测数据计算原水含盐量及脱盐率。

实验3超过滤膜分离
一、实验目的。

1．了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程。

2．了解膜分离技术的特点。

3．培养学生的实验操作技能。

二、实验原理。

图1为单根中空纤维过滤聚乙二醇的放大示意图
C1-清洗水储槽C2-溶液储槽C3-高位罐C4-储液筒F1、F2- C2、C1-排液阀F3、F4- C2、C1出口阀F7、F8-组件1、组件2入口阀F9-排液阀F10-保护液阀F11、F14-组件1和2出口调节阀F17-组件串联阀F15-浓缩液取样阀F16-浓缩液循环阀P-压力表L-玻璃转子
图2 超过滤膜分离流程图
原液由泵从料液入口打入，在高压的作用下，透过液从中空纤维的中心流出，浓缩液从出口回到储料罐，再循环利用。

图3 中空纤维超滤膜组件
三、实验步骤
1、实验药品
聚乙二醇：MW20000，500g；冰乙酸：化学纯，500ml；次硝酸铋：化学纯，500g；碘化钾：化学纯，500g；醋酸钠：化学纯，500g；蒸馏水；棕色容量瓶：100ml，二个；容量瓶：500ml，一个，1000ml，一个，100ml，十个；移液管：50ml，一支；量液管：10ml，一支；量筒：10ml，二支；工业滤纸若干。

2、发色剂配制
(1)A液：准确称取1.600g次硝酸铋置于100ml容量瓶中，加冰乙酸20ml，全溶，蒸馏水稀释至刻度。

(2)B液：准确称取40.000g碘化钾置于100ml棕色容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度。

(3)Dragendoff试剂：量取A液、B液各5ml置于100ml棕色容量瓶中，加冰乙酸40ml，蒸馏水稀释至刻度。

有效期为半年。

(4)醋酸缓冲液的配制：量取0.2mol/L醋酸钠溶液590ml及0.2mol/L冰乙酸溶液410ml置于1000ml容量瓶中，配制成PH4.8醋酸缓冲液。

3、绘制标准曲线：
准确称取在60℃下干燥4小时的聚乙二醇1.000g溶于1000ml容量瓶中，分别吸取聚乙二醇溶液1.0，3.0，5.0，7.0，9.0ml稀释于100ml容量瓶内配成浓度为10，30，50，70，90mg/L的聚乙二醇标准溶液。

再各取50ml加入100ml容量瓶中，分别加入Dragendoff试剂及醋酸缓冲液各10ml，蒸馏水稀释至刻度，放置15分钟，于波长510nm下，用1cm比色池，在722型分光光度计上测定光密度，蒸馏水为空白。

以聚乙二醇浓度为横坐标，光密度为纵坐标作图，绘制出标准曲线。

4、实验步骤
（1）722型分光光度计通电预热20分钟以上。

（2）放出超滤组件中的保护液。

为防止中空纤维膜被微生物侵蚀而操作，不工作期间，在超滤组件内加入保护液。

在实验前，须将保护液放净。

（3）清洗超滤组件，为洗去残余的保护液，用自来水清洗2-3次，然后放净清
洗液。

（4）检查实验系统阀门开关状态。

使系统各部位的阀门处于正常运转的“开”或“关”状态。

（5）于溶液槽内加入约一定量浓度为30--70mg/l 的聚乙二醇水溶液。

（6）系统运转。

打开相关的阀门，启动泵，在一定的流量和压力下运转，此时超滤液流回溶液槽，运转数分钟（一般为20～30分钟）后，取原料液样品约100 ml 待分析。

开始实验，将超滤液入透过液贮罐，并开始计时，运转30分钟时，同时取超滤液和浓缩液样品各约100ml 待分析。

（7）上述各步骤准备好之后，即可以进行实验操作。

（8）实验工艺参数：室温；压力：调节F 14使压力P 2=0.015Mpa ，组件前压力P 1为随动压力约为0.016～0.018 Mpa ；流量：30l/h ,此时超小型变频仪显示某一示数。

（9）操作：调整参数过程中用乳胶管将超滤液导入溶液储罐内，待工艺参数调整正常，取原料液样品100～150ml ，之后将超滤液导入贮液罐中，并同时记录实验开始的时间，运转0.5小时。

取样：从视镜的乳胶管末端取超滤液样品100～150ml ，从浓缩出口处取浓缩液100～150ml 。

（10）进行比色分析。

（11）改变压力及流量重复上面的实验，做出截留率随压力的变化曲线。

截留率%100⨯-=
C
C C Ru i ，式中C 为原料的吸光度，C i 为某一压力下透过液吸光度。

（12）系统清洗。

系统处理一定浓度的料液，停车后，用清水清洗系统。

方法是放掉系统存留的料液，接通清洗水系统，开泵运转10~15分钟，清洗污水经F 17放入下水道。

停泵，并切断电源。

（13）加保护液。

停泵，放净系统的清洗水，从保护液槽加入保护液，保护液的作用是防止纤维膜被细菌“吞食”。

保护液的组成约1%的甲醛水溶液，夏季气温高，停用两天之内可以不加，冬季停用五天之内可以不加，超过上述期限，必须有效的加入保护液。

下次操作前放出保护液，并保存，下次继续使用
5、实验操作。

以膜组件1运转为例。

将料液置于储槽C 2内，取料液样约100ml ，打开阀门F 4 、F 8 、F 11 和F 16，其余阀门关闭。

开泵，用超小型变频器调节玻璃转子流量计至要求的流量，调节阀门F 11至需要的压力。

几分钟后，视镜应有超滤液出现。

运转正常之后，每隔0.5小时取样，从视镜下部取超滤液约100ml ，从F 15处取浓缩液约100ml 。

按分析方法测定其浓度，按实验要求，测取其它数据，按实验要求处理数据。

实验结束后，按4（12）和（13）处理系统即可。

四、思考题；
1、试论述超过滤膜分离机理。

2、超过滤组件中加保护液的意义？
3、实验中如果操作压力过高或流量过大会有什么结果？
4、提高料液的温度进行超过滤会有什么影响？
实验4气液平衡数据的测定
一、实验目的
1．测定乙醇—正丙醇二元体系在常压下的气液平衡数据。

2．通过实验了平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能。

二、实验原理
以循环法测定气液平衡数据的平衡釜基本原理相同，如下图所示，体系达到平衡时，两个容器的组成不随时间变化，这时从A 和B 两容器中取样分析，可得到一组平衡数据。

图1 平衡法测定气液平衡原理图
当达到平衡时，除了两相的压力和温度分别相等外，每一组分的化学位也相等，即逸度相等，其热力学基本关系为：
f i L =f i V ……………………………………….(1) φi py i =γi f i 0x i
常压下，气相可视为理想气体，；再忽略压力对液体逸度的影响，f i =p i 0从而得出低压下气液平衡关系为：
py i =r i p i 0x i (2)
式中，p ——体系压力（总压）；
p i 0——纯组分I 在平衡温度下饱和蒸汽压，可用安托尼（Antoine ）公式计算； x i 、y i ——分别为组分I 在液相和气相中的摩尔分率； γi ——组分i 的活度系数。

由实验测得等压下气液平衡数据，则可用
i
i i i p x py =
γ (3)
计算出不同组成下的活度系数。

本实验中活度系数和组成关系采用Wilson 方程关联。

Wilson 方程为：
ln γ1=-ln 22121)(x x x +Λ+)(
1
21221
212112x x x x Λ+Λ-Λ+Λ (4)
ln γ2=-ln )(
)(2
12112
12122111212x x x x x x x Λ+Λ-Λ+Λ+Λ+ (5)
Wilson 方程二元配偶参数12Λ和21Λ采用非线形最小二乘法,由二元气液平衡数
据回归而得。

目标函数选为气相组成误差的平方和,即
F=∑=m
j 1 (y 1实-y 1计)2j +(y 2实-y 2计)2j (6)
三、实验装置和试剂
1. 平衡釜一台（平衡釜的选择原则：易于建立平衡、样品用量少、平衡温度测定准确、气相中不夹带液滴、液相不返混及不易爆沸等。

本实验采用气液双循环的小平衡釜，其结构如图2所示）
2. 阿贝折射仪一台
3. 超级恒温槽一台
4. 50-100十分之一的标准温度计一支、0-50十分之一的标准温度计一支
5. 所用试剂（乙醇、正丙醇）为优级品。

6. 1ml 注射器十支、5ml 注射器三支。

1-加热棒 2-液体石蜡或甘油等 3-液体取样口 4-玻璃平衡釜 5-标准温度计 6-不锈钢三通 7-U 型压力计 9-玻璃冷却器 10-乳胶管 11-三通阀 12-气压球 13-铝制取样接口
图2 气液平衡釜示意图
四、实验步骤
1.开启超级恒温槽，调温度至测定折射率所需温度25℃或30℃
2.检查整个系统的气密性，以保证实验装置的具有良好的气密性。

方法如下：将气压球与医用三通阀连接好，与大气相通，用手压瘪气压球,然后将三通阀直通系统，抽气使设备处于负压状态，U型管压力计的液面升起，在一定值下停止。

注意操作不能过快，以免将U型管液体抽入系统。

停10分钟，不下降为合格。

可用三通阀，使系统直通大气。

3.实验测定的是常压下的气液平衡数据，读取当天实验室的大气压值。

4.平衡釜内加入一定浓度的乙醇—正丙醇混合液约90—100毫升，打开冷却水，安放好加热器，接通电源。

开始时加热电流给到0.1A加热，5分钟后给到0.2A，再等5分钟后慢慢调到0.25A左右即可，以平衡釜内液体能沸腾为准。

冷凝回流液控制在每秒2—3滴，稳定回流15分钟左右，以建立平衡状态。

5.到平衡后，需要记录下温度计的读数，并用微量注射器分别取两相样品2毫升，用阿贝折射仪测定其折射率，并在本实验给定的乙醇的组成—折射率表中确定样品的组成。

关掉电源，拿下加热器，釜液停止沸腾。

6.注射器从釜中取出5毫升的混合液，然后加入同量的一种纯物质，重新加热建立平衡。

加入哪种物质，可以依据你上一次的平衡温度而定，以免实验点分布不均。

本实验是降温操作，取出的混和液5毫升，加入乙醇7~10毫升，实验重复5次。

7.实验完毕，关掉电源和水源，处理实验数据。

五、实验数据处理及结论
1、实验条件及给定数据
①实验条件
实验温度：大气压：
②纯组分在常压下的沸点
乙醇：78.3 ℃正丙醇：97.2℃
2、乙醇—正丙醇混合液气液平衡数据的测定实验原始数据
乙醇—正丙醇混合液测定实验沸点温度，以及气（乙醇含量）液平衡组成
3、用实验值作温度组成图（t—x—y）
六、思考题
（1）实验中怎样判断气液两相已达到平衡？（2）影响气液平衡测定准确度的原因有那些？
附：温度─折光指数─液相组成之间的关系
(续表2)。