工程实验讲义

实验3 连续流动反应器中的返混性能测定一、实验目的1. 掌握停留时间分布的测定方法。

2. 了解脉冲法示踪剂测定反应器内示踪剂浓度随时间的变化关系。

3. 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系及模型参数的计算方法。

二、实验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。

在反应器设计、放大和操作时，需要知道反应器内返混程度的大小，返混程度一般很难直接测定，通常采用示踪剂停留时间分布测定来研究。

经研究发现相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，但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。

停留时间分布的测定有脉冲法和阶跃法等，常用的是脉冲法，当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪剂浓度的变化。

000()()()()()()()()()()t dF t F t E t E t dt t dtmKCl dt c t Qc t dt mE t dtE t m Qc t dt Qc t dt ∞∞==+===⎰⎰⎰停留时间分布可用分布函数()F t 和停留时间分布密度函数()E t 来表示，两者的关系为：0()()t F t E t dt =⎰ ()()dF t E t dt= 停留时间分布密度函数()E t 的物理意义是：同时进入的流体粒子中，停留时间介于t 到t dt +之间的流体粒子所占的分率为()E t dt 。

停留时间分布函数()F t 的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t 的物料所占的分率为()F t 。

当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量m 的示踪剂，并开始在出口流体中检测示踪剂的浓度变化。

那么， ()()Q ct d t m E t d t = ()()Qc t E t m =()m Qc t dt ∞=⎰ 0()()()c t E t Qc t dt∞=⎰可见()E t 与示踪剂的浓度()c t 成正比。

本实验中用水作为连续流体，饱和KCl 作为示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。

在一定的范围内，KCl 浓度与电导值成正比，可用电导值来表达示踪剂的停留时间变化关系。

三、实验装置与试剂四、实验操作步骤1.实准备工作(1) 将饱和KCL 液体注入标有KCL 的储瓶内，将水注入标有H 2O 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，将回流阀开到最大，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，特别是死角处）。

调节水流量维持在20-30L/h 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搅拌电机开关，然后再调节电机转速旋钮，使四釜搅拌程度大致相同（电压表指示在7—15V ）。

开启电磁阀开关和电导仪总开关，按照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附录1）(3) 开启计算机电源，在桌面上双击“多釜返混实验”图标，在主画面上按下“实验流程”按钮，调节“示踪剂量”，使显示值为实际实验值，在操作员号框中输入自己对应号码（前三位必须是英文字母或数字）。

(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（一般实验周期25—30分钟，开阀时间1～3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”按钮保存数据文件。

3.停止实验(1) 实验完毕，将实验柜上三通阀转至“2H O ”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。

五、记录与数据处理六、实验注意事项七、思考题八、参考文献实验4 气固相催化宏观反应速率的测定一、实验目的1. 掌握宏观反应速率的测试方法；2. 了解和掌握气固相催化反应实验研究方法；3. 了解无梯度反应器的性能及操作特点。

二、实验原理当采用工业粒度的催化剂测试宏观反应速率时，反应物系经历外扩散、内扩散与表面反应三个主要步骤。

由于外扩散影响在许多反应体系中不太重要且易消除，故气固相催化反应的宏观速率测定结果多为内扩散与化学反应的综合效应。

本实验测定的反应速率，实质上是在排除外部传质阻力后，包含内部传质阻力的宏观反应速率，能表征工业催化剂的颗粒特性，便于应用于反应器设计与操作。

催化剂颗粒通常制成多孔结构以增大其内表面积，因此颗粒的内表面积远远大于外表面积，反应物必须通过孔内扩散并在不同深度的内表面上发生化学反应，而反应产物则反向扩散至气相主体，扩散过程将形成内表面各处的浓度分布。

当控制实验处于等温和其它条件相同时，具有内扩散影响的大颗粒催化剂上的宏观反应速率要小于消除了内扩散影响的小颗粒催化剂上的微观反应速率。

气固反应过程的实验室反应器可分为积分反应器、微分反应器及无梯度反应器。

其中，尤以内循环无梯度反应器最为常见，这种反应器结构紧凑，容易达到足够的循环量和维持等温条件。

如反应器进口引入流量为V 0的原料气，浓度为C A0，出口流量为V 浓度为c Af 的反应气。

当反应为等摩尔反应时V 0=V ；当反应为变摩尔反应时，V 可由具体反应式的物料衡算式推导，也可通过实验测定。

设反应器进口处原料气与循环气刚混合时，浓度为c A ⅰ，循环气流量为V C ，则有：A i C 000C V V ）（+=∙+Af C A C V C V （1）令循环比R C =V C /V 0，得到Af CC A C A C R R C R C +++=1110i （2） 当R C 很大时，C A i ≈C Af ，此时反应器内浓度处处相等，达到了浓度无梯度。

经实验证明，当R C ﹥25后，反应器性能便相当于一个理想混合反应器，它的反应速率可以简单求得： R Af A A V c c r )V 00-=（ ，)(3hcm mol ∙ （3） 按单位质量催化剂计算的反应速率，则： W )c -(r Af A00c V AW = ，)(hg m ol ∙ （4） 因此，只要测得原料气流量与反应气体进出口浓度，便可得到某一条件下的宏观反应速率值。

进一步按一定的设计方法规划实验条件，改变温度和浓度进行实验，再通过计算机进行参数估计和曲线拟合，便可获得宏观动力学方程。

三、实验装置与试剂四、实验操作步骤⑴ 将称量好的工业颗粒催化剂装入催化剂筐内，将反应器密封好。

若反应所用催化剂需经还原才有活性，则装入预还原催化剂，或装入未还原催化剂后增加还原步骤。

（2）全系统分段试压试漏（可用氮气）。

（3）开启原料气钢瓶，稳压稳流送入反应系统。

（4）开启反应器温控仪，逐渐升温至实验温度。

（5）使系统稳定2h 以上后，测取数据。

（6）改变温度，压力和组成，测取其它点数据。

（7）实验完毕，先使系统降温，再切断气源，然后将系统缓慢泄压。

五、实验记录与数据处理实验数据记录表面项目见下表所示：六、实验注意事项七、思考题1. 为何要控制实验条件稳定2小时后方能测数据？2.具有内扩散影响后的宏观反应速率是否一定比微观反应速率低？3.无梯度反应器属微分反应器还是积分反应器，为什么？八、参考文献[1] 丁百全,孙杏元.无机化工专业实验.上海:华东化工学院出版社,1990[2] 主丙辰.化学反应工程.北京:化学工业出版社,1998[3] J J Carberry.IEC,1964,56(11):39实验5 液膜分离法脱除废水中的污杂物一、实验目的1.掌握液膜分离技术的操作过程。

2.了解两种不同的液膜传质机理。

3.用液膜分离技术脱除废水中的污染物。

二、实验原理液膜分离是将第三种液体展成膜状以分隔另外两相液体，由于液膜的选择性透过，故第一种液体（料液）中的某些成分透过液膜进入第二种液体（接受相），然后将第三相各自分开，实现料液中组分的分离。

所谓液相，即是分隔两液相中的第三种液体，它与其余被分隔的两种液体必须完全不互溶或溶解度很小。

因此，根据被处理料液为水溶性或油溶性可分别选择油或水作为液膜。

根据液膜的形状，可分为乳状液膜和支撑型液膜，本实验为乳状液膜分离醋酸—水溶液。

由于处理的是醋酸废水溶液体系，所以可选用与之不互溶的油性液膜，并选用NaOH水溶液作为接受相。

先将液膜相与接受相（也称内相）在一定条件下乳化，使之成为稳定的油包水（W/O）型乳化液，然后将此乳状液分散于含醋酸的水溶液中（称为外相）。

外相中醋酸以一定的方式透过液膜向内相迁移，并与内相NaOH反应生成NaAc而被保留在内相，然后乳液与外相分离，经过破乳，得到内相中高浓度的NaAc，而液膜则可以重复使用。

为了制备稳定的乳状液膜，需要在膜中加入乳化剂。

乳化剂的选择可以根据亲水亲油平衡值（HLB）来决定，一般对于W/O型乳状液，选择HLB值为3～6的乳化剂。

有时，为了提高液膜强度，也可在膜相中加入一些膜增强剂（一般粘度较高的液体）。

溶质透过液膜的迁移过程，可以根据膜相中是否加入流动载体而分为促进迁移Ⅰ型或促进迁移Ⅱ型传质。

促进迁移Ⅰ型传质，是利用液膜本身对溶质有一定的溶解度，选择性的传递溶质。

促进迁移Ⅱ型传质，是在液膜中加入一定的流动载体（通常为溶质的萃取液），选择性地与溶质在界面处形成络合物；然后此络合物在浓度梯度的作用下向内相扩散，至内相界面处被内相试剂解络（反萃），解离出溶质载体，溶质进入内相而载体则扩散至外相界面处再与溶质络合。

这种形式，更大地提高了液膜的选择性及应用范围。

由上述两种传质机理，可以看出，液膜传质过程实际上相当于萃取与反萃取两步过程同时进行：液膜将料液中的溶质萃入膜相，然后扩散至内相界面处，被内相试剂反萃取至内相（接受相）。

因此，萃取过程中的一些操作条件（如相比等）在此也同样影响液膜传质速率。

三、实验装置与试剂四、实验操作步骤（1）实验步骤本实验为乳状液膜法脱除水溶液中的醋酸，首先需制备液膜：1） 液膜1#组成：煤油95%；乳化剂E644，5%。

2） 液膜2﹟组成：煤油90%，乳化剂E644，5%；TBP （载体）,5%.内相用2M 的NaOH 水溶液。

采用HAc 水溶液作为料液进行传质试验，外相HAc 的初始浓度在实验时测定。

具体步骤如下：① 在制乳胶搅拌釜中先加入液膜1#70ml ，然后在1600r/min 的转速下滴加内相NaOH 水溶液70ml （约1分钟加完），在此转速下搅拌15分钟，待成稳定乳状液后停止搅拌，待用。