釜式反应器的研究

一、实验目的

1、掌握停留时间分布的测定及其数据处理方法；

2、对反应器进行模拟计算及其结果的检验；

3、熟悉根据停留时间分布测定结果判定釜式反应器混合状况和改进反应器的方法；

4、了解单釜反应器、串联釜式反应器对化学反应的影响规律，学会釜式反应器的配置方法。

二、实验内容

1、测定单釜反应器和串联反应釜的停留时间分布；

2、将停留时间测试数据的处理结果与全混反应器和平推流反应器相比较，分析单釜和串联反应器的返混情况；

3、根据停留时间测试数据的处理结果和蔗糖水解的化学反应速度方程式计算反应器出口浓度和反应转化率，与全混反应器单釜和三釜串联的计算结果加以比较；

4、在单釜和三釜串联的实验装置上进行蔗糖水解实验，测定出口反应产物的旋光度，将出口浓度和反应转化率与上述计算结果进行比较及分析讨论。

三、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。连续操作的理想反应器有2种，即平推流反应器和全混反应器。平推流反应器完全没有返混，而全混反应器则达到完全返混。二者分别描述了连续式反应器的两种极端情况，而实际反应器的返混状况介于二者之间。但实际的管式反应器的混合状况更接近于平推流反应器，实际的釜式反应器更接近于全混反应器。

返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间

分布可以有不同的返混情况，即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。

停留时间分布的表示方法有两种，一种称为分布函数F(t)，其物理意义是停留时间小于t 的粒子所占的分率；另—种称为时间分布密度因数E(t)，其物理意义是停留时间为t 的粒子的概率。两个函数的关系为：

E(t)=dF(t)/dt ﹙1﹚

蔗糖在酸催化下水解转化为果糖和葡萄糖的化学反应是一个典型的液相催化反应，其化学反应式如下：

C 12H 22O 11(蔗糖)+H 2O —→C 6H 12O 6(果糖)+C 6H 12O 6(葡萄糖)

水解反应可视为一级反应，其速率方程为：

A A

kC dt

dC =-

﹙2﹚ 积分上式得

kt C C

A

=0

ln ﹙3﹚

式中C A 为t 时蔗糖的浓度；k 为反应速度常数。

蔗糖及其水解产物都为旋光物质,其比旋光度分别是;蔗糖D

20][α为66.65°，葡萄糖

D 20][α为52.5°，果糖D 20][α为-91.9°。D 表示所用光波为钠黄光，其波长为589nm ；正值

表示右旋（使偏振面顺时针偏转），负值表示左旋（偏振面逆时针偏转）。由于果糖的左旋性大于葡萄糖的右旋性，随着反应的进行，反应产物的浓度逐渐增大，溶液的右旋性逐渐减少，以至经过0°角后转变为左旋。所以可用溶液的旋光度变化来度量反应的程度。

溶液的旋光度为溶液中各组分旋光度之和。溶液的浓度可分别表示为

A0∞

C A＝F(αt－α∞) （5）

式中α0、αt、α∞分别表示反应时间为0、t、∞时溶液的旋光度，对于给定的条件，α∞为常数；C A为溶液的浓度；F为常数。可将(5)式改写为

C A＝Fαt－Fα∞＝Fαt－B (6)

从上式可以看出，对于一定初始浓度和PH值的蔗糖溶液来讲，随着水解反应的进行，通过测定溶液的旋光度，即可通过（6）式计算出溶液中的蔗糖浓度，因此可算出相应水解产物的浓度。α0、α∞、αt都是可以测定的，C A0可以从反应器各物流的流量和浓度计算，由此可直接计算出F。因而可通过测定的αt直接由(6)式算出C A。

蔗糖水解是在常压下进行的。蔗糖水溶液以一定的进料速度进入反应器，产物以相同的速度从反应器流出，保持反应器内物料体积恒定后，向反应器中加入一定量的示踪物，分析示踪物的浓度随时间的变化。因为注入示踪物所用时间极短，数量又少，所以可认为示踪物的流动行为与和它同时进入设备的反应流体流动行为相同，即示踪物在反应器内停留时间分布密度函数E(t)与反应物料相同。停留时间介于t和dt间的示踪物物料量QE(t)dt，将在t和t+dt间流出反应器。故

QE(t)dt＝UC(t)dt ﹙7﹚

因而

E(t)＝（U/Q）C(t) ﹙8﹚

式中，U为总流量(ml/min)；Q为示踪物总量（mg）；C(t)为示踪物出口浓度（g/L)。

显然，若测知示踪物浓度随时间变化的函数关系C(t)，即可得到停留时间分布密度函数E(t)随时间的变化。

本实验以示踪物KCl来测定反应器停留时间分布，用电导仪测定KCl的电导率随时间的变化。KCl电导率与浓度的关系为

KCl KCl KCl 式中，C KCl 为KCl 的浓度；λKCl 为KCl 的摩尔电导；K KCl 为KCl 的电导率。

用电导仪测定KCl 溶液的电导率，并配以自动平衡记录仪记录电导率的变化，此变化用电讯号V 与时间t 的关系曲线表示，通过下面的换算即可得到KCl 在反应器内停留时间分布密度函数E(t)。

溶液浓度C(t)与电讯号V(t)的关系式为

C(t)=μ′V(t) ﹙10﹚

式中μ′为常数。

将C(t)关系式代入E(t)关系式，得

E(t)＝（U/Q ）μ′V(t) ﹙11﹚ 令

μ＝μ′U/Q ﹙12﹚ 则

E(t)＝μV(t) ﹙13﹚ 因为

⎰∞=0

)()(dt

t V dt t V A

dA ﹙14﹚ 其中A 为 V(t)-t 曲线下的面积（mm ﹒s ）；将E(t)与V(t)关系代入上式，得

⎰∞=0

)()(dt

t E dt t E A

dA ﹙15﹚ 因为

1

)(0

=⎰∞

dt t E ﹙16﹚