化工专业实验讲义.docx

1、化工专业实验讲义化学工程与工艺专业实验化学工程与工艺专业实验室编2006年8月 目录前言1目录2实验1 釜式反应器的研究3实验 2 乙酸乙酯的合成及精制12实验3 水盐体系相平衡测定及硫酸钾和氯化钠的制备19实验4 聚醋酸乙烯酯乳液的合成和乳胶漆的制备35实验 5 固体催化剂性能评价实验CO2甲烷化反应44实验 6 反渗透膜分离制高纯水实验56实验 7 乙苯脱氢制苯乙烯实验62实验8 湿法冶金工艺实验67实验9 洛芬的拆分与工艺设计74实验10 盐酸黄连素的提取与制备77实验1 釜式反应器的研究物料在反应器内的停留时间分布是连续流动反应器的一个重要性质，可定量描述反应器内物料的流动特性。物料在

2、反应器内停留时间不同，其反应的程度也不同。通过测定流动反应器停留时间，即可由已知的化学反应速度计算反应器物料的出口浓度、平均转化率，还可以了解反应器内物料的流动混合状况，确定实际反应器对理想反应器的偏离程度，从而找出改进和强化反应器的途径。通过测定停留时间分布，求出反应器的流动模型参数，为反应器的设计及放大提供依据。单个反应釜使反应达到最大返混，因此降低了反应速度。而多个反应釜串联操作可以减小反应物料的返混，因此增大了反应速度。通过单釜和多釜串联的反应器实验了解多釜串联影响反应速度的规律，为多釜串联的优化设计打下基础。影响反应速率的因素主要是单位反应物系中物料混合均匀程度、反应物浓度、反应温度

3、及反应时间等。在由小试到中试到工业生产的放大过程中，研究放大过程中液相停留时间分布（RTD）的变化规律，可以合理、精确地描述实际反应器中物料流动及混合特性，得到最佳中试规模及放大规律。1 实验目的掌握停留时间分布的测定及其数据处理方法对反应器进行模拟计算及其结果的检验；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；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。2 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；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；根据停留时间测试数据的处理结

4、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；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。3 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

5、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：C12

6、H22O11(蔗糖)+H2OC6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)水解反应可视为一级反应，其速率方程为： 2积分上式得 3式中CA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;蔗糖为66.65，葡萄糖为52.5，果糖为-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

7、的浓度可分别表示为 CA0F(0) 4 CAF(t) （5）式中0、t、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，为常数；CA为溶液的浓度；F为常数。可将(5)式改写为 CAFtFFtB (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。0、t都是可以测定的，CA0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t直接由(6)式算出CA。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

8、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)dtUC(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

9、。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 CKClKCl=KKCl 9式中，CKCl为KCl的浓度；KCl为KCl的摩尔电导；KKCl为KCl的电导率。用电导仪测定KCl溶液的电导率，并配以自动平你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)=V(t) 10式中为常数。将C(t)关系式代入E(t)关系式，得 E(t)（U/Q）V(t) 11令 U/Q 12则 E(t)V(t) 13因

10、为 14其中A为 V(t)-t曲线下的面积（mms）；将E(t)与V(t)关系代入上式，得 15因为 16所以 dA/AE(t)dt 17dA/dtV(t) 18根据V(t)的测定数据即可计算出反应器的平均停留时间m和无因次散度， 19 20 21以此即可考查反应器的返混特性。由实验得到的V(t)t曲线换算为停留时间分布密度函数E(t)与时间t的关系式，适用于处理以电讯号表示示踪物浓度变化时停留时间的分布数据。4 实验装置图1 实验装置流程示意图 槽中的反应物料通过蠕动泵计量后进入反应釜，反应釜内设置搅拌器搅拌混合，反应温度由夹套内的恒温水控制。流出反应器的物料温度由温度计测定，示踪物采用电解

11、质KCl,在出口设置电导电极测定出口物料的电导率，电导率信号输入计算机，由计算机对信号进行处理。在蔗糖水解实验时，通过取样口可随时取样测定溶液旋光度。由恒温槽送出的恒温水控制反应器的温度。反应器的搅拌速度由调节器调节，由光电测速仪测定或在调节显示器上直接读出。5 实验步骤5.1 停留时间分布的测定首先将自来水加入水槽，标定反应器有效体积后即可进行测定实验。标定步骤：打开反应器进口开关，按表1调节流量计流量，同时打开搅拌器至一定的转速，待流量稳定时关闭反应器进口开关的同时在出口处收集流出水，再打开反应器的底部的排空开关收集排出水，用量筒量取两部分水的总体积，即为反应器有效体积。测定停留时间分布的

12、步骤：将自来水加入水槽，待有流体经溢流管溢出时，将转子流量计调至所需流速。系统稳定后，开启电导仪。当计算机显示器显示的电导率信号为直线（基线）时，方可脉冲进样检测。某时刻t0，用针头在反应器入口处极快注入已知示踪剂KCl溶液，并同时给计算机一个进样记号。当曲线逐渐平稳回到基线位置时，该次测定结束。5.2 蔗糖水解反应的测定表1 蔗糖水解反应的实验条件反应器体积1(mL)反应器体积2(mL)蔗糖溶液流量(mL/h)酸催化剂流量(mL/h)总流量(mL/h)蔗糖溶液浓度(mol/L)75025032000100030000.9(1.1156)酸催化剂浓度(mol/L)进口蔗糖浓度(mol/L)进口

13、酸浓度(mol/L)平均停留时间(min)蔗糖分子量(g/mol)浓盐酸浓度(mol/L)1.5(1.026)0.60.515342.3011.97(1.188) 蔗糖水解反应的实验条件暂按表1的条件1进行。先配置5L蔗糖溶液和3L酸催化剂溶液，分别倒入酸槽和蔗糖槽。调节超级恒温槽至所需温度，开启水泵向反应器夹套供恒温水。开启蠕动泵向反应器进料，按表1调节蠕动泵流量。开启旋光仪预热10min,等待取样后立即检测。调节搅拌速度，准备好取样瓶。待反应器出口温度稳定达到所需温度时，即开始取样测定。每隔2min取样测定一次样品旋光度，当连续3次的样品旋光度一致时该次测定结束，由最后的样品旋光度确定水解

14、反应率（为什么？）。蠕动泵的流量标定略。旋光仪的使用方法见附录。在反应器进口取样测定0，一次水解实验的最终的出口样品放入恒温槽内隔夜后测定旋光度得。6 实验数据处理根据旋光仪所测得的出口浓度和进口浓度，即可算出实际的转化率。 xreal1CA/CA0 （22）由停留时间分布密度函数E(t)虽可以确定反应转化率。因为一级反应进行的程度仅与反应时间有关，所以在获知物料停留时间后即可确定反应的转化率。因为停留时间在t至t+dt之间，物料所占的分率为E(t) dt，若这部分物料的转化率为xA，则它对反应出口转化率的贡献应为xAE(t) dt，将这些转化率的贡献相加即可得到出口的平均转化率，即 （23）

15、同理，出口平均浓度应为 （24）对一级反应CACA0exp(-kt)，代入上式得 （25）即 （26）所以 （27）在实验测定的条件下，21时的反应速度常数k为2.5810-3min-1；25时的反应速度常数k为4.4010-3min-11。由实验测得停留时间分布密度后即可由上式计算出平均转化率，将计算出的转化率与实际转化率比较。运用停留时间分布的测定数据还可算出物料在反应器内的平均停留时间，将计算结果与按反应器体积和物料流量计算出的平均停留时间对照。根据实验数据计算出无因次散度，由散度的大小即可判断反应器的返混程度或接近全混反应器的程度。平推流反应器没有返混，其无因次散度为0；全混反应器完全

16、返混，其无因次散度为1。根据实验数据计算得到的无因次散度在01之间。对于串联反应器，分别在1级、2级、3级出口测得相应的停留时间分布密度和溶液浓度，将反应转化率的计算结果与实测结果对照，同时将结果与停留时间相同的两种理想反应器的计算结果相对照。7 预习报告要求理想反应器、反应器停留时间分布及其及其数学模型，停留时间分布与化学反应的关系，反应器的串联对返混和化学反应的影响，都是化学反应工程教材中的重要内容，对照实验教材，预习反应工程中的有关内容。有关问题如下：理想反应器的概念及其数学表达，以及与化学反应的关系；停留时间分布的概念、测试及其数据处理，明确tm、的意义；反应器的模拟和串联，停留时间测

17、试数据在反应器研究中的应用；了解电导率和旋光度测定，及旋光度与浓度关系； 拟定实验步骤、实验方案、实验记录和处理数据的方法； 写出预习报告，包括：原理、流程、实验方案、实验步骤，设计的实验记录表格，提出不懂的问题。8、撰写实验报告 撰写实验报告是为了更好地掌握本实验内容，也是为今后撰写科技论文打下良好基础。要求如下： 本实验意义及目的； 简述基本原理及简介装置流程，给出操作条件及步骤； 数据处理内容包括单釜反应器和串联反应釜的停留时间分布密度，并画出曲线图；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；在单釜和三釜串联的实验装置上进行蔗糖水解实验的

18、数据，计算出口浓度和反应转化率。 实验结果及其分析讨论：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； 全混反应器单釜和三釜串联的蔗糖水解计算结果加以比较并加以讨论；将在单釜和三釜串联的蔗糖水解实验结果，包括出口浓度和反应转化率等与计算结果进行比较及分析讨论。 其它有关讨论。参考文献（1）尹芳华，李为民. 化学反应工程基础. 北京：中国石化出版社，2000年（2）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年实验2 乙酸乙酯的合成及精制有机化工产品是最终产品的原料，它是决定最终产品品种、数量、质量、生产规模、产

19、品经济性的重要条件。有机化工产品用途非常广泛。这些产品与工业、农业、建筑业、交通运输业等的发展，以及国防、文教、卫生和人民生活都有着密切的关系。乙酸乙酯是应用范围最广的脂肪酸酯之一，它是种快干性溶剂、具有优异的溶解能力。是极好的工业溶剂，可用于硝酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯基树脂、醋酸纤维素酯等；亦用作涂料、印刷油墨、胶粘剂、医药等的溶剂；在纺织工业中用作清洗液；金属清洗剂等。 尽管化工生产中产品种类繁多，生产方法各异，但共同的特点是都包括有反应和分离提纯。精馏技术是最常用的分离手段，也是化工过程重要的单元操作之一。该技术尤其适用于有机物的精制。1 实验目的 （1）初步了解和掌握化工产品开

20、发的研究思路和实验研究方法。 （2）学会组织全流程实验，并获得高纯度的产品。 （3）学会分析实验流程及实验结果，提出实验改进方案。2 实验原理2.1乙酸乙酯的合成 酯的制备途径很多，其反应式如下： RCOOH + RCH2OH RCOOCH2R+ H2O RCOOR + R”CH2OH RCOOR” + RCH2OH RCOOR + R”COOH RCOOR” + RCOOH RCOCL + ROH RCOOR + HCl (RCO)2O + 2ROH 2RCOOR + H2O RCOOR +R”COOR” RCOOR” + R”COOR RCOONa + RCl RCOOR + NaCl 其

21、中，为有脂肪酸与脂肪醇的直接脱水反应；和为脂肪酸酯与脂肪醇或脂肪酸置换生成新酯的反应；为脂肪酸酰卤和醇的反应；为两种酯之间的酯交换反应；为脂肪酸酐与醇的反应；为脂肪酸盐与卤代烷的反应。上述制备酯的反应中，工业上应用最多的是 的三种方法。 脂肪酸与脂肪醇脱水合成酯的方法是最基本最成熟的酯化方法。为了提高酯化反应的速度，常加入某种催化刑，如硫酸、磷酸、对甲苯磺酸等，根据反应物系的不同情况，也可选用ZnO、活性铝、氧化钛、四异丙基钛等的路易斯酸、Zn(Ac)、Sn、Pb、Zr、Sb之类的两性金属氧化物、氢氧化物，固体超强酸Ti02S等。对于低级醇和酸的酯化反应，常选用硫酸作催化剂。乙酸乙酯可由乙酸和

22、乙醇在硫酸作用下，分子中酰氧键断裂脱水而生成。其反应式为： H2SO4CH3COOH + CH3CH2OH CH3COOCH2CH3 + H2O 可能发生的副反应： H2SO4 2 C2H5OH C2H5-O-C2H5 + H2O 酯化反应是一可逆反应，当反应达平衡后，酯的生成量就不再增加，为了提高酯的产量，可加过量的乙酸或乙醇，或不断从反应混合物中将所生成的水除去，以促使平衡向正向反应进行。酯化反应速度较慢，为了加快反应速率，可通过增高温度和使用硫酸作催化剂。浓硫酸除了催化作用外，还能吸取反应生成的水，有利于酯化反应的进行。在酯化反应初期，由于脂肪酸的极性大故混合物的极性也大，和硫酸的相容性

23、很好，所以可使初期的酯化反应速度提高，且反应速度与催化剂的浓度呈线性关系。反应后期，如果仅增大酸性催化剂的量，副反应就会增加。在反应终期，混合物的极性减小，催化剂的溶解性降低，催化效果消失，最终产物的收率不会再上升。2.1乙酸乙酯的精制 合成的乙酸乙酯粗产品中，除了酯以外，还含有少量水及未反应完的乙醇和乙酸，也还可能有副产物等，故需要进行分离提纯。 醇、水、乙酸乙酯能够形成多种最低共沸物，见附表2，其沸点在70左右，乙酸乙酯的沸点为77，乙酸的沸点为118，所以可以通过精馏得到高纯度的乙酸乙酯产品。但合成反应的条件不同，所得乙酸乙酯粗产品的组成就不同，精馏的条件和操作也就不一样。 3 预习与思

24、考（1）酯化反应有什么特点？可以采取哪些措施使酯化反应尽量向正反应方向进行？（2）本实验有哪些副反应？如何抑制副反应的发生？（3）从技术和经济的角度综合考虑全流程，确定反应条件： 设计反应方式间歇反应；连续反应。确定加料顺序同时加入乙酸、乙醇、硫酸；先加入乙酸、硫酸，再加入乙醇；先加入乙醇、硫酸，再加入乙酸；先加入部分乙酸、硫酸，再加入乙醇；先加入部分乙醇、硫酸，再加入乙酸。原料配比总原料量控制在300ml左右；若选择乙酸过量，请确定乙酸与乙醇摩尔比，参考范围为1.3 2.0；若选择乙醇过量，请确定乙酸与乙醇摩尔比，参考范围为0.80.5；请确定硫酸用量，参考范围：硫酸重量为总重量的0.350

25、%。确定反应时间参考范围为38h。（4）请设计酯化反应的实验装置。（5）弄清实验室填料精馏塔的结构和各部分的作用。（6）根据确定的反应条件，设计精馏方案。（7）为了提高乙酸乙酯的收率和纯度，如何控制精馏时的回流比？ （8）气相色谱的分析原理是什么？ 4 实验装置 4.1 普通精馏实验装置精馏装置如图所示。主要设备为玻璃精馏柱。柱体是内壁镀银的真空夹套管，直径为20mm，填料层高度为100 mm，内装22不锈钢压延环填料。塔釜是容积为1000ml的蒸馏烧瓶，用500W电加热套加热。1. 测温热电阻 2. 冷凝器3. 摆锤 4. 电磁铁5. 馏出液收集瓶6. 塔体7. 取样口8. 加料口 9.塔釜

26、 10.卸料口11.电加热器12.控温仪13.数字式温度显示器14. 回流比控制器15. 精馏头 图2 反应精馏实验装置4.2 反应精馏实验装置反应精馏塔用玻璃制成，直径20mm,塔高1400mm，塔内装填直径22 mm 不锈钢填料网环。塔体外壁涂以特殊的透明导电膜加热保温，塔釜为一玻璃容器，并有加热器加热，采用采用先进的智能化控温仪表控制温度。塔顶冷凝液体的回流采用摆动式回流比控制器操作。5 实验步骤及方法（参考）5.1 乙酸乙酯的合成（1）方法一1）.安装回流冷凝装置。2）.在回流冷凝装置中，加入乙酸、乙醇和硫酸，搅拌均匀，加热至沸，反应一定时间。控制加热强度，使蒸汽上升的高度不超过冷凝管

27、的1/3。3）.安装蒸馏装置，控制蒸汽温度不高于120，蒸馏出乙酸乙酯粗产品。4）.用气相色谱分析乙酸乙酯粗产品的组成。（2）方法二 反应精馏合成乙酸乙酯间歇操作1）将乙醇，乙酸各80克，浓硫酸数滴倒入塔内，开启釜加热系统，开其塔身保温电源，开启塔顶冷凝水。2）当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作，15分钟后，设定回流比为3：1，开启回流比控制电源。3）30分钟后，用微量注射器在塔身5个不同高度取样，应尽量保证同步。4）分别将0.5微升样品注入色谱分析仪，记录结果。注射启用后应用蒸馏水和丙酮清洗，以备后用。5）重复（3）（4）步操作。6）关闭塔釜及塔身加热电源和冷凝水，对馏出液及釜残液进行

28、称重和色谱分析（当持液全部流至塔釜后才取釜残液），关闭总电源。5.2 乙酸乙酯的精制（1）根据粗酯的组成，确定精馏方案。并确定馏分收集的温度和精馏终止的温度。（2）将乙酸乙酯粗产品加入精馏釜，控制釜中液面高度为1/2-2/3左右，并在釜中加入沸石。先开启塔顶冷却水，再开启塔釜加热器，加热量要逐步增加，不宜过猛。釜内液体沸腾后，液泛一次，使填料完全润湿和除去填料间的空气，提高填料的效率。（3）降低电压，使液泛停止。再调节电压，使达到一定蒸发速度，当塔头有凝液后，全回流操作约20分钟。调节回流比保持馏出液温度恒定，采出塔顶馏份。（4）取样分析乙酸乙酯产品组成。（5）实验结束后，先关电源，待釜温降至

29、80后，关冷却水。5.3 分析方法（1）仪器：SC-200型气相色谱，色谱柱为外径3mm，长2m的不锈钢管，柱内填充40-60目的GDX101高分子微孔小球，在210下活化8小时。（2）色谱条件：柱温：130；汽化室温度：250；热导检测器温度：130。载气为氢气，流速20-30mL/min。进液量为12L。 （3）数据处理采用面积归一法。6 实验记录表自行设计实验的原始记录表。实验结果表（参考）：乙酸乙酯产品反应转化率/%精制过程乙酸乙酯收率/%乙酸乙酯总收率/%重量/g质量组成/%乙酸水乙酸乙酯7 结果及讨论 （1）所得乙酸乙酯产品中，酯含量、水含量及酸度是否符合国家标准？ （2）计算反应的转化率与乙酸乙酯的收率。（3）讨论原料配比、反应时间对反应转化率的影响。回流比对产品的质量及收率有何影响？（4）要提高乙酸乙酯产品的收率可采取哪些措施？ （5）根据实验研究结果，试设计连续生产的工艺流程。参考文献（1）张金廷.脂肪酸及其深加工手册.北京：化学工业出版社，2002（2）洪仲岑. 化工有机原料深加工.北京：化学工业出版社，1997（3）李兰.