化工工艺学实验讲义 - 图文

实验一、液体粘度和液体表面张力的测定

流体粘度的测定 一、实验目的

掌握旋转法测定流体粘度和表面张力的原理和技能 了解影响牛顿流体和非牛顿流体的粘度的因素

二、实验原理

实验采用旋转粘度计测定牛顿流体和非牛顿流体的粘度。测量时同步电机以稳定的速度旋转，带动刻度圆盘，再通过游丝与转轴带动转子旋转。如果转子未受到流体阻力，则游丝、指针、与刻度圆盘同速度旋转，指针在刻度盘上的指出的读数为零。如果转子受到流体的粘滞阻力，则游丝产生扭矩，当扭矩与粘滞阻力阻力达平衡时，和游丝连接的指针会产生一个扭转角度，反映在刻度盘上将指示一定的读数。将此读数乘上特定系数即得到流体的动力粘度。其单位为毫帕斯卡·秒。

三、实验步骤

⒈仪器准备

仪器首选需要调节水平；仪器校准；待测液体温度恒定后开始测量。 ⒉操作方法 ⑴准备被测液体

⑵将保护框架装在仪器上

⑶将选配好的转子接到连接螺杆上，当转子浸入待测液体中，开启电机测量，根据粘度大小更换转子、改变转速

⑷ 记录测定数据，根据转子和转速乘以相应系数得到测定结果。

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液体表面张力的测定

一、实验目的

测定蒸馏水、食盐水溶液、不同浓度表面活性剂6501表面张力。 掌握拉环法测定表面张力测定仪的使用方法

二、实验原理

一个金属环放在液面上与润湿该金属环的液体相接触，则把金属环从从该液体中拉出所需的拉力P是由液体的表面张力、环的内径及环的外径所决定。该环被拉起时它带着一个液体圆柱，则将拉环拉离液体表面所需的拉力P等于液柱的重量，由仪器传感器测出这个力，然后乘上一具校正因子就可以得到测定结果。

三、实验步骤

⑴将仪器调节水平，并调零；

⑵将待测液体放入玻璃杯中，将温度稳定在25℃，将玻璃杯放置在托盘的中间位置上，按相应键进行操作，记录实验值。

⑶每个样品测定完后，用热洗液浸泡铂丝环和玻璃杯，然后用蒸馏水洗净，铂丝环放在酒精灯上灼烧。

⑷改变液体浓度或种类进行测定。

⑸不同将测量值乘以校正因子得到测定结果。

四、思考题

⒈影响液体粘度的因素有哪些？如何测定未知液体的粘度？举出三种测定液体粘度的方法？

⒉影响液体表面张力的因素有哪些？测定液体表面张力的方法有哪些？

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实验二 苯－正庚烷二元气液平衡数据的测定和关联

一、

实验目的

测定苯—正庚烷二元体系在常压下的气液平衡数据

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 3.应用Wilson方程关联实验数据 实验原理

二元体系液体在加热共沸后，在一定温度和压力下有一个饱和蒸气压，本实验是通过三通管和冷凝器使系统保持常压，然后在其加热达到气液平衡后测其平衡温度。以循环法测定气液平衡数据的平衡釜基本原理如下图所示，体系达到平衡时，气相和液相的组成不再随时间改变，这时从A和B两个容器中分别取得气相和液相试样，预定温度下的折光率，然后与预先准备好的苯—正庚烷体系的折光率与组成的关系图（见图2）对比，就可知道试样组成。 蒸气循环线蒸气冷凝器凝液A加热B液体液体循环线图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： fiL=fiV……………………………………….(1)

φipyi=γifixi

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，fi=pi0从而得出低压下气液平衡关系为：

pyi=ripi0xi……………………………………(2)

3

0

式中，p——体系压力（总压）；

pi——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；

xi、yi——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。

0

由实验测得等压下气液平衡数据，则可用

?i?pyixipi0………………………………..(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方程如下： lnγ1=-ln(X1+∧12X2)+X2(?12X1??12X1??21X2??21X1) （4）

lnγ2=-ln(X2+∧21X1)+X1(?21X2??21X2??12X1??12X2) （5）

方程计算程序，由二元气液平衡数据回归。 目标函数选为气相组成误差的平方和，即

F???yi实?j?imyi计?j??yi实?yi计?j22

（6）

三、实验装置和试剂

苯、正庚烷、乙醚、乙醇均为分析纯。 CE-2型 气液平衡数据测定仪 2WAJ型 阿贝折光仪 501型 超级恒温槽

0-50十分之一温度计一支、50-100十分之一温度计一支、1mL注射器若干

四、实验步骤和方法

系统的温度由十分之一的标准水银温度计测定，压力为标准大气压。对温度计的露颈部分进行了校正。

开启超级恒温槽，调温度至所需的温度。测温套管中倒入甘油，将标准温度计插入套管中，并在其露出部分中间固定一支温度计，对温度进行校正。检查整个系统的气密性，以保证实验装置具有良好的气密性，用与大气系统相连的100毫升针筒与系统相连，并与大气隔绝，针筒缓缓抽出一点压力，硅油U型管中的两个液柱差不变时（说明系统是密闭的），然后通大气。由于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。平衡釜内加入一定浓度的苯—正庚烷混合液约20—30毫升，打开冷却水，安放好加热器，接通电源，开始时加热电源给到0.1安加热，5分钟后给到0.2安，再等5分钟后慢慢调到

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0.25安左右即可，以平衡釜内液体沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒1-2滴，稳定回流15分钟左右，以建立平衡状态。到平衡后，需要记录下两个温度计的读数，并用微量注射器分别取两相样品2毫升，用阿贝折光仪测定其折光率，并在本实验前测定的苯—正庚烷组成—折光率曲线上确定样品的组成。关掉电源，拿下加热器，釜液停止加热。注射器从釜液中取出2-5毫升的混合液，然后加入同量的一种纯物质，重新建立平衡。加入何种物质，

17234510891161612131415 图2－小气液平衡釜示意图1－磨口；2－气相取样口；3－气相贮液槽；4－连通管；5－缓冲球；6－回流管；7－平衡室；8－钟罩；9－温度计套管；10－液相取样口；11－液相贮液槽；12－提升管；13－沸腾室；14－加热套管；15－真空夹套；16－加料液面 可以依据上次的平衡温度而定，以免实验分布点不均匀。本实验是升温操作，取出的混合液，加入苯，实验重复多次。实验完毕，关掉电源和水，处理实验数据。

五、实验数据

记录主温度计和辅助温度计的读数。

记录不同温度下达到平衡的汽液两相的的折光率。

六、实验数据处理

⑴平衡温度的计算

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平衡温度的计算方法如下:

T实际=t主+ +t校正值

T校正值:T校正值=kn(t主-ts)

k—水银在玻璃中间的膨胀系数取0.00016； n—露出部分的温度系数取60℃ t—在介质中的温度系数；

ts—露出水银柱的平均温度(即辅助温度计的读数)。 ⑵汽液平衡组成的计算

由表1插值求出汽液相的摩尔分数

表1、25℃苯-正庚烷混合物中苯的摩尔百分比与折光率的关系苯的摩尔百分比 混合物的折光率 0.0 1.3857 4.7 1.3895 10.0 1.3932 14.3 1.3963 21.5 1.4022 25.5 1.4058 34.2 1.4142 40.6 1.4205 52.0 1.4214 54.9 1.4250 67.2 1.4406 75.2 1.4505 81.8 1.4610 100.0 1.4991 ⑶使用Wilson方程关联数据 用非线性最小乘法回归配偶参数 lnγ1=-ln(X?12?211+∧12X2)+X2(X1??12X?1X

2??21X)1lnγ2=-ln(X2+∧21X1)+X1(?21X2??21X??122X1??12X)

2 6

目标函数选为气相组成误差的平方和，即

F???yj?imi实?yi计?j??yi实?yi计?j22

∧12=1.0362 ∧21=0.7113

Resnorm=6.2945e-004 求气相组成

由matlab程序算出y实测-y计算，得到：

F=0.0096 0.0162 -0.0217 0.0023 0.0108 0.0042 0.0157 -0.0060 -0.0140 -0.0018 0.0112 0.0105 0.6089 0.5594 0.5154 0.4489 0.4167 0.3374 0.2811 0.1695 0.1357 0.0726 0.0361 0.0181

将不同温度下测定的汽、液相组成及利用Wilson方程计算得到的汽相组成列表，根据所列数据在Excel中画出T-x-y图，要求图表清晰表达准确，并将图粘贴在实验报告上。 七、思考题

⑴实验中怎样判断气液两相已达到平衡？ ⑵影响气液平衡测定准确度的原因有那些？

⑶为什么要确定模型参数，对实际工作有何作用？

实验三、二氧化碳临界状态观测及P—V—T关系测定

一、实验目的

1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。

2、加深对理论课所讲的工质的热力学状态：凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。 3、掌握CO2的P—V—T关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。

4、学会活塞式压力计，恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。

二、实验原理

对于真空气体，因分子间引力的作用，若把实验温度降到一定程度后，将会出现液化现象，如果对真空气体的PVT行为作一完整的测定。就能进一步反应出真空气体的液化过程及另一重要的物理性质——临界点。如图1所示，以CO2为例所测的P—Vm标准曲线图，分析真实气体的性质。

对理想气体P—Vm图上的恒温线应为“PVm = RT = 常数”的曲线，不同温度只是对应的常数不同而已。然而，对于真空气体，恒温线一般分为三种类型：即t > tc、t = tc、t <

tc（tc为临界温度）。对CO2来说，分类的的温度界线是31.1℃。

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对简单可压缩系统，当工质处于平衡状态时，其状态分布函数P、Vm之间有：

F(p,Vm,T)?0，或T?T(p,Vm)，Vm?V(p,T)。

本实验就是根据上式，采用等温方法来测定CO2的P、V之间的关系从而找出CO2的P—V—T的关系。

三、实验设备及说明

1、整个实验装置由压力台、恒温器和试验台本体及其防护罩三大部分组成，如图2所示。实验台本体结构如图3所示，我们使用的装置仅有一个温度计。

2、实验中由压力台送来的压力油进入高压容器的玻璃杯上部，有水银进入予先装带CO2气体的承压玻璃管CO2被压缩。其中容积是通过压力台上的活塞杆的进退来调节，温度由恒温器供水夹套里的水温来调节。

3、实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出。

四、实验的内容及步骤

1、使用恒温器调定温度，让温度恒定在实验温度条件下。 2、加压前的准备：

因为压力台的油缸容量比实际台本体的油压室容量小得多，需要多次从油杯里抽油。再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误。不但加不上压力还会损坏试验设备，所以务必认真掌握。 其步骤如下：

⑴关压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上的油杯的进油阀。 ⑵摇退压力台上的活塞螺杆，直到螺杆全部退出，这时压力台油缸中注满了油。 ⑶先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。

⑷摇进活塞螺杆，向本体充油，如此反复，直至压力表上有压力读数为止。尤其要注意的是：二次充油时，必须首先记住第一次充油时达到的压力，等二次充油压力达到第一次充油的压力时，才能打开本体油路的阀门，以免损坏设备。整个实验过程中压力不能超过8MPa。

⑸再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启,若已稳定,即可实验。 4、测定低于临界温度（t < tc）的恒温线。

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⑴使用恒温器调定t = 20℃，并要维持恒温。

⑵压力记录从承压玻璃可读取到数值开始。当玻璃管内水银计升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证恒温条件，否则来不及平衡，读数不准。 ⑶按照适当的压力间隔读取h值至压力P = 9.8Mpa。

⑷注意加压后，CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度的对应关系，液化、汽化等现象，要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表一。 ⑸测定t = 25℃或t = 27℃下饱和温度和饱和压力的对应关系。 5、观察临界现象，测定临界等温线和临界参数。

为观察临界现象，确定临界等温线，（tc = 31.1℃）需要从高于及低于临界温度两方面向临界等温线逼近，观察临界点附近的现象，以便判断是高于还是低于临界温度，并作出完整的等温线。

在靠近临界点时，略低于临界温度，可以看到稳定汽液两相分化，但相界面的观察困难（两相折光性质差异近于消失）。汽、液两相的沉降分离、液滴合并（或气泡合并）困难，需要十分仔细和缓慢的操作与观察才能看到这种汽液两相分辩困难的现象。即所谓的“汽液模糊现象”。

同样，在略低于临界温度并靠近临界点附近。当确实观察到有少量液相并看清相界面之后，摇进油压机手柄，动作幅度要小，只细微地改变CO2的总体积，即完成了由汽相到全部为液相的转变过程。在这个过程中，我们看不到相界面的移动，只能按过程发生后相界面的消失断定已成为单相，与前面相类似，也可由少量液相迅速地全部转变为汽相，这种由于相变热近于零及两相摩尔体积差近于零，而只需细微改变CO2总体积，由一相到另一相的全部转化，称“整体现象”。

在等于或略高于临界温度的临界点附近，看不到稳定的汽、液两相的分化，但这时如果从比临压力高一些的条件开始，迅速而小幅度地向后摇动油压机手柄，压力降至临界压力或临界压力的某一范围内，CO2在一极短的绝热膨胀过程中会因温度暂时降低到临界温度以下出现“起雾”现象；由于热交换“雾”立即消失，这种“瞬间倒退液化现象是与混合现象”本质上不同的。

临界性质测定及临界点附近现象的观察至少要测定两根等温线。从经验临界温度等温线作起，如果看到的是非临界温度以下的临界点附近特有现象，则下一根等温线作降低0.2℃的等温线，如果观察到的是低于临界温度的临界点附近特有现象，则提高0.2℃，后

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作下一根等温线。

找到临界温度后，在该温度下仿照第4步测出数据并将数据填入表一，并在该曲线的捌点处找出临界压力Pc和临界比容vc。

6、测定高于临界温度（t = 40℃> tc）时的等温线，并将数据填入表一。

7、实验数据测定完毕后，将油抽回油杯，使整个装置复原，关闭电源，清理实验台。

五、数据处理

1. 测定承压玻璃管内CO2的质面比常数K的值。

由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便于测量。而玻璃管内截面积（A）又不易测准。因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，其首先由承压玻璃管内CO2柱的高度来度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出，认为CO2的比容v与其高度是一种线性关系。具体如下：

⑴已知CO2液体在20℃，10Mpa时的比容：

v（20℃，10MPa）= 0.00117m3/kg

⑵如前操作实地测出本实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度h（m）（注意玻璃水套上刻度的标证法） ⑶因为v0(20?C,10MPa)?所以K?mA?h0.00117hAm?0.00117m/kg33

?K(kg/m),我校共两套测定装置，其中本校装置A、B的K值

见实验装置。处理数据时绝对不能混淆。

那么任一温度，压力下CO2的比容为：v?hK

2. 将实验测定的临界比容vc和理论计算值一并填入表二并分析之间的差异及原因。

表一 实验数据及现象记录表

序号 P t = 25℃（27℃） h 现象 P 临界温度tc h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10

现象 P 略低于tc h 现象 P 略高于tc h 现象 P t = 40℃ h 现象 表二 临界比容值vc(m3/kg)

标准值 0.00216 由原始数据通过公式v?hK实验值 vc?RTcpc vc?3RTc8pc 简单计算，最后得到的曲线至少有五条，即低于临界温度两条，

临界温度附近两条，高于临界温度一条。

由测定的数据可在PV图上绘制出部分曲线或点，再结合修正的Rackett方程及饱和蒸汽压估算方程可绘制出较完整的PVm图上饱和液相线。

修正的Rackett方程是：

VSL??RTcpc?Z1?(1?Tr)RA2/7

其中ZRA????(1?Tr)，对于二氧化碳来说，??0.2747，???0.0118 二氧化碳饱和蒸汽压使用下列公式估算：

ln(pspc)?f?0??0???f?1?

6其中f f?5.92714?6.09648/Tr?1.28862lnTr?0.169347Tr?15.2518?15.6875/Tr?13.4721lnTr?0.435T7r7

6

?1?二氧化碳的物性常数是：Tc?304.2K，pc?7.387MPa，Vc?94.0cm3/mol

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??0.225

直线直径定律：Cailletet和Mathias注意到，当以饱和液体和饱和蒸汽密度的算术平均值对温度作图时，得一直线，这一结果称之为直线直径定律。由文献数据回归得到下列方程：

?SV??SL?1026.7223?2.9136?t

式中密度单位ρ为kg/m3，温度t的单位℃。

由修正的Rackett方程及回归的上述方程可求出饱和蒸汽的比体积的值，可以绘出PVm图上饱和蒸汽线。

过热蒸汽的比体积可由理想气体状态方程根据温度和压力计算出来。

通过上述公式计算，在PVm图上可以另外绘出三条曲线，即饱和液相线、饱和汽相线、气体线，因而实验报告中至少有八条线，根据实验测定结果绘制的至少有五条线，根据经验公式计算的三条线。

在使用Excel绘制PVm图时，必须将实验值与计算中明白无误的标示出来，实验值所对应的温度应用图例表示出来，坐标及单位也要表示出来，最好用图例的形式表示，要把实验结果用图表的形式准确、明白无误、美观的告诉其它人，换句话说，如何用实验报告准确有效地的与他人沟通。

实验报告中必须有原始记录及数据处理，必须将PVm图粘贴在实验报告上。

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图1 CO2的P—Vm关系图

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1—恒温水浴 5—摇把 9—压力表阀门

图2 CO2试验系统图

2—恒温水套 3—温度计 4—承压玻璃管（水银、CO2） 6—压力计 7—油杯阀门进 8—进本体油路的控制阀门 10—高压容器 11—油缸

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图3实验台本体结构

1——高压容器；2——玻璃杯；3——压力油；4——水银；5——密封填料；

6——填料压盖；7——恒温水套；8——承压玻璃管；9——CO2空间；10——温度计。

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实验四.连续流动反应器停留时间分布函数的测定

一实验目的

⑴脉冲示踪法测定停留时间分布的原理 ⑵计算机采集数据的原理方法

⑶测定单釜、三釜和管式反应器的停留时间分布函数；

⑷掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法，学会用EXCEL处理实验数据

二实验原理

本实验停留时间分布测定所采用的主要是示踪响应法。它的原理是：在反应器入口用注射器在尽可能短的时间内加入一定量的示踪剂KCl饱和溶液，通过电导率仪测量反应器出口处水溶液电导率的变化，间接的描述反应器流体的停留时间。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。本实验选用脉冲输入法。脉冲输入法是在较短的时间内，向设备内一次注入一定量的示踪剂，同时开始计时并不断分析出口示踪物料的浓度c(t)随时间的变化。由概率论知识，概率分布密度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-dt间的概率。在反应器出口处测得的示踪计浓度c(t)于时间t的关系曲线叫响应曲线。由响应曲线可以计算出E(t)与时间t的关系，并绘出E(t)－t关系曲线。

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，还需引进两个统计特征，即数学期望和方差。数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间 ，对离散型数据来讲，使用如下公式计算其数学期望和方差：

t??tc(t)?t?c(t)?t2??tL(t) ?L(t)22 ⑴

?2t??tc(t)?t?c(t)??tL(t)?t?L(t)2 ⑵

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若用无量纲对比时间θ来表示，即??tt，无量纲方差??2??t2t2

测定停留时间分布后，需使用反应器模型来评价其返混程度，当采用多釜串联模型时可求得无量纲方差与模型参数n之间的关系：

n?1??2

2n?1时，???1，为全混釜特征；

n??时，???0，为平推流特征。

2三、实验装置、流程及试剂

釜式反应器为有机玻璃制成的搅拌釜，釜的高度14cm，内径10cm，体积1000ml流程中配有三个这样的搅拌釜。因此既可作单釜、也可作二釜或三釜串联实验。

塔式反应器：高度80cm，内径2.5cm，内装玻璃填料，有效体积100ml

除此之外，还配有电动搅拌器、DDS－11C型电导率仪、LZB型转子流量计、数据采集与A/D转换系统、控制与数据处理微型计算机 自来水用作主流体，示踪剂是KCl饱和溶液。

四、实验步骤

⑴打开系统电源，使电导率预热20分钟。

⑵打开自来水阀门向高位槽进水，调节转子流量计的流量，打开各釜放空阀，排净反应器内残留的空气，将各釜内充满水。

⑶启动计算机数据采集系统，使其处于正常工作状态。

⑷使用注射器将10ml饱和KCl尽可能快的注入系统入口处，同时启动计算机数据采集系统；结束时按“停止”键，并立即按“保存数据”键存储数据。

⑸在流量不变条件下，分别进行2个搅拌转速的数据采集；也可以在相同转速下改变液体流量，依次完成所有条件下的数据采集。

⑹记录水的流量等相关数据。10.结束实验：先关闭自来水阀门，再依次关闭水泵和搅拌器、电导率仪、总电源；关闭计算机。将仪器复原。

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五、数据处理

将采集的数据使用Excel进行计算，使用上述公式计算出平均停留时间和方差，并求出模型参数，并绘出KCl浓度（或溶液电导率）随时间变化的曲线。

六、思考题

⑴什么是返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有哪些？ ⑵测定停留时间分布的方法有哪些？本实验采用哪种方法？

⑶脉冲法测定停留时间有什么特点？示踪物的选择标准是什么？

实验五、催化反应精馏制备乙酸乙酯

一、实验目的

⑴了解反应精馏的基本原理、特点和设备的结构；

⑵熟悉设备的连续操作，能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。

⑶测定反应的转化率和产率，和传统实验结果比较，体验反应设备和分离设备

二、实验原理

反应精馏过程不同于一般精馏，它既有物理相变之传递现象，又有化学反应现象。二者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下面两种情况特别适用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维护在平衡转化的水平；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的从系统中排出，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。通常因它们的沸点接近，靠一般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。

对于醇酸酯化反应来说，适于第一种情况。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

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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。本实验是以乙醇和乙酸为原料，在催化剂作用下生成乙酸乙酯的可逆反应。反应的方程式为：

CH3COOH+C2H5OH←→CH3COOC2H5＋H2O

本实验是从塔釜直接进料进行间歇式操作。反应只在塔釜内进行，由于乙酸的沸点较高，不能进入塔体，故塔体内有3组分，即水、乙醇、乙酸乙酯。

三、实验装置及分析方法

⒈用途

本装置是化学工程与化工工艺、化工研究实验室专用设备，可供有机化工、石油化工、精细化工、生物制药化工等专业部门的科研、教学、产品开发方面使用。用于有机物质的精分离时，具有操作稳定、塔效率高、数据重现性好等优点。此外，它还可装填不同规格、尺寸的填料测定塔效率，也能用于小批量生产或中间模拟试验。当填装小尺寸的三角型填料或θ网环填料时，可进行精密精馏。装置结构紧凑，外形美观，控制仪表采用先进的智能化形式。

对一般教学用的常减压精馏、反应精馏、萃取精馏玻璃塔来说只有一节塔体，它们在塔壁不同位置开有侧口，可供改变加料位置或作取样口用。而对科研或特殊要求的装置来说，塔体可由不同尺寸的塔节组成，它能方便地组合优化塔高和进料位置。塔体全部由玻璃制成，塔外壁采用新保温技术制成透明导电膜，使用中通电加热保温以抵消热损失。在塔的外部罩有玻璃套管，既能绝热又能观察到塔内气液流动情况。另外还配有玻璃塔釜、塔头及其温度控制、温度显示、回流控制部件构成整体装置。 ⒉技术指标

玻璃塔体：Φ20mm，填料高：1．4mm； 填料：2×2 mm(不绣钢θ网环)； ’ 保温套管直径：60～80mm； 釜容积：500ml，加热功率：300w； 保温段加热功率(上、下段)：各300w； 塔的侧口位置：

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侧口：五个；每口间距：250mm，距塔底和塔顶各200mm。 ⒊实验装置 略 ⒋分析方法

用带有热导池检测器的气相色谱仪去分析原料和产物。

色谱操作条件：柱子型号：GDX-102，2m×3mm（OD），桥流100mA，柱箱温度110℃，汽化室140℃，检测室120℃，柱前压0.03MPa，进样量0.5Μl。

相对校正因子：水0.74、乙醇1.0、乙酸乙酯1.15、醋酸1.27。各物质含量采用面积归一法计算。

三、实验指导

⒈分离物系的确定：要选择的物系是属于理想溶液还是非理想溶液，如果是前者分离为较纯的物质，相反的只能分离为共沸组成的物质。为得到较好的数据应选择前者，仅仅为测定塔理论板数的话，最好选正庚烷一甲基环己烷、苯一四氯化碳、苯一二氯乙烷等二元标准体系。

⒉普通精馏塔可间歇操作亦可连续操作，不管哪种操作都需要一定的稳定时间，尤其是连续操作更是如此。

⒊通常，在不同的二元混合溶液精馏过程中，可定性的看出塔的效率如何。主要是在全回流条件下取塔顶产物分析，纯度越高则效率越高，对共沸物来说，越接近共沸组成则效率越高．

⒋做为精馏实验教学训练，选取沸点相差较大的二元混合物系为好如：苯—甲苯、苯—二甲苯、甲醇—乙醇、乙醇—丙醇、乙醇—丁醇。己烷—正庚烷等。以醇类同系物为好，适于做连续精馏。

⒌反应精馏是将反应与分离过程结合在一起于一个装置内完成的操作过程。当反应处在非均相催化状态下时，即为催化精馏过程，两者都是反应精馏。反应精馏的特点是：简化了流程；对放热反应可有效的利用能量；对可逆反应因能即时分离产物而增加了平衡转化；对某些体系可因即时分离产物而抑制了副反应；可采用低浓度原料；因反应物存在可改变系统组分的相对挥发度，能实现沸点相近或具有共沸组成的混合物之间完全分离。反应精馏的应用：

主要用于酯化、醚化、皂化、水解、异构体分离等，如： 异丁烯+甲醇——→甲基叔丁醚或其逆反应

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醋酸+醇类——→醋酸酯类 异丁烯+水——→叔丁醇

氯乙醇、氯丙醇(皂化)——→环氧乙烷、环氧氯丙烷等 环氧乙烷+醇——→聚氧乙烯醚 过程选择：

何种过程才能选用反应精馏?尚未有准确的规定，但从反应物和产物之间挥发度关系去分析考虑还是可行的。把四种物质挥发度大小依次写成Al，A2，A3，A4时， (A)当A2+A3＝A1+A4，则反应物挥发度均介于生成物挥发度之间，选用反应精馏肯定有利。可使转化率超过平衡转化率，甚至达到完全转化。最有利的是能实现产物之间的分离，在塔顶或塔底得到纯品。(B)当A1十A2＝A3十A4(A2十A3=A1)或A3十A4＝Al+A2(Al+A2＝A3)，产物挥发度全部大于或小于反应物挥发度，则采用催化精馏才有利。(C)当A1+A4＝A2+A3，则所有产物挥发度均介于反应物挥发度之间，不太适于反应精馏。(D)当A1+A3==A2+A4或A2+A4＝Al+A3，则反应物和产物挥发度相同也不太适于反应精馏。(E)当Al+A2——→A3 ——→A4或A1+A3——→A4，产物与反应物挥发度不同，串联反应适于反应精馏，因产物能不断地被分离可抑制副反应，提高选择性。

反应精馏存在许多复杂因素，要求温度比较缓和，要维持在塔内的个各塔板亡有液体即泡点温度，靠调节压力来维持。操作条件相互影响：如进料位置、塔板数、停留时间、催化剂、原料配比、塔内结构，填料形式等都有影响。 6、间歇式反应精馏

⑴用量筒取100m1乙醇倒入蒸馏釜内。

⑵取100m1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． ⑶按操作程序升温。

⑷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3∶1，并开始收集出料，分析。

⑸当全回流时，从侧口向上取样分析直至釜顶。

⑹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。

⑺计算出转化率和收率。列出各分析数据，并画出塔填料高度与塔内组成的关系曲线。

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四、思考题

⑴反应精馏塔内温度分布有何特点？讨论反应精馏与普通精馏的区别？ ⑵实验过程中塔釜、塔顶温度如何变化？为什么？

⑶实验中调节温度的主要手段是什么？不同回流比对产物分布有何影响？如何提高酯化产率？

实验六、乙苯脱氢制取苯乙烯实验

一．实验目的

⑴了解以乙苯为原料，氧化铁系为催化剂，在固定床单管反应器中制取苯乙烯的过程 ⑵学会稳定工艺操作条件的方法

⑶学会气相色谱仪的操作使用步骤，学会实验数据的定量计算方法 二．实验原理 ⒈本实验的主副反应 主反应：

CH2CH3CHCH2+H2117.8kJ/mol

副反应：

CH2CH3+C2H4105kJ/molCH2CH3+H2+C2H6-31.5kJ/molCH2CH3+H2CH3+C2H4-54..4kJ/mol

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在水蒸汽存在的条件下还可能发生下列反应：

C2H5+CH32H2O+CO2 + 3H2

此外还有芳烃脱氢缩合及苯乙烯聚合反应生成焦油和焦等。这些连串副反应会降低反应的选择性极易使催化剂表面结焦而使其活性下降。

⒉影响反应的主要因素

可以利用物理化学中影响平衡的因素进行分析。 ⑴温度 乙苯脱氢反应为吸热反应。 ⑵压力 乙苯脱氢为体积增大的反应

⑶空速 因反应中有平行及连串副反应，随接触时间的增加，副反应增加，苯乙烯的选择性可能下降，适宜的空速与从催化剂的活性及反应温度有关，本实验乙苯的空速以0.6h-1为宜。

⒊催化剂

本实验采用氧化铁系催化剂其组成为：Fe2O3?CuO?K2O3?CeO2 三．实验装置及流程示意图

乙苯计量加料装置 汽 化 器 蒸馏水计量加料装置

反应器

冷凝分离，粗产品检测

四．实验步骤及方法 ⒈反应条件控制

汽化温度300℃，脱氢反应温度540～600℃，水∶乙苯＝1.5∶1（体积比），相当于加料0.5ml/min,蒸馏水0.75ml/min（50 ml催化剂）

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⒉操作步骤

⑴了解并熟悉实验装置及流程，搞清物料走向及加料、出料方法。

⑵接通电源，使汽化器、反应器分别升温至预定的温度，同时打开冷却水。 ⑶分别校正蒸馏水和乙苯的流量（0.5ml/min和0.75ml/min）。

⑷当汽化器温度达到300℃后，反应器温度达400℃左右开始加入已校正好流量的蒸馏水。当反应温度升至500℃左右，加入已校正好流量的乙苯，继续升温至540℃使之稳定半小时。

⑸反应开始每隔10～20min取一次数据，每个温度至少取两个数据，粗产品从分离器中放入量筒内。然后用分液漏斗分去水层，称出烃层液重量。

⑹取少量烃层液样品，用气相色谱分析其组成，并计算出各组分的百分含量。 ⑺反应结束后，停止加乙苯。反应温度维持在500℃左右，继续通水蒸汽，进行催化剂的清焦再生，约半小时后停止通水并降温。

反应产物检测条件：

柱子类型：6201，2m3mm，桥流100mA，柱箱温度120℃，汽化室150℃，检测室130℃，柱前压0.05MPa，进样量0.5μL。

五．实验记录与计算

记录进料速率、反应温度、产物质量及组成，计算乙苯的转化率、生成苯乙烯的选择性、苯乙烯的收率。

六．预习与思考

⒈乙苯脱氢制取苯乙烯的反应是吸热还是放热反应？如何判断？如果是放热反应，则反应温度为多少?实验室是如何实现的？工业上又是如何实现的？

⒉对本反应而言是体积增大还是减小？加压有利还是减压有利？工业上是如何来实现减压操作的？本实验采取什么方法？为什么加入水蒸汽可以降低烃分压？

⒊在本实验中你认为有哪几种流体产物生成？哪几种气体产物生成？如何分析？ ⒋进行反应物料衡算，还需要什么数据？如何搜集并进行处理？

⒌气相色谱仪的工作原理是什么？气相色谱计算中有哪些常用的定量方法？

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乙苯脱氢实验装置资料： 一、用途及特点

实验室小型管式炉加热乙苯脱氢反应装置是有机化工、精细化工、石油化工等部门重要的实验手段,尤其在反应工程和催化工程及化工工艺专业中使用的相当广泛。该实验装置可进行加氢、脱氢、氧化、卤化、芳构化、烃化、歧化、氨化等各种催化反应的科研与教学工作。它能准确地测定和评价催化剂活性、寿命、找出最适宜的工艺条件，同时也能测取反应动力学和工业放大所需数据,是化工研究方面不可缺少的手段。本装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式，由不绣钢材料制成。床内有直径3mm的不绣钢套管穿过反应器的上下两端,并在管内插入直径1mm的垲装热电偶,通过上下拉动热偶而测出床层各不同高度的反应温度。加热炉采用三段加热控温方式，上下段温度控制灵活,恒温区较宽。控制系统的温度控制采用高精度的智能化仪表，有三位半的数字显示,通过参数改变能适用各种测温传感器，并且控温与测温数据准确可靠。整机流程设计合理，设备安装紧凑，操作方便，性能稳定，重现性好。

二、技术指标

反应器 内直径 20mm；长度 550mm；

反应炉 直径 220mm；长度 500mm；各段加热功率 1KW； 预热器 直径 10mm；长度 250mm；加热功率 0.5KW； 催化剂装填量 5—20ml； 操作压力 0.2MPa； 气体流量 0—500ml/min

三、装置结构

仪表控制面板的仪表布置见实验装置。

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3'符号说明1-三角架,2-丝网,3、3’-玻璃毛,4-催化剂, 5-测温套管,6-锣帽，7-热电偶图3.乙苯脱氢反应器结构反应器结构见图3。

四、停车

当反应结束后停止加料（液体），停止电流加热，将电流给定旋钮逆时针转至零后关闭电源。电源关闭后要继续通入水蒸汽，待温度降至200℃以下可关闭水蒸汽（具体视催化剂的要求而定）。

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3'符号说明1-三角架,2-丝网,3、3’-玻璃毛,4-催化剂, 5-测温套管,6-锣帽，7-热电偶图3.乙苯脱氢反应器结构反应器结构见图3。

四、停车

当反应结束后停止加料（液体），停止电流加热，将电流给定旋钮逆时针转至零后关闭电源。电源关闭后要继续通入水蒸汽，待温度降至200℃以下可关闭水蒸汽（具体视催化剂的要求而定）。

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