1、實驗一 化學反應動力學參數測定一、實驗目的1了解與掌握在連續流動攪拌釜式反應器內測定均相液相反應動力學參數的原理和方法。2復習鞏固溶液標定和溶液配制的操作及計算方法。二、實驗原理1乙酸乙酯皂化反應的反應式為NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH（A） （B） （C） （D）在穩態條件下，根據流動式全混釜反應器的物料衡算基礎式，有 或 （1）當 ，且在等體積流量進料時，其反應速度可表示成如下形式： （2）或 （3）由實驗測定不同CA下的反應速度（-g A），然后由式（3）可求出該反應的速度常數k和反應級數n。由乙酸乙酯皂化反應的離子式 Na+ + OH Na+ +

2、 Ac 可以看出，在整個反應過程中，Na+ 濃度相同，故Na+ 的電導不變；而同樣濃度時OH 的電導遠大于Ac 的電導，所以溶液的電導變化可以OH 的電導來表示。由于在一定濃度范圍內NaOH溶液的電導與NaOH的濃度成正比，故可通過測定溶液的電導變化而反映出溶液中OH 濃度的變化。另外皂化反應是不可逆反應，反應進行完全時NaOH的濃度可視為零，因此溶液的電導與NaOH的濃度有下面的關系（溶液的電導可以用電導率儀來測定）： = a( L 0- L) ， CA = a( Lt- L）式中：L0、L 分別為反應初始和反應完畢時溶液的電導率。 Lt 空時為m 時溶液的電導率。代入（1）、（3）式，則有

3、 （4）及 （5）所以根據電導率的大小，由式（4）和（5）可直接得到相對應的反應速度、反應速度常數k及反應級數n。2若將該反應設定為二級反應，在采用CA 0 = C B 0及等分子流量進料時，式（2）可寫成： (2)¢代入式(1)可求出 k = (1)¢ 同樣可用電導率表示濃度的大小，式(1)¢ 可寫成： k = (4)¢在不同的空時條件下，由式(4)¢ 得到的反應速度常數k如是常數時，則表明該反應確實是屬于二級反應。3改變不同的反應溫度，按上述實驗原理1或2測定相應的反應速度常數k，再根據阿侖尼烏斯定律： k = （6） 或 ln k = l

4、nA - (7)即可得到反應的活化能和頻率因子。三、實驗流程和裝置本實驗流程如下：2145 8 73361 酯儲槽2 堿儲槽 3 轉子流量計 4 攪拌釜 5 產物儲槽6 電動攪拌器 7 電導率儀 8 計算機數采系統 四、實驗步驟1打開設備電源開關，然后打開電導率儀開關，進行預熱（10分鐘以上），此時可進行下面工作。2. 反應物料的標定和配制：在堿儲槽內用去離子水配制一定量約0.04 mol/L的NaOH溶液(已由實驗室配好)。用已知濃度的酸標定該NaOH溶液(準確至0.0001 mol/L)。在酯儲槽內根據得到的NaOH溶液的濃度，精確計算配制一定量（實驗時由老師給出）相同濃度的乙酸乙酯溶液(

5、即CA0 = CB0 )。3L0的測量：用量筒從堿儲槽取50mlNaOH溶液，將電導率儀的電極插入該溶液中。然后將“RANGES（量程）”旋鈕轉到“CAL（校正）”檔，通過“CONST（常數）”旋鈕使顯示數值與所用電極的常數值一致。再將“RANGES（量程）”旋鈕轉到“20m”檔，待顯示穩定后直接從電導率儀讀取數據，得，則 。讀完數據后，關閉電導率儀電源，取出電極并用去離子水清洗，然后將其插入反應釜的溢流管出口處。4. 從酯儲槽取等體積的乙酸乙酯溶液與上面所取的NaOH溶液混合于一個燒杯中，放置12小時以上，用做L的測量（在放置過程中應不時進行搖動，以使其充分反應）。5. 啟動計算機，然后進入

6、“電導率測量”程序。打開電導率計算機數采測量系統的電源。6將反應釜底部閥門關閉，加入乙酸乙酯溶液和NaOH溶液各300ml，并開動攪拌器進行攪拌，攪拌速度以在不產生氣泡的前提下盡可能大一些為宜。然后同時開啟分別與堿儲槽和酯儲槽相連的流量計的閥門，使兩種物料以相同流量進入反應釜，并保持流量穩定（流量值實驗時由老師給出）。7打開電導率儀開關，“RANGES（量程）”旋鈕保持在“20m”檔。在“電導率測量”程序窗口中，點擊開始采集按鈕，計算機屏幕開始顯示電導率變化曲線。當測得的電導率曲線基本為直線時，從電導率儀讀取并記錄反應后溶液的電導率數值以及相應的流量值。8改變流量，同上當電導率基本穩定后讀取并

7、記錄數據。共測五到六組數據。注意：實驗中要隨時注意產物儲槽的液位，及時倒換，以免過滿溢出。9最后一組數據測完后，點擊終止采集按鈕。10同時關閉兩個流量計的閥門，關閉攪拌器開關，測量并記錄反應釜內反應物料的溫度。然后打開反應釜底部閥門，用量筒量取釜內溶液，以測量反應釜的有效體積。11. 關閉電導率儀開關，取出電極并用去離子水清洗，然后放入裝有去離子水的燒杯中待用。12. 關閉電導率計算機數采系統的開關。退出“電導率測量”程序，關閉計算機。最后關閉設備電源開關。13. 以上過程結束12小時后，用同一臺電導率儀測定步驟4中所配置的溶液的L。五、數據記錄及處理1數據記錄L0 = L = 反應溫度： （

8、VR）m = CA0 =流量（L/h）電導率值（S/cm）2求算乙酸乙酯皂化反應速度常數和反應級數。一、實驗目的1了解與掌握在間歇式反應器內測定均相液相反應動力學參數的原理和方法。2復習鞏固溶液標定和溶液配制的操作及計算方法。二、實驗原理1乙酸乙酯皂化反應的反應式為NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH（A） （B） （C） （D）由乙酸乙酯皂化反應的離子式 Na+ + OH Na+ + Ac 可以看出，在整個反應過程中，Na+ 濃度相同，故Na+ 的電導不變；而同樣濃度時OH 的電導遠大于Ac 的電導，所以溶液的電導變化可以OH 的電導來表示。由于在一定濃度范

9、圍內NaOH溶液的電導與NaOH的濃度成正比，故可通過測定溶液的電導變化而反映出溶液中OH 濃度的變化。另外皂化反應是不可逆反應，反應進行完全時NaOH的濃度可視為零，因此溶液的電導與NaOH的濃度有下面的關系（溶液的電導可以用電導率儀來測定）： = a( L 0- L) ， CA = a( Lt- L）式中：L0、L 分別為反應初始和反應完畢時溶液的電導率。 Lt 反應時間為t 時溶液的電導率。2若將該反應設定為二級反應，在采用CA 0 = C B 0時，則： (1)3改變不同的反應溫度，按上述實驗原理1或2測定相應的反應速度常數k，再根據阿侖尼烏斯定律： k = （6） 或 ln k =

10、lnA - (7)即可得到反應的活化能和頻率因子。實驗二 填充管式反應器液體停留時間分布及其流動模型參數的測定一、實驗目的1.通過本實驗掌握一種測定停留時間分布的實驗技術.2.初步掌握對流體流經固體顆粒層這類設備的流動模型檢驗和模型參數的實驗測定方法。3.通過實驗，加深對于數學模型方法和流動模型等方面的有關概念、原理和方法的理解。二、實驗原理采用脈沖激發響應技術測定停留時間分布的實驗方法，是當主流流體以恒定的體積流率流經具有一定堆積體積的填充層時，在反應器入口處瞬時脈沖注入一定量的示蹤劑，與此同時在反應器出口處檢測示蹤物的含量，測得示蹤物濃度隨時間而變化的數據。由此可得到示蹤物濃度與時間的關系

11、曲線，即曲線，并可轉換為停留時間分布密度與時間的關系曲線，即曲線。由停留時間分布實驗曲線可以定性地診斷流體流經反應器的流動狀況。停留時間分布屬于隨機變量的分布，概率論上還可以定量地用數字特征加以描述，表征這種隨機分布的數字特征，其中主要的特征是數學期望和方差。（1）停留時間分布的數學期望，隨機變量的數學期望也就是該變量的平均數。流體流經反應器停留時間分布的數學期望也就是停留時間的平均值。停留時間分布數學期望的定義式為（1）圖1停留時間分布曲線如果取一定時間間隔的離散數據，則上述定義式可用離散型隨機變量數學期望定義式替代，即（2）如果取等時間間隔的離散數據，即為一定值，則（2）式可化簡為（3）本

12、實驗以水為主流體，其體積流率恒定為，以KCl為示蹤劑，其注入量為，則停留時間分布密度與濃度的關系為（4）本實驗采用電導率儀測定出口處的示蹤劑濃度，且已知水溶液的電導率與水溶液中KCl的濃度呈過原點的線性關系，水溶液的電導率又與電導率儀輸出的電壓顯示值呈線性關系，則停留時間分布密度與存在如下線性關系：（5）式中為換算系數，在固定測試條件下為一常數。由此，可將（3）式改寫為（6）如果流體流經反應器無密度變化，即流經反應器體積流率為定值，且，反應器進口又無返混，則平均停留時間可按下式計算：（7）式中流體流過反應器的流通體積，亦即固體顆粒填充層內的自由體積；固體顆粒填充層的空隙率；固體顆粒填充層的堆積

13、體積。（2）停留時間分布的方差，停留時間分布的數學期望只表征停留時間分布的中心，但不能反映停留時間分布的離散程度，而反應器內物料停留時間分布的離散程度正是反映物料在器內的返混程度。因此，停留時間分布的離散程度，統計學上用另一個特征數方差來表征。停留時間分布方差的定義式為（8）如果采集等時間間隔的離散型隨機變量數據，則停留時間分布的方差可按下式計算：（9）展開上式并經整理后可得：（10）根據前述相同原由，本實驗中的方差還可按下式計算：（11）（3）理想流動模型的檢驗由實驗測得的停留時間分布方差值，可按下式計算無因次方差：（12）由無因次方差的數值，可對被測反應器的流動狀況作出判斷，對其是否已達到

14、理想流動模型進行檢驗。當0，則該反應器為理想流動反應器，其流動模型為理想的活塞流模型。當1，則該反應器也為理想流動反應器，但其流動模型為理想的全混流模型。只有當01時，則該反應器為非理想流動反應器。（4）非理想流動反應器的流動模型與模型參數對于非理想流動反應器的流動模型，需要采用各種不同方式加以模擬，建立等效于原型的數學模型。目前，常用的流動模型有凝集流模型，分散活塞流模型（或稱擴散模型），多級全混流模型，循環流模型和組合模型等。分散活塞流模型（Dispersion Plug Flow Model）流體流經填充層時，如果流體在填充床層內作返混程度不大的一維定常流動，并且床層內維持等溫，則非理想

15、流動反應器可采用分散活塞流模型，即在活塞流中，由于軸向擴散引起返混來模擬實際的返混狀態。根據模型假設可導出數學模型為（13）式中示蹤物的濃度，mol·m；軸向等效擴散系數，m2·s；長度，m；流體在反應器內的流動速度，m·s。當反應器的長度為，無因次時間為，且。若令為無因次長度，則軸向分散模型又可表達為（14）式中為無因次數群，令該數群的倒數等于Pe，即（15）稱Pe為彼克列模數（Peclet modulus）。Pe即為一維軸向分散模型的模型參數，其數值也可用來度量返混程度的大小。Pe數值愈大（即愈小），則返混程度愈小；反之，則返混程度愈大。當Pe趨于¥

16、（或趨于0）時，則流動狀況趨于完全無返混，即流動模型接近活塞流模型。根據各種反應器的不同邊界條件和示蹤物輸入方法，求解（14）式可得到不同的解。各種求解方法及其解得結果，文獻中多有報道。在本實驗設備和操作條件下，保證設備進出口無返混，即屬于閉式設備。當返混程度很小（）時，則可解得與的關系式為 （16）當返混程度比較大（）時，則需根據下式進行試差計算模型參數：（17）多級全混流模型多級全混流模型是以多級串聯全混流反應器模擬各種非理想流動反應器。該模型也屬于單參數模型，模型參數為虛擬的串聯級數N。由式（8）的停留時間分布方差定義式，經展開并整理后，又可表達為如下形式：（18）多級全混流反應器的停留

17、時間分布密度為（19）聯立上列兩式求解可得：（20）或（21）由模型參數N的數值可度量非理想流動反應器的返混程度。N數值愈大，返混程度愈小；反之，則愈大。當N值趨于¥時，則反應器的流動模型趨于活塞流模型。一般情況下，當N³50時，已可視為活塞流反應器。三、實驗裝置本實驗裝置主要由反應器、供水系統、電導率儀，以及微型電子計算機等幾個部分組成，其裝置流程如圖2所示。圖2填充管式反應器測定停留時間分布及流動模型參數的實驗裝置流程1. 供水系統；2. 轉子流量計；3. 排氣閥；4. 示蹤劑注入口；5. 液面視鏡；6. 反應器；7. 電導池；8. 數字電導率儀；9. 微型電子計算機。

18、本實驗采用的反應器由直徑為65×5mm，總高度約為1600mm的圓形直管構成。管內填充有F5-6mm的玻璃珠，填充高度為1400mm。主體流體(水)從貯水槽由泵壓送至反應器頂部，流量由調節閥調節，并由流量計顯示。反應器頂部流入的水，自上而下流經填充層后，由器底出口排出，排出的水經電導池與電極接觸后，再經P形管排入下水道。反應器內液層高度由P形管高度控制，并由器頂放空閥進行微調。固體顆粒填充至示蹤劑注入口的下沿，而液面調至以淹沒示蹤劑注入口為度，一般以高出填料層約15mm左右為宜。示蹤劑采用KCl飽和溶液，用注射器由器頂示蹤劑注入口注入。由電導率儀測得出口溶液的濃度變化信號，經接口輸入

19、微型電子計算機。四、實驗步驟1. 實驗前的準備工作（1）將貯水槽灌滿水，關閉泵出口閥，啟動水泵。（2）按預定的實驗計劃，用調節閥調節流量。流量一般可在15100l·h范圍內選取。（3）利用P形管和器頂放空閥，調節填料上方的水墊層高度（約15mm左右），并維持穩定。（4）待水流量和水墊層高度穩定后，啟動電導率儀和電子計算機，并調節好實驗數據采集程序。待屏幕上顯示的初始電壓值穩定不變后，可以開始測定停留時間分布實驗。2. 停留時間分布測定實驗（1）用注入器將適量的示蹤劑（KCl飽和溶液），由反應器上方示蹤劑注入口迅速注入器內的水墊層中。示蹤劑用量應與主體流體的流量相適應，以使屏幕上顯示的

20、最高電壓值不超出程序預先設定的值。示蹤劑注入量一般約為0.51ml。（2）在注入示蹤劑的同時，用鼠標點擊“開始采集”指令鍵。（3）當連續采集的電壓值，再次出現初始值時，點擊“終止采集”的指示鍵，終止數據采集。再點擊“存儲數據1”指令鍵，將采集的實驗數據付于文件名后存入機內，待用。按上述操作步驟重復操作二、三次，以便獲得相同操作條件下的平行數據，進而可改變流量，重復上述實驗步驟，取得不同流量下的實驗數據。3. 實驗結束工作當最后一組實驗數據采集完畢之后，按下列步驟進行停機操作：（1）先關閉計算機，再關閉電導率儀。（2）先關閉水調節閥，再關閉泵的出口閥，最后停泵。（3）排盡設備內的存水。4. 實驗

21、注意事項（1）填充的固體顆粒層要填充均勻，避免出現“死區”或“短路”。（2）實驗過程中一定要控制水流量，水墊層高度和測試儀器的穩定，保證基準電壓不飄移。（3）示蹤劑注入量要適量，注射時動作要快速，同時又要保證示蹤劑全部注入水墊層內，防止飛濺。（4）正確使用鉑黑電極，使用前后一定要將電極浸泡在蒸餾水中，以防鉑黑惰化。如發現電極失準，應按電導電極說明書進行處理。五、實驗結果1. 記錄實驗設備結構參數與操作參數。（1）實驗設備參數裝填顆粒物種類：固體顆粒的直徑：mm填充層的直徑：mm填充層的高度mm填充層的堆積體積：ml填充層的自由體積（流通體積）：ml（2）操作參數主體流體（水）的體積流率：l&#

22、183;h示蹤劑（KCl飽和溶液）注入量：ml數據采集頻率：次·秒2. 參考下列格式記錄實驗數據并繪制實驗曲線。實驗序號或文件名稱：初始電壓值：mV起峰電壓值：mV最終電壓值：mV實驗數據：實 驗 序 號數據采集累計數 /次電壓值 mV3. 整理實驗數據（1）將實驗數據按下表進行整理：實驗序號時間分布函數/mV（2）標繪曲線。（3）列出停留時間分布的特征數和模型參數的計算結果。實驗序號或文件名稱主流體（水）的體積流率（1）平均停留時間/s（2）停留時間分布的數學期望（3）停留時間分布的方差（4）停留時間分布的無因次方差（5）軸向分散模型參數Pe/（6）多級全混流模型參數N/（7）列出

23、表中各項的計算公式。4. 從實驗數據整理結果中，可作出哪些判斷和結論？實驗三 連續攪拌式反應器液體停留時間分布及其流動模型的測定一、實驗目的1. 通過實驗，觀察和了解連續流動的單級、二級串聯或三級串聯攪拌釜式反應器的結構、流程和操作方法；2. 掌握一種測定停留時間分布的實驗技術；3. 初步掌握液體連續流過攪拌釜式反應器的流動模型的檢驗和模型參數的測定方法。二、實驗原理流體流經反應器的流動狀態，可以采用激發響應技術，通過實驗測定停留時間分布的方法，以一定的表達方式加以描述。本實驗采用的脈沖激發方法是在設備入口處，向主體流體瞬時注入少量示蹤劑，與此同時在設備出口處檢測示蹤劑的濃度隨時間的變化關系數

24、據或變化關系曲線。由實驗測得的變化關系曲線可以直接轉換為停留時間分布密度隨時間變化的關系曲線。由實驗測定的曲線的圖象，可以定性判斷流體流經反應器的流動狀況。由實驗測得全混流反應器和多級串聯全混流流反應器的曲線的典型圖象，如圖1所示。若各釜的有效體積分別為V1、V2和V3，且各釜體積相同，即，當單級、二級和三級全混流反應器的總有效體積保持相同，即時，則其曲線的圖象如圖1(a)所示；當各釜體積雖相同，但單釜、二釜串聯三釜串聯的總有效體積又各不相同時，如單釜有效體積，而雙釜串聯總有效體積，三釜串聯的總有效體積，則曲線的圖象如圖1(b)所示。 圖1全混流反應器和多級串聯全混流反應器的曲線停留時間分布屬

25、于隨機變量的分布，除了用上述直觀圖象加以描述外，通常還可采用一些特征數來表征分布的特征。概率論上表征這種隨機變量分布的數字特征主要是數學期望和方差。（1）停留時間分布的數學期望，隨機變量的數學期望也就是該變量的平均數。流體流經反應器的停留時間分布的數學期望的定義式為（1）如果取一定時間間隔的離散數據，即為定值，則停留時間的數學期望可按下式計算： （2）本實驗以水為主流體，氯化鉀飽和溶液為示蹤劑。當水的進出口體積流率恒為，示蹤劑的注入量為時，則停留時間分布密度與示蹤劑濃度的關系為（3）本實驗采用電導率儀測定出口處的示蹤劑濃度，且已知水溶液的電導率與水溶液中氯化鉀的濃度呈過原點的線性關系，又知電導

26、率與電導率儀輸出的電壓顯示值呈線性關系，則停留時間分布密度與存在如下線性關系：（4）式中為換算系數，在固定測試條件下為一常數。由此，可將式（2）經過變換，停留時間分布的數學期望又可按下式計算： （5）如果流體流經反應器無密度變化，即體積流率為定值，且反應器進出口無返混，則可按下式計算平均停留時間：（6）式中為反應器的總有效體積。（2）停留時間分布的方差，停留時間分布的方差是反映流體流經反應器時，停留時間分布的離散程度，亦即返混程度大小的特征數。停留時間分布方差的定義式為（7）經整理后可得：（7）如果采集等時間間隔的離散數據，則可按下式計算：（8）按照上述相同原由，本實驗中的方差還可按下式計算：

27、（9）（3）以無因次時間為時標的數字特征無因次時間的定義式為（10）以無因次時間為變量的數學期望（11）以無因次時間為變量的方差（12）與兩者之間存在如下關系：（13）（4）流動模型與模型參數單釜或多釜串聯的連續流動攪拌釜式反應器的理想流動模型的檢驗，或非理想流動反應器偏離理想流動模型的程度，一般常采多級全混流模型來模擬實際過程。該模型為單參數模型，模型參數為虛擬的串聯級數N。由多級全混流反應器的物料衡算可導出其停留時間分布密度的數學表達式，即（14）聯立（7）和（14）兩式求解可得模型參數：（15）或（16）由模型參數N的數值可檢驗理想流動反應器和度量非理想流動反應器的返混程度。當實驗測得模

28、型參數N值與實際反應器的釜數相近時，則該反應器達到了理想的全混流模型。若實際反應器的流動狀況偏離了理想流動模型，則可用多級全混流模型來模擬其返混情況，用其模型參數N值來定量表征返混程度。三、實驗裝置本實驗裝置由三個等容積的攪拌釜串聯組合而成。裝置中還配備有數字電導率儀、轉速調節與測量儀，以及微型電子計算機等儀器，其裝置流程如圖2所示。圖2連續攪拌釜式反應器液體停留時間分布實驗裝置流程1. 貯水槽；2. 循環水泵；3.轉子流量計；4. 攪拌釜；5. 調速電機；6. 電導電極； 7. 檢測與控制器；8.電子計算機。三個釜的內徑均為100mm，總高度約為200mm，高徑比為2。釜內攪拌器由直流電機經

29、端面磁驅動器進行間接驅動，并由轉速調節儀調控和測速。主流流體（水）自循環水泵的出口，經調節閥和流量計，由第1釜頂部加入，再由器底排出后進入第2釜，如此逐級下流，最后由第3釜釜底排出，經電導池后排入下水道。示蹤劑可根據實驗需要，分別由各釜釜頂注入口注入。如單釜實驗可在第3釜釜頂注入；二級串聯釜實驗可在第2釜釜頂注入；三級串聯釜實驗則可在第1釜釜頂注入。由電導率儀測得設備出口液體中示蹤劑濃度變化的電信號經接口輸入計算機。四、實驗步驟1. 實驗前的準備工作（1）將貯水槽和循環水泵灌滿水，啟動循環水泵，排盡泵內和管線內的氣體。（2）按實驗計劃調節水的流量，流量一般可在3060l·h范圍內調節。再由釜頂放空閥和釜底排水閥聯合調節釜內液面高度。一般可調至與檔板上沿平齊為宜。（3）啟動電路控制器和電子計算機，并調好數據采集程序。2. 停留時間分布測定實驗（1）用注射器將適量的示蹤劑（KCl飽和溶液）迅速由釜頂的注入口注入釜內。與此同時，用鼠標單擊