釜式反應(yīng)器的研究報(bào)告預(yù)習(xí)報(bào)告

-.z釜式反響器的研究預(yù)習(xí)報(bào)告實(shí)驗(yàn)原理反響工程根底：全混流反響器在流體流動(dòng)方向上停留時(shí)間不同的流體例子之間的混合成為返混，也成為逆向混合。在全混流反響器中，要使物料的返混到達(dá)最大值。實(shí)際的釜式反響器更接近全混流反響器。本實(shí)驗(yàn)中的反響可視作一級(jí)反響：C12H22O11(蔗糖)+H2O—→C6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)在全混流反響器中，反響速率：返混程度的大小，一般很難直接測(cè)定，通常是利用物料停留時(shí)間分布的測(cè)定來(lái)研究。然而測(cè)定不同狀態(tài)的反響器內(nèi)停留時(shí)間分布時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，一樣的停留時(shí)間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時(shí)間分布不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此不能用停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而要借助于反響器數(shù)學(xué)模型來(lái)間接表達(dá)。停留時(shí)間分布的表示方法有兩種，一種稱為分布函數(shù)F(t)，其物理意義是停留時(shí)間小于t的粒子所占的分率；另—種稱為時(shí)間分布密度因數(shù)E(t)，其物理意義是停留時(shí)間為t的粒子的概率。兩個(gè)函數(shù)的關(guān)系為：E(t)=dF(t)/dt﹙1﹚本實(shí)驗(yàn)中：C12H22O11(蔗糖)+H2O—→C6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)水解反響可視為一級(jí)反響，其速率方程為：﹙2﹚積分上式得﹙3﹚式中CA為t時(shí)蔗糖的濃度；k為反響速度常數(shù)。多釜串聯(lián)的全混流反響器由于反響器出口出反響物濃度最低，故全混流反響器總是在最低的反響物濃度下操作，很多情況下將會(huì)影響反響的效率。為了利用全混流反響器的混合均勻、溫度易控的優(yōu)點(diǎn)，又使反響不全部在反響物濃度最低的條件下進(jìn)展，工業(yè)上經(jīng)常將全混流反響器串聯(lián)起來(lái)使用。對(duì)于多釜串聯(lián)的全混流反響器：全混流反響器的停留時(shí)間分布特性連續(xù)操作的幾個(gè)時(shí)間概念：停留時(shí)間：物料從進(jìn)入反響器到出反響器所花的時(shí)間；平均停留時(shí)間空間時(shí)間：反響器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。旋光物質(zhì)與旋光度當(dāng)平面偏振光通過(guò)盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就會(huì)被旋轉(zhuǎn)(向右或向左)一個(gè)角度，這時(shí)偏振光就不能通行無(wú)阻的穿過(guò)與起偏鏡棱軸相平行的檢偏鏡。只有檢偏鏡也旋轉(zhuǎn)(向右或向左)一樣的角度(a角度)，旋轉(zhuǎn)了的平面偏振光才能完全通過(guò)。觀察檢偏鏡上攜帶的刻度盤(pán)所旋轉(zhuǎn)的角度，即為該旋光性物質(zhì)的旋光度。偏振面被旋光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度叫旋光度。用a表示。旋光儀是用來(lái)測(cè)定光學(xué)活性物質(zhì)旋光能力大小和方向的儀器。光學(xué)活性物質(zhì)可以旋轉(zhuǎn)偏振光平面，其大小和方向除了與該物質(zhì)構(gòu)造有關(guān)外，還與測(cè)定時(shí)的溫度、所用光的波長(zhǎng)、溶液的濃度和溶劑、旋光管的長(zhǎng)度等有關(guān)。一般單色光源用鈉光燈，波長(zhǎng)為589nm，以D表示。規(guī)定以每毫升溶液所含溶質(zhì)的克數(shù)作為質(zhì)量濃度的單位。由旋光儀測(cè)得旋光角度后，可以下式計(jì)算旋光度：α為用旋光儀測(cè)得的旋光度；c為溶液的質(zhì)量濃度(g/ml)；l為旋光管的長(zhǎng)度/dm；t為測(cè)定時(shí)溫度(℃)，λ為測(cè)定所用光波波長(zhǎng)(鈉光以D表示)。光活性物質(zhì)為液體時(shí)，則以密度ρ(g/ml)代替c，即假設(shè)以100ml溶液含溶質(zhì)的克數(shù)，則，如果糖的水溶液，溶液濃度為5g/100ml，在1dm旋光管中測(cè)得旋光角度為-4.64°，則：書(shū)寫(xiě)旋光度時(shí)，除注明溫度，光波波長(zhǎng)外，在數(shù)據(jù)后的括號(hào)內(nèi)，注明其質(zhì)量百分濃度和配制溶液用的溶劑。偏振面被旋轉(zhuǎn)的方向有左旋(逆時(shí)針)和右旋(順時(shí)針)的區(qū)別。用符號(hào)D-或(+)表示右旋，L-或(-)表示左旋。例如：(+)-2-丁醇表示右旋；(-)-2-丁醇表示左旋。所有旋光性化合物[不是右旋，就是左旋。根據(jù)旋光度測(cè)溶液濃度：蔗糖及其水解產(chǎn)物都為旋光物質(zhì),其比旋光度分別是;蔗糖為66.65°，葡萄糖為52.5°，果糖為-91.9°。D表示所用光波為鈉黃光，其波長(zhǎng)為589nm；正值表示右旋〔使偏振面順時(shí)針偏轉(zhuǎn)〕，負(fù)值表示左旋〔偏振面逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)〕。由于果糖的左旋性大于葡萄糖的右旋性，隨著反響的進(jìn)展，反響產(chǎn)物的濃度逐漸增大，溶液的右旋性逐漸減少，以至經(jīng)過(guò)0°角后轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮?。所以可用溶液的旋光度變化?lái)度量反響的程度。溶液的旋光度為溶液中各組分旋光度之和。溶液的濃度可分別表示為CA0＝F(α0－α∞)﹙4﹚CA＝F(αt－α∞)〔5〕式中α0、αt、α∞分別表示反響時(shí)間為0、t、∞時(shí)溶液的旋光度，對(duì)于給定的條件，α∞為常數(shù)；CA為溶液的濃度；F為常數(shù)?？蓪?5)式改寫(xiě)為CA＝Fαt－Fα∞＝Fαt－B(6)從上式可以看出，對(duì)于一定初始濃度和PH值的蔗糖溶液來(lái)講，隨著水解反響的進(jìn)展，通過(guò)測(cè)定溶液的旋光度，即可通過(guò)〔6〕式計(jì)算出溶液中的蔗糖濃度，因此可算出相應(yīng)水解產(chǎn)物的濃度。α0、α∞、αt都是可以測(cè)定的，CA0可以從反響器各物流的流量和濃度計(jì)算，由此可直接計(jì)算出F。因而可通過(guò)測(cè)定的αt直接由(6)式算出CA。蔗糖水解是在常壓下進(jìn)展的。蔗糖水溶液以一定的進(jìn)料速度進(jìn)入反響器，產(chǎn)物以一樣的速度從反響器流出，保持反響器內(nèi)物料體積恒定后，向反響器中參加一定量的示蹤物，分析示蹤物的濃度隨時(shí)間的變化。因?yàn)樽⑷胧聚櫸锼脮r(shí)間極短，數(shù)量又少，所以可認(rèn)為示蹤物的流動(dòng)行為與和它同時(shí)進(jìn)入設(shè)備的反響流體流動(dòng)行為一樣，即示蹤物在反響器內(nèi)停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)與反響物料一樣。停留時(shí)間介于t和dt間的示蹤物物料量QE(t)dt，將在t和t+dt間流出反響器。故QE(t)dt＝UC(t)dt﹙7﹚因而E(t)＝〔U/Q〕C(t)﹙8﹚式中，U為總流量(ml/min)；Q為示蹤物總量〔mg〕；C(t)為示蹤物出口濃度〔g/L)。顯然，假設(shè)測(cè)知示蹤物濃度隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系C(t)，即可得到停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)隨時(shí)間的變化。本實(shí)驗(yàn)以示蹤物KCl來(lái)測(cè)定反響器停留時(shí)間分布，用電導(dǎo)儀測(cè)定KCl的電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化。KCl電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系為CKClλKCl=KKCl﹙9﹚式中，CKCl為KCl的濃度；λKCl為KCl的摩爾電導(dǎo)；KKCl為KCl的電導(dǎo)率。用電導(dǎo)儀測(cè)定KCl溶液的電導(dǎo)率，并配以自動(dòng)平衡記錄儀記錄電導(dǎo)率的變化，此變化用電訊號(hào)V與時(shí)間t的關(guān)系曲線表示，通過(guò)下面的換算即可得到KCl在反響器內(nèi)停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)。溶液濃度C(t)與電訊號(hào)V(t)的關(guān)系式為C(t)=μ′V(t)﹙10﹚式中μ′為常數(shù)。將C(t)關(guān)系式代入E(t)關(guān)系式，得E(t)＝〔U/Q〕μ′V(t)﹙11﹚令μ＝μ′U/Q﹙12﹚則E(t)＝μV(t)﹙13﹚因?yàn)椹v14﹚其中A為V(t)-t曲線下的面積〔mm﹒s〕；將E(t)與V(t)關(guān)系代入上式，得﹙15﹚因?yàn)椹v16﹚所以dA/A＝E(t)dt﹙17﹚dA/dt＝V(t)﹙18﹚根據(jù)V(t)的測(cè)定數(shù)據(jù)即可計(jì)算出反響器的平均停留時(shí)間τm和無(wú)因次散度，﹙19﹚﹙20﹚﹙21﹚以此即可考察反響器的返混特性。由實(shí)驗(yàn)得到的V(t)—t曲線換算為停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)與時(shí)間t的關(guān)系式，適用于處理以電訊號(hào)表示示蹤物濃度變化時(shí)停留時(shí)間的分布數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑耪莆胀Ａ魰r(shí)間分布的測(cè)定及其數(shù)據(jù)處理方法⑵對(duì)反響器進(jìn)展模擬計(jì)算及其結(jié)果的檢驗(yàn)；⑶熟悉根據(jù)停留時(shí)間分布測(cè)定結(jié)果判定釜式反響器混合狀況和改良反響器的方法；⑷了解單釜反響器、串聯(lián)釜式反響器對(duì)化學(xué)反響的影響規(guī)律，學(xué)會(huì)釜式反響器的配置方法。實(shí)驗(yàn)裝置槽中的反響物料通過(guò)蠕動(dòng)泵計(jì)量后進(jìn)入反響釜，反響釜內(nèi)設(shè)置攪拌器攪拌混合，反響溫度由夾套內(nèi)的恒溫水控制。流出反響器的物料溫度由溫度計(jì)測(cè)定，示蹤物采用電解質(zhì)KCl,在出口設(shè)置電導(dǎo)電極測(cè)定出口物料的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)展處理。在蔗糖水解實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)取樣口可隨時(shí)取樣測(cè)定溶液旋光度。由恒溫槽送出的恒溫水控制反響器的溫度。反響器的攪拌速度由調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，由光電測(cè)速儀測(cè)定或在顯示器上直接讀出。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟(1)測(cè)定單釜反響器和串聯(lián)反響釜的停留時(shí)間分布；⑵將停留時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與全混反響器和平推流反響器相比擬，分析單釜和串聯(lián)反響器的返混情況；⑶根據(jù)停留時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果和蔗糖水解的化學(xué)反響速度方程式計(jì)算反響器出口濃度和反響轉(zhuǎn)化率，與全混反響器單釜和三釜串聯(lián)的計(jì)算結(jié)果加以比擬；⑷在單釜和三釜串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)展蔗糖水解實(shí)驗(yàn)，測(cè)定出口反響產(chǎn)物的旋光度，將出口濃度和反響轉(zhuǎn)化率與上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)展比擬及分析討論。停留時(shí)間分布的測(cè)定測(cè)定停留時(shí)間分布的步驟：將自來(lái)水參加水槽，待有流體經(jīng)溢流管溢出時(shí)，將轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)至所需流速。系統(tǒng)穩(wěn)定后，開(kāi)啟電導(dǎo)儀。當(dāng)計(jì)算機(jī)顯示器顯示的電導(dǎo)率信號(hào)為直線〔基線〕時(shí)，方可脈沖進(jìn)樣檢測(cè)。*時(shí)刻t0，用針頭在反響器入口處極快注入示蹤劑KCl溶液，并同時(shí)給計(jì)算機(jī)一個(gè)進(jìn)樣記號(hào)。當(dāng)曲線逐漸平穩(wěn)回到基線位置時(shí)，該次測(cè)定完畢。蔗糖水解反響的測(cè)定表1蔗糖水解反響的實(shí)驗(yàn)條件反響器體積1(mL)反響器體積2(mL)蔗糖溶液流量(mL/h)酸催化劑流量(mL/h)總流量(mL/h)蔗糖溶液濃度(mol/L)750250×3140070021000.9(1.1156)酸催化劑濃度(mol/L)進(jìn)口蔗糖濃度(mol/L)進(jìn)口酸濃度(mol/L)平均停留時(shí)間(min)蔗糖分子量(g/mol)濃鹽酸濃度(mol/L)1.5(1.026)0.60.5～15342.3011.97(1.188)蔗糖水解反響的實(shí)驗(yàn)條件暫按表1的條件[1]進(jìn)展。先配置5L蔗糖溶液和3L酸催化劑溶液，分別倒入酸槽和蔗糖槽。調(diào)節(jié)超級(jí)恒溫槽至所需溫度，開(kāi)啟水泵向反響器夾套供恒溫水。開(kāi)啟蠕動(dòng)泵向反響器進(jìn)料，按表1調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流量。開(kāi)啟旋光儀預(yù)熱10min,等待取樣后立即檢測(cè)。調(diào)節(jié)攪拌速度，準(zhǔn)備好取樣瓶。待反響器出口溫度穩(wěn)定到達(dá)所需溫度時(shí)，即開(kāi)場(chǎng)取樣測(cè)定。每隔2min取樣測(cè)定一次樣品旋光度，當(dāng)連續(xù)3次的樣品旋光度一致時(shí)該次測(cè)定完畢，由最后的樣品旋光度確定水解反響率〔為什么.〕。蠕動(dòng)泵的流量標(biāo)定略。旋光儀的使用方法見(jiàn)附錄。在反響器進(jìn)口取樣測(cè)定α0，一次水解實(shí)驗(yàn)的最終的出口樣品放入恒溫槽內(nèi)隔夜后測(cè)定旋光度得α∞。數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)旋光儀所測(cè)得的出口濃度和進(jìn)口濃度，即可算出實(shí)際的轉(zhuǎn)化率。*real＝1－CA/CA0〔22〕由停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)雖可以確定反響轉(zhuǎn)化率。因?yàn)橐患?jí)反響進(jìn)展的程度僅與反響時(shí)間有關(guān)，所以在獲知物料停留時(shí)間后即可確定反響的轉(zhuǎn)化率。因?yàn)橥Ａ魰r(shí)間在t至t+dt之間，物料所占的分率為E(t)dt，假設(shè)這局部物料的轉(zhuǎn)化率為*A，則它對(duì)反響出口轉(zhuǎn)化率的奉獻(xiàn)應(yīng)為*AE(t)dt，將這些轉(zhuǎn)化率的奉獻(xiàn)相加即可得到出口的平均轉(zhuǎn)化率，即〔23〕同理，出口平均濃度應(yīng)為〔24〕對(duì)一級(jí)反響CA＝CA0e*p(-kt)，代入上式得〔25〕即〔26〕所以〔27〕在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的條件下，21℃時(shí)的反響速度常數(shù)k為2.58×10-3min-1；25℃時(shí)的反響速度常數(shù)k為4.40×10-3min-1[1]。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得停留時(shí)間分布密度后即可由上式計(jì)算出平均轉(zhuǎn)化率，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率比擬。運(yùn)用停留時(shí)間分布的測(cè)定數(shù)據(jù)還可算出物料在反響器內(nèi)的平均停留時(shí)間，將計(jì)算結(jié)果與按反響器體積和物料流量計(jì)算出的平均停留時(shí)間對(duì)照。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出無(wú)因次散度，由散度的大小即可判斷反響器的返混程度或接近全混反響器的程度。平推流反響器沒(méi)有返混，其無(wú)因次散度為0；全混反響器完全返混，其無(wú)因次散度為1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的無(wú)因次散度在0～1之間。對(duì)于串聯(lián)反響器，分別在1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)出口測(cè)得相應(yīng)的停留時(shí)間分布密度和溶液濃度，將反響轉(zhuǎn)化率的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照，同時(shí)將結(jié)果與停留時(shí)間一樣的兩種理想反響器的計(jì)算結(jié)果相對(duì)照。預(yù)習(xí)思考理想反響器反響物料攪拌均勻的間歇反響器，或者反響物料呈活塞流或全混流的流動(dòng)反響器，統(tǒng)稱為理想反響器。停留時(shí)間分布的概念、測(cè)試及其數(shù)據(jù)處理，明確tm、、的意義tm平均停留時(shí)間平均停留數(shù)據(jù)與實(shí)際停留時(shí)間的偏差。停留時(shí)間的方差，平推流反響器為0，全混流反響器為τ2，實(shí)際反響器0≤≤τ2停留時(shí)間分