實驗三-連續(xù)攪拌釜式反應器液相反應的動力學參數(shù)測定

1、實驗三 連續(xù)攪拌釜式反應器液相反應的動力學參數(shù)測定一、實驗目的連續(xù)流動攪拌釜式反應器與管式反應器相比較，就生產(chǎn)強度或溶劑效率而論，攪拌釜式反應器不如管式反應器，但攪拌釜式反應器具有其獨特性能，在某些場合下，比如對于反應速度較慢的液相反應，選用連續(xù)流動的攪拌釜式反應器就更為有利，因此，在工業(yè)上，這類反應器有著特殊的效用。 對于液相反應動力學研究來說，間歇操作的攪拌釜式反應器和連續(xù)流動的管式反應器都不能直接測得反應速度，而連續(xù)操作的攪拌釜式反應器卻能直接測得反應速度。但連續(xù)流動攪拌釜式反應器的性能顯著地受液體的流動特性的影響。當連續(xù)流動攪拌釜式反應器的流動狀況達到全混流時，即為理想流動反應器全混流

2、反應器，否則為非理想流動反應器。在全混流反應器中，物料的組成和反應溫度不隨時間和空間而變化，即濃度和溫度達到無梯度，流出液的組成等于釜內(nèi)液的組成。對于偏離全混流的非理想流動攪拌釜式反應器，則上述狀況不復存在。因此，用理想的連續(xù)攪拌釜式反應器（全混流反應器）可以直接測得本征的反應速度，否則，測得的為表觀反應速度。 用連續(xù)流動攪拌釜式反應器進行液相反應動力學，通常有三種實驗方法：連續(xù)輸入法、脈沖輸入法和階躍輸入法。本實驗采用連續(xù)輸入的方法，在定常流動下，實驗測定乙酸乙酯皂化反應的反應速度和反應常數(shù)。同時，根據(jù)實驗測得不同溫度下的反應速度常數(shù)，求取乙酸乙酯皂化反應的活化能，進而建立反應速度常數(shù)與溫度

3、關系式（Arrhenius formula）的具體表達式。通過實驗練習初步掌握一種液相反應動力學的實驗研究方法。并進而加深對連續(xù)流動反應器的流動特性和模型的了解；加深對液相反應動力學和反應器原理的理解。 二、實驗原理1反應速度 連續(xù)流動攪拌釜式反應器的摩爾衡算基本方程： （1） 對于定常流動下的全混流反應器，上式可簡化為 （2） 或可表達為 （3） 式中；流入反應器的著眼反應物A的摩爾流率， ； 流出反應器的著眼反應物A 的摩爾流率， ； 以著眼反應物A的消耗速度來表達的反應速度，；由全混流模型假設得知反應速度在反應器內(nèi)一定為定值。 反應器的有效容積，； 在反應器內(nèi)著眼反應物A的累積速率，。當

4、操作過程為定常態(tài)時，累積速率為零。對于恒容過程（恒溫下的液相反應通?？梢暈楹闳葸^程）而言，反應前后體積流率不變，即流入反應器的體積流率等于流出反應器的體積流率。若反應物A的起始濃度為，反應器出口亦即反應器內(nèi)的反應物A的濃度為，則式可改寫為 （4） 式中即為空間時間。對于恒容過程，進出口又無返混時，則空間時間也就是平均停留時間。 因此，當和一定時，只要實驗測得和，即可直接測得在一定溫度下的反應速度。 2反應速度常數(shù)乙酸乙酯皂化反應為雙分子反應，其化學計量關系式為 因為該反應為雙分子反應，則反應速度與反應物濃度的關系式可表示為 （5） 本實驗中，反應物A和B采用相同的濃度和相同的流率，則上式可簡化

5、為 （6） 將上式線性化后，可得 （7） 當反應溫度和反應器有效容積一定時，可利用改變流率的方法，測得不同的下的反應速度。由對進行標繪，可得到一條直線?？捎芍本€的截距求取值?；蛴米钚《朔ㄟM行回歸求得值。3活化能 如果按照上述方法，測得兩種溫度和下的反應速度常數(shù)和，則可按照阿累尼烏斯（Arrhenius）公式計算該反應的活化能，即 （9） 式中：為理想氣體常數(shù)。 再由、（或、）和E可計算地得到指前因子A，從而可建立計算不同溫度下的反應速度常數(shù)的經(jīng)驗公式，即阿累尼烏斯公式的具體表達式。 4質(zhì)量檢測 本實驗中采用電導法測量反應物A的濃度變化。對于乙酸乙酯皂化反應，參與導電的離子有、和，在反應前后濃

6、度不變，的遷移率遠大于的遷移率。隨著反應的進行，不斷減少，物系的電導值隨之不斷下降。因此，物系的電導值的變化與的濃度變化成正比，而由電導電極測的電導率與其檢測儀輸出的電壓信號也呈線性關系，則如下關系式成立： （10） 式中： 由電導電極測得在不同轉(zhuǎn)化率下與釜內(nèi)溶液組成相映的電壓信號值； 全部轉(zhuǎn)化為 時的電壓信號； 比例常數(shù) 本實驗采用等摩爾進料，乙酸乙酯水溶液和氫氧化鈉水溶液濃度相同，且兩者進料的體積流率相同。若兩者濃度均為0.01則反應過程起始濃度，應為0.005。因此，應預先精確配制濃度為0.005 的氫氧化鈉水溶液和濃度為0.005的水溶液。在預定的反應溫度下，分別進行電導測定，測得電壓

7、信號分別為和，由此可確定上式中的比例常數(shù)的值。三、實驗裝置 本實驗裝置有下列四部分組成：攪拌釜式反應器、原料液輸送與計量系統(tǒng)、反應溫度和攪拌轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)和質(zhì)量檢測系統(tǒng)。攪拌釜式反應器的內(nèi)經(jīng)為100，高為120，高徑比為1.2，有效容積為1。攪拌器為六葉開啟平直漿葉渦輪式，由直流電機驅(qū)動，并由轉(zhuǎn)速測控儀進行測量和調(diào)控。反應器的筒體為透明無機玻璃。器內(nèi)裝有起預混合和預熱作用的進料管，加熱用的內(nèi)熱式電熱管和控制液面的內(nèi)溢流管。器內(nèi)溫度由溫度測控儀控制恒定。電導池或電導電極插入器內(nèi)，外接電導率儀、信號放大器、/轉(zhuǎn)換器和計算機。電導儀測得的點信號，經(jīng)反復大和轉(zhuǎn)換后輸入計算機。 兩種反應物分別由貯槽

8、經(jīng)計量泵和預混合器。生成液由溢流管排出，存放于廢料桶。該裝置的流程如圖所示。圖連續(xù)流動攪拌釜式反應器測定液相反應動力學參數(shù)的實驗裝置流程Figure 1 Experimental equipment flows for determination of liquid reaction kinetics parameters in CSTR1料液A貯槽； 2料液B貯槽； 3計量泵；4攪拌釜式反應器；5電導率儀；6溫度與轉(zhuǎn)速控制儀和電導信號放大器；7A/D轉(zhuǎn)換板與計算機。四、實驗方法 實驗前的準備工作 （） 新鮮配制0.01的和水溶液，分別存放于料液貯槽，并嚴加密封。 （） 新鮮配制0.005的和

9、水溶液，以供濃度標定曲線之用。 （） 啟動并調(diào)整好電導率儀、控溫儀、測速儀和計算機的電子儀器，并調(diào)好軟件的數(shù)據(jù)采集程序。 標定濃度曲線的實驗步驟 （）向反應器中加入純水；啟動攪拌器并將轉(zhuǎn)速調(diào)至300600；啟動加熱和恒溫裝置，并設定所需反應溫度值；待溫度恒定后，將裝有0.005的試液和鉑黑電極的試管（電導池）插入反應器，啟動數(shù)據(jù)采集軟件（按鍵），測定該溫度下，與溶液濃度相應的電壓信號。待電壓值穩(wěn)定后，取曲線平直段的平均值，即為值。 （）用上述類同的方法，將裝有0.005電導池插入反應器，測得與0.005濃度相應的電壓值。 安裝電導池時要注意，試管（電導池）內(nèi)的電極離管底10，液面高出電極10。

10、試管液面低于反應器液面10以下為宜。為了試管內(nèi)溶液的溫度迅速均勻恒定，先可略為攪動一下。每次向電導池裝試液時，都先要用電導水沖洗試管和電極三次，接著再用被測液沖洗三次。 若要求在不同溫度下進行實驗，則可在設定溫度下重復上述實驗步驟。一般可在25和35兩種溫度下進行實驗。 測定反應速度和反應速度常數(shù)的步驟 （）停止加熱和攪拌后，將反應器內(nèi)的純水放盡。啟動并調(diào)定計量泵，同時以等流率向器內(nèi)假如料液和。待液面穩(wěn)定后，啟動攪拌器和加熱器并控制轉(zhuǎn)速和溫度恒定。當攪拌轉(zhuǎn)速在600時，總的體積流率在2.716(相當于計量泵顯示1060)范圍內(nèi)，均可接近全混流。 （）當操作狀態(tài)達到穩(wěn)定之后，按數(shù)據(jù)采集指令鍵（鍵

11、），采集與濃度相應的電壓信號。待屏幕上顯示的曲線平直之后，按終止采集鍵（鍵），取其平直段的平均值，即為與釜內(nèi)最終濃度相應的值。 （）改變流量重復上述實驗步驟，測得一組在一定反應溫度下，不同流量時的值數(shù)據(jù)。（）為了求取活化能，則需在另一溫度下重復上述實驗步驟。 實驗結(jié)束工作 （） 先關閉加熱和恒溫系統(tǒng)，后關閉計量泵。 （） 關閉計算機和電導率儀，再將攪拌轉(zhuǎn)速緩慢地調(diào)至零，最后關掉電路總開關。 （） 打開底閥，將釜內(nèi)液體排盡，并用蒸餾水將反應器和電導車沖洗干凈。將電導電極浸泡在蒸餾水之中，待用。 實驗注意事項 （）實驗中所用的溶液都必須新鮮配制，確保溶液濃度準確。同時，配制溶液用水必須是電導率的純水。和料液貯桶必須嚴密，進氣口需用合適的吸附劑除去空氣中的水分和二氧化碳。 （）在濃度標定實驗過程中，每次向電導池裝新的試驗液時，必須將電導池按要求沖洗干凈，不得簡化操作步驟和馬虎從事。 （）對于液相反應動力學實驗，必須要保證濃度、溫度和流率保持恒定和測量準確，因此要有足夠的穩(wěn)定時間是不可忽視。同時，還必須準確測量反應器的有效容積。 五、實驗結(jié)果 1記錄實驗設備和操作基本參數(shù)(1) 設備參數(shù) 反應釜的直徑： = ；高 度： = ； 攪拌器型式： 直 徑： 。 (2) 操作參數(shù) 操作壓力： 的料液濃度： ； 的料液濃度： ； 原料液進料比： ； 反應物起始濃度： ； 攪拌