化工专业实验指导书.doc

化工专业实验指导书1242020年6月23日资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。化工专业实验指导书北方民族大学化学与化学工程学院目 录实验一 催化反应精馏法制乙酸乙酯1实验二 乙醇脱水反应研究实验8实验三 中空纤维超过滤膜分离实验16实验四 二元系统气液平衡数据的测定23实验五 三釜串联停留时间分布测定26实验六 十二烷基苯磺酸钠的合成( 磺化反应) 32实验七 2,4-二硝基苯酚的制备( 羟基化反应) 38实验八 超临界CO2萃取实验42实验九 煤的工业分析实验47实验十 煤炭发热量测定实验49实验十一 内压薄壁容器的应力测定实验56实验十二 外压薄壁圆筒形容器失稳实验62实验十三 厚壁圆筒爆破实验65实验十四 用废旧铝制品制备超细AL(OH)3粉体实验十五实验十六附录1: 实验报告的封面70附录2: 实验报告的要求71实验一 催化反应精馏法制乙酸乙酯一、 实验目的1、 了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程, 是反应和分离过程的复合, 经过实验数据和结果, 了解反应精馏技术比常规反应技术在成本和操作上的优越性。2、 了解玻璃精馏塔的构造和原理, 学习反应精馏玻璃塔的使用和操作, 掌握反应精馏操作的原理和步骤。3、 学习用反应工程原理和精馏塔原理, 对精馏过程做全塔物料衡算和塔操作的过程分析。4、 了解反应精馏与常规精馏的区别, 掌握反应精馏法适宜的物系。5、 学习气相色谱的原理和使用方法, 学会用气相色谱分析塔内物料的组成, 了解气相色谱分析条件的选择和确定方法, 并学习根据出峰情况来改变色谱条件。6、 学习用色谱分析, 进行定量和定性的方法, 学会求取液相分析物校正因子及计算含量的方法和步骤。了解气相色谱仪以及热导池检测器的原理, 了解分离条件的选择和确定。二、 实验原理1、 反应精馏原理反应精馏是随着精馏技术的不断发展与完善, 而发展起来的一种新型分离技术。经过对精馏塔进行特殊改造或设计后, 采用不同形式的催化剂, 能够使某些反应在精馏塔中进行, 并同时进行产物和原料的精馏分离, 是精馏技术中的一个特殊领域。本实验为乙醇和乙酸的酯化反应, 一般情况下, 反应受平衡影响, 转化率最大只能是平衡转化率, 而实际反应中只能维持在低于平衡转化率的水平。而在精馏塔中进行的酯化反应, 往往因为生成物中有低沸点或高沸点物质存在, 而多数会和水形成最低共沸物, 从而能够从精馏塔顶连续不断的从系统中排出, 使塔中的化学平衡发生变化, 永远达不到化学平衡, 从而导致反应不断进行, 不断向右移动, 最终的结果是反应原料的总体转化率超过平衡转化率, 大大提高了反应效率和能量消耗。同时由于在反应过程中也发生了物质分离, 也就减少了后续工序分离的步骤和消耗, 在反应中也就能够采用近似理论反应比的配料组成, 既降低了原料的消耗, 又减少了精馏分离产品的处理量。乙醇和乙酸的酯化反应精馏的催化剂用浓硫酸, 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。反应的化学方程式为2. 应精馏塔原理反应精馏塔用玻璃制成。直径2025mm, 塔总高约1400mm, 填料高度约1300mm, 塔内装2.5*2.5不锈钢网环型填料( 316L) 。塔身分两段, 上面是精馏段, 下面是提馏段, 长度各为700mm。全塔有5个取样口, 也能够当进样口使用。取样口在常压操作时使用, 里面用硅胶垫密封, 每取样20次以上应根据密封情况, 检查是否需要更换。塔身外壁镀有半导体金属膜, 用于控制塔身的散热, 并尽可能保持塔身和环境为绝热状态, 保温电流能使塔身的半导体加热保温。加热温度的设定需要根据实验物系的性质决定, 由仪表来控制加热的温度, 加热电流能够用仪表或手动来调节, 一般为0.150.3A。一般能够设定保温的温度比塔内的温度低512。仪表采用AI708型, 能够参加仪表使用说明书来调节或改变仪表设置, 精馏段和提馏段各使用一块仪表加热。塔内蒸汽到达塔顶后被冷凝器冷凝, 顶气相的温度由仪表显示。塔顶冷凝采用自来水, 冷凝液体进入塔顶回流头, 采用摆动式回流比控制器操作, 一部分液体被从右面采出进入到塔顶储罐, 另一部分进入到塔内回流。回流比由仪表面板的回流比控制器控制, 实验中一般为35, 此控制系统由塔头上摆锤、 电磁铁线圈、 回流比计数拨码电子仪表组成。本实验是间歇式反应精馏, 在500ml间歇塔釜一次性加入原料的混合物和催化剂, 然后加热到反应温度进行反应。一般乙醇的摩尔数和乙酸摩尔数比为1.031.05:1.0, 浓硫酸加入量按应加入乙酸理论重量的比例加入, 一般在0.20.3%( wt) , 加入量越大, 反应速度越快。反应完全发生在塔釜内, 反应生成的产物在塔内发生分离, 轻组分乙酸乙酯和水的共沸物不断向上移动, 并最终从塔顶排出。而塔釜内的乙醇和乙酸, 随着反应的进行, 浓度不断减少, 水量不断增加, 反应温度也开始慢慢升高。最后, 在塔顶得到的都是含水的乙酸乙酯, 有时候能自己分层, 但一般是加入少量的水, 使它们分层, 上层就是乙酸乙酯, 下层为含少量乙酸乙酯的水。3. 色谱分析原理产物的分析由于比较复杂, 含有多种成分, 一般不能用滴定或折光仪分析, 而采用气相色谱法。实验所用的色谱柱固定相为101白色担体, 固定液为邻苯二甲酸二壬酯, 固定液含量一般为10%。需要测定的样品分别为乙醇、 乙酸、 水和乙酸乙酯, 色谱采用热导池检测器, 出峰顺序为水、 乙醇、 乙酸、 乙酸乙酯。汽化室温度150, 柱箱温度130140, 检测器温度150, 桥电流140mA, 衰减1, 进样量0.2l。全塔物料总平衡如图所示物料平衡方程如下: 对第j块理论板上的i组分进行物料衡算如下: Lj-1Xi,j-1+Vj+1Yi,j+1+FjZj,i+Ri,j=VjYi,j+LjXi,j 2jn, i=1,2,3,4 (1)（1） 气液平衡方程对平衡级上某组分i有如下平衡关系: Ki,jXi,j-Yi,j=0 (2) 每块板上组成的总和应符合下式: (3)（2） 反应速率方程 (4)式( 4) 指原料中各组分的浓度相等条件下才能成立, 否则应予修正。（3） 热量衡算方程 对平衡级上进行热量衡算, 最终得到下式: Lj-1hj-1-VjHj-Ljhj+Vi+1Hj+1+FjHrj-Qj+RjHrj=0 (5)式中: Fjj板进料流量hjj板上液体焓值Hjj板上气体焓值Hrjj板上反应热焓值Ljj板下降液体量Ki,ji组分的汽液平衡常数Pjj板上液体混合物体积( 持液量) Ri,j单位时间j板上单位液体体积内i组分反应量Vjj板上升蒸汽量Xi,jj板上组分i的液相摩尔分数Yi,jj板上组分i的气相摩尔分数Zi,jj板上i组分的原料组成i,j反应混合物i组分在j板上的体积Qjj板上冷却或加热的热量三、 装置及试剂1、 装置玻璃精馏塔, 天平, 烧杯, 量筒, 胶头滴管, 三角烧瓶, 分液漏斗, 气相色谱( TCD) , 色谱工作站。2、 试剂无水乙醇( 分析纯) , 含量99.0%; 冰乙酸( 分析纯) , 含量99.0%; 乙酸乙酯( 分析纯) , 含量99.0%; 浓硫酸( 化学纯) , 含量98.0%四、 实验步骤1、 打开色谱载气的氢气发生器。调节氢气减压阀的压力为0.2Mpa, 检查色谱后面的稳压阀是否打开并调到合适位置? 此时, 色谱仪前面的两个压力表应该能调节到0.15Mpa左右。2、 在用皂沫确定色谱柱两个尾气出口都有气体后, 打开启色谱仪主开关。调节面板上的两个载气压力调节阀, 使两路色谱柱的载气H2流量为2530ml/min, 能够用皂沫流量计和秒表来测定出口处的流量, 一般应使两路的流量基本相同。3、 调节完毕载气速度后, 分别打开柱温、 汽化器、 检测器加热开关, 然后按下柱温设定的琴键开关, 调节旋钮, 使显示窗口的柱温设定为140( 能够根据出峰分离情况来调节) , 然后能够将琴键开关切换到显示状态, 此时, 能观察到色谱柱箱的温度会快速升高, 否则, 应按色谱使用说明书检查色谱保险和加热电路。4、 设定气化室温度为140, 检测器温度为150, 打开桥电流开关, 并调节旋钮, 使桥电流为140mA, 信号衰减为1。色谱柱、 汽化器、 检测器的温度都稳定后, 再用秒表和皂沫流量计准确测定色谱柱载气出口气体流量, 并记录室温。在标准压力表上读出柱前压。5、 开色谱记录仪或色谱工作站( 根据用户自己的配置情况) , 调节色谱面板下面的调零旋钮, 此时, 记录仪或色谱工作站的指针或读数应发生变化。待色谱仪基线稳定后, 调节基线的位置在”0”以上。6、 分别用量筒大约量取110ml乙酸(99.5%)和120ml乙醇(99.7%)加入到250ml烧杯中, 并在天平上用滴管加入直到 乙酸为120.0克, 乙醇为96.0克, 用滴管在乙酸中加入浓硫酸2030滴, 然后把乙醇和乙酸一起加入到500ml的塔釜中。7、 打开塔顶冷却水, 观察是否有水? 如果正常, 则打开控制柜加热开关, 分别打开塔釜、 精馏段、 提馏段加热控制温度仪表, 并设定塔釜加热温度为95, 精馏段和提馏段加热保温温度为80。调节塔釜加热电流为0.3A, 保温电流暂时不打开。记录实验开始的时间, 每隔15或30分钟记录各种实验数据一次。8、 分别准确称取33、 8、 40、 20克左右的蒸馏水、 分析纯乙醇、 分析纯乙酸、 分析纯乙酸乙酯, 混合后用气相色谱分析, 并最少分析三次, 用于计算每个组分的校正因子。9、 在塔釜温度达到60时, 开始慢慢调节保温加热电流, 精馏段为0.15A、 提馏段0.20A, 注意不同季节和环境温度, 能够适当改变加热电流的大小。 10、 在塔顶开始回流后, 保持全回流15分钟, 使塔内填料被充分润湿。打开回流比开关, 设置回流比为3, 此时, 能观察到回流头的摆锤开始来回摆动, 有液体开始流到塔顶产品储罐中, 保持这个回流比操作30分钟, 然后把回流比改成5。11、 在塔釜温度开始从74左右突然开始升高时, 反应可能接近终点。在塔釜内的液面不能足够循环时, 能够停止采出, 把回流比关闭, 使塔为全回流操作, 关闭塔身保温加热电流, 将仪表温度设定为室温。关闭塔釜加热仪表, 将加热电流调节调节到零。12、 将塔顶储罐的产品倒入到烧杯里, 加入100ml蒸馏水, 充分震荡, 然后加入到分液漏斗中, 放置在试管架上静止分离2030分钟。仔细放出分液漏斗下部的水准确称重, 然后将上部的产品乙酸乙酯也准确称重, 分别用色谱进行分析。最少重复两次。13、 等待15分钟使塔内液体完全流回到釜内, 待釜液温度降低到40时, 能够打开塔釜, 将釜内液体准确称重, 并用色谱进行分析。14、 停止通冷却水。在分析完毕后, 首先关闭桥电流和色谱检测器加热, 再关闭汽化器加热。等检测器温度降到7090以下时, 再关闭色谱载气和柱箱加热。关闭色谱仪, 关闭氢气钢瓶减压阀, 并等减压阀压力为零时, 再关闭钢瓶总阀。将产品废液收集到废液瓶中, 清洗各种玻璃仪器, 结束全部实验。五、 实验数据及处理根据实验情况, 记录数据如下, 室温25, 大气压力760.0mmHg。分析用气相色谱为双气路910T型。使用热导池检测器, 分析数据用色谱工作站处理。表一: 色谱分析条件原始数据记录表室温()室内压力(Mpa)色谱箱温度汽化器温度检测器温度桥电流mA信号衰减表二: 色谱分析标样混合物组成x原始记录表 组分项目水( min) 乙醇( min)乙酸( min)乙酸乙酯( min)标样重量W( 克) x(重量W%) 第一次分析A%第二次分析A%第三次分析A%表三: 反应温度原始记录表时间( min) 塔釜温度塔顶温度精馏段温度提馏段温度030607590105120135表四: 馏出物组成原始数据表 组分 取样位置水面积含量%乙醇面积含量%乙酸面积含量%乙酸乙酯面积含量%塔顶产品( 第一次分析) 塔顶产品( 第二次分析) 塔釜液相( 第一次分析) 塔釜液相( 第二次分析) 塔顶水相( 第一次分析) 塔顶水相( 第二次分析) 表五: 实验结果数据记录表塔釜产品重量( 克) 塔顶产品重量( 克) 塔顶水相重量( 克) 六、 思考题1、 怎样改变色谱分析条件, 才能使分析的峰形最好? 2、 反应精馏的原料转化率和收率受那些因素影响? 如何改变实验条件才能尽可能提高转化率和收率? 3、 怎样对反应精馏塔做物料衡算? 试举例说明。4、 与常规反应和精馏相比, 反应精馏有什么优点? 试从工艺和能耗两方面分析。实验二 乙醇脱水反应研究实验一、 实验目的: 掌握乙醇脱水实验的反应过程和反应机理、 特点, 了解副反应和生成副产物的过程。学习气固相管式催化反应器的构造、 原理和使用方法, 学习反应器正常操作和安装, 掌握催化剂评价的一般方法和获得适宜工艺条件的研究步骤和方法。学习自动控制仪表的使用, 如何设定温度和加热电流大小。怎样控制床层温度分布。学习气体在线分析的方法和定性、 定量分析, 学习如何手动进样分析液体成分。了解气相色谱的原理和构造, 掌握色谱的正常使用和分析条件选择。 学习微量泵和蠕动泵的原理和使用方法, 学会使用湿式流量计测量流体流量。二、 实验原理: 乙醚是一种应用广泛的化工产品。当前, 在工业生产中主要是用硫酸作用下催化乙醇脱水的方法制备。可是这种方法存在着一定的缺陷, 如, 劳动强度大、 设备腐蚀严重、 产品酸度高需要进行碱中和、 对环境污染严重, 使生产成本提高等1。这些问题引起了化工学者的关注, 着手开发能够取代硫酸的新型催化剂体系。 当前, 国内国外已有大量关于乙醇脱水制乙醚固体催化剂研究开发的科技报道。经过化工学者的努力已有一部分理想的催化剂投入到乙醚的工业生产中去, 且实际使用情况非常好, 基本上解决了硫酸催化乙醇脱水制乙醚所带来的生产问题, 显示出了很高的实际应用价值, 使工业生产简单化, 给工业化生产乙醚带来了革命性的曙光。当今, 乙醚的工业生产方法主要采用乙醇硫酸脱水法, 乙醇氧化铝催化脱水法和乙烯水合生产乙醇副产乙醚法。国外主要采用乙烯水合法, 其次采用乙醇氧化铝催化脱水法来弥补。 乙醇硫酸法: 2CH3CH2OH H2SO4 CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O 140反应温度不得超过170, 否则产生乙烯, 工业上用乙醇脱水法制乙醚, 常见氧化铝作为催化剂, 在300左右进行脱水反应 ( 乙醇氧化铝催化脱水法) Al2O3 2CH3CH2OH CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O 300催化剂简介( ZSM-5分子筛) : 取1.0L水玻璃长岭炼油化工厂催化剂厂生产, SiO2含量250g/L,Na2O78.4g/L,密度( 20) 1.259g/ml加热至100, 向其中加入21.0g ZSM一5分子筛齐鲁石化公司周村催化剂厂生产, 相对结晶度90%, 硅铝比60, 干基含量90%( 质量分数) 并搅拌均匀;76.5ml硫酸铝溶液( 长岭炼油化工厂催化剂厂生产, Al2O3含量92.7g/L,d204=1.198) 和175.7ml稀硫酸( 质量分数56%, d4 =1.192) 所组成的酸化硫酸铝溶液, 在搅拌下加入到上述已加热的水玻璃中制成反应混合物, 所得物料总体积为1260ml, 将该反应混合物装如反应釜, 于180下搅拌、 干燥后, 得ZSM一5产品170g( 干基) , 其相对结晶度95%,热崩塌温度1105, BET比表面354m/g,单釜产量增加了1.7倍ZMS-5沸石是一类具有独特孔道结构形状的沸石, 它与熟知的大孔八面沸石的孔道不同, 它们具有非常好的催化选择性和高的热稳定性, ZSM-5沸石属高硅五元环形沸石, 其基本结构有八个五元环, 组成这种基本结构单元, 经过共边界成链状结构, 然后再围成沸石骨架。 ZSM-5晶体属理想的斜方晶系, 空间群Pnma,晶格常数为: a=2.01nm ,b=1.99nm, c=1.34nm ,也发现有单斜对称的Na型的单晶包组成的为 NanAlnSai96-nO.16H2o,n代表晶包中的铝原子数, 能够从0-20左右, 经过高温容烧或某些化学处理, ZMS-5沸石的晶体对称性有可能降低, 其晶体结构可由正交晶系转变成单斜晶系。ZSM-5 分子筛的催化性能: 晶体具有均匀的孔结构, 孔径的大小与一般分子相当, 它们具有很大的表面积, 且表面极性很高, 一些具有催化活性的金属能够经过交换进入ZSM-5分子筛的内部, 然后还原为金属元素状态, 可获得较高的分散度, 同时ZSM-5分子筛骨架结构的稳定性很高。这些结构性质, 是分子筛不但成为优良的吸附剂, 而且成为良好的催化剂和催化剂载体, ZSM-5分子筛催化剂主要作为酸性催化剂和双功能催化剂。 对ZSM-5分子筛催化作用的广泛研究表明: 在浓硫酸、 卤化铝和无定形硅酸铝中发生的反应, 同样能够在ZSM-5分子筛催化剂上进行。ZSM-5分子筛催化的显著特点是对于许多反应都有催化活性, 就像酶催化一样, 但酶催化的操作温度和PH值范围较小, 而分子筛在非常宽阔的温度范围都有催化活性, 许多反应仍有很高的转化率, 分子筛起到酸催化剂的作用, 分子筛不像AlCl3那样容易与反应物配合,也不像硫酸那样具有腐蚀性和容易发生磺化和氧化反应。在分子筛上的裂解, 异构化, 烃基化, 歧化, 水合和脱水等反应均属酸催化反应。ZSM-5分子筛作为催化剂最明显的特点是对分子的大小有很强的选择性, ZSM-5是Zeolite Socony Mobil 的缩写是美国Socony Mobil 公司研究和开发的一系列新型合成沸石, ZSM一5是公司在20世纪60年代合成的一种当前应用最广泛的沸石。 ZSM一5沸石分子筛的晶体, 具有丰富的微孔通道和孔穴, 在ZSM一5分子筛中进行的催化反应面临以下三种不同的条件和结果( 即选择性) : (1) 由于大多数活性中心都已被限制在孔结构之内, 因此, 只有那些半径与分子筛孔径相当( 较大或略大) 的反应物分子, 才有可能进入孔内, 并在其中的活性中心上发生反应。而无法进入孔内的反应物, 只有在为数很少的外表面的活性中心上反应。(2) 只有那些进入孔后而又能再从孔中扩散出来的分子, 才可能作为产品出现。当然, 这种分子也只占一部分, 而其余的产物分子, 或者体积较大, 或裂解成堵塞孔道、 或使催化剂失活的小分子, 则也不能从孔中排除作为产物出现。(3) 某些孔内反应, 因为需要形成体积较大的过度状态( 或中间态) 分子, 由于它们受到分子筛孔道孔穴尺寸的约束和限制, 使得这些过度态的中间产物, 难以在孔中形成; 反之, 分子较小的过度态产物, 则能够形成。由于ZSM-5分子筛具有巨大的内表面,因此分子筛的活性中心不但存在于分子筛表面上, 而且内表面业存在催化活性中心起到催化作用。反应机理: 主反应: CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3+H2O副反应: CH3CH2OHCH2CH2+H2O在实验中, 由于反应生成的产物乙醚和未反应的乙醇留在了液体冷凝器中, 而其它几个副产物都是挥发气体, 进入尾气湿式流量计计量总体积后排出。对于不同的反应温度, 经过计算不同的转化率和反应速率, 能够得到不同反应温度下的反应速率常数, 并得到温度的关联式。三、 实验仪器和药品: 乙醇脱水气固反应器, 气相色谱及计算机数据采集和处理系统, 精密微量液体泵。乙醇脱水催化剂, 化学纯乙醇, 分析纯乙醚, 蒸馏水。四、 实验步骤: 1. 准备工作:(1).色谱连接: 检查作为色谱载气的氢气钢瓶或氮气钢瓶压力是否大于2.5kgf/cm2,如果小于2.5kgf/cm2,要更换钢瓶.检查无误后,接好色谱载气接口,处理好色谱尾气接口,检查色谱柱的连接情况.(2).催化剂的装填:先准备好催化剂,然后用干量筒量取催化剂5ml,在精密天平上称重并记录.根据反应管的内径,计算出5ml催化剂所占的高度,然后根据恒温区曲线确定其在反应管中的最好的装填位置. 准备2-3mm的碎瓷环( 或颗粒度较大的石英砂) ,瓷环或石英砂应预先在稀盐酸中浸泡, 并经过水洗、 高温烧结, 以除去催化活性.从装置上拆下反应管,在反应器底部放入少量岩棉, 然后放入适量高度的瓷环或石英砂(以确保催化剂处于恒温区的最佳位置为准),准确量取瓷环或石英砂高度并记录.再放入少量岩棉, 将称量好的催化剂, 缓慢、 全部加入到反应器中, 并轻微震动, 然后记录催化剂高度, 确定催化剂在反应器内装填高度。再装入碎瓷环或石英砂至反应管口(切记不要填至反应管密封口处).装填过程中能够轻轻敲打反应管外壁,以保证不出现架桥现象. 然后将反应器顶部密封。(3)进料泵准备及流量校正: 液体物料由进口高压微量液体泵控制。放在原料瓶中的液体物料, 经过过滤器进入倒泵进口, 该泵为单柱塞泵, 但有特殊专利技术, 能保证液体流量的准确和稳定。液体从泵出口经三通阀V-5( 三通阀的作用是选择排气与进料) 打入到系统中进入预热器预热。如果实验开始泵出口没有液体, 而泵能正常运转, 能够将三通阀转到排气状态, 然后用泵自身配备的注射器从排气口抽气, 一直到有液体出来为止, 然后再将阀门扳回到进料状态。液体的流量能够从面板上很方便的设置, 读数从0.01-9.99可任意选择, 单位ml/min。该流量不需要再进行校正, 既可输送准确体积的液体。根据实验要求,设定好流量即可,详细的泵使用说明能够参考泵使用说明书。 (4).湿式流量计准备:把湿式流量计拆下,拧下背面的溢水口接头,从顶口处往里灌水,到溢流口刚好有水流出,拧上接头,装回流量计,装好各配件,连好尾气出口.2 将反应管放入到加热炉中, 连接乙醇的进口, 拧紧卡套。把预热器出口与反应器的进口连接, 把反应器出口与六通阀连接, 并把玻璃收集瓶放在放液调节阀出口。3. 各流程及元件安装无误, 连接良好后, 插上设备电源开关。4. 打开钢瓶开关,调节钢瓶输出压力为0.2-0.3 Mpa,调节色谱两通道压力调节阀,控制尾气流量在20-30ml/min(用皂膜流量计和秒表校正). 5. 打开装置总电源开关,按照实验要求, 调整好色谱条件: 载气为氮气, 柱箱温度: 140进样器温度: 140, 检测器温度: 150 , 色谱柱: 乙醇脱水专用( 4、 3m) 6. 将反应器加热温度设定为260380, 预热器温度设定为100( 能够根据反应器温度的分配情况调节) 阀箱温度设定为100。温度设定无误后,打开加热开关,在开始加热时可用自整定设置。7在温度达到设定值后, 继续稳定1020分钟, 然后开始加入乙醇。乙醇的加料速度为0.51.5ml/min。8.反应进行20分钟后, 正式开始实验。记录湿式流量计读数, 应每隔一定时间记录反应温度, 压力等实验条件。9反应开始每隔1020分钟旋转六通阀进样一次, 每个温度至少取两个数据, 粗产品从分离器中放入量筒内, 气体排空。10取少量液体样品, 用气相色谱分析其组成, 并计算出各组分的百分含量。11改变反应温度, 每次提高2030, 重复上述实验步骤, 则得到不同反应温度下的原料转化率、 产物乙醚收率、 副产物乙烯生成速率等, 并根据动力学模型, 能够得到反应速率常数。五、 实验数据记录及处理数据记录: 1、 实验中, 应每隔一定时间记录反应器和预热器加热温度、 催化剂床层温度。有必要, 也能够轻轻拉动反应器内的测温热电偶, 测定催化剂床层的温度分布。2、 实验中, 每次完成一个温度下的实验时, 应记录实验前后尾气流量计的体积, 同时称量反应时间内得到的液体产物的重量, 并用气相色谱进行分析。3、 至少分析两次所得液体产物的组成, 并用校正因子校正所得的含量, 对液体进行物料恒算。表1: 原始记录时间min温度/体积/ml预热器反应器乙醇流量/ml/min时间/min体积/ml201002800.52010201003200.52010表2: 粗产品分析结果反应温度/乙醇加入量ml粗产品水乙醇乙醚乙烯含量%质量%含量%质量%含量%质量%含量%质量%280103.33.585.985.58.68.52.42.4320105.45.576.776.213.413.34.34.4数据处理: 根据记录的数据, 计算出原料乙醇的转化率, 产物乙醚收率, 乙醇的选择性。( 取320时的数据计算) 原料中乙醇的量 产物中乙醇的量乙醇的转化率 = 100%原料中乙醇的量=23.8% 2生成乙醚的量( mol) 乙醇的选择性 = 100% ( 乙醚) 反应的乙醇量( mol) =29.2%乙醚的收率 = 乙醇的转化率 乙醇的选择性 =6.95% 2生成乙烯的量( mol) 乙醇的选择性 = 100% ( 乙烯) 反应的乙醇量( mol) =22.0%乙烯的收率 = 乙醇的转化率 乙醇的选择性 =1.4%六、 实验结果讨论讨论原料乙醇的转化率, 产物乙醚收率, 副产物乙烯含率, 乙醇的选择性等参数随反应温度变化的规律, 并作图表示。讨论反应温度变化对反应平衡常数的影响, 反应动力学常数变化的影响, 并作图讨论。3 回归温度和反应平衡常数、 反应速率常数的关系式。七、 问答题 反应转化率的提高和那些因素有关系? 应如何提高反应的选择性? 怎样使反应的平衡向有利于产物乙醚生成的方向发展? 如何使用和改变气相色谱的条件? 怎样确定最适宜的分析条件? 怎样对液体产物进行定性和定量分析? 如何求取校正因子? 怎样对整个反应过程进行物料恒算? 应该注意那些问题? 实验中, 那些简化的处理方法可能造成实验误差? 应怎样进一步改进? 谈谈在实验中得到的一些体会和对实验的建议。实验三 中空纤维超过滤膜分离实验一、 实验目的1. 了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程; 2. 了解膜分离技术的特点; 1. 培养膜分离的实验操作技能。二、 实验原理膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜, 以外界能量或化学位差为推动力, 对双组分或多组分的溶质与溶剂进行分离、 分级、 提纯和富集的方法。膜分离法可用于液相和气相。对于液相分离可用于水溶液体系、 非水溶液体系、 水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系。膜分离包括反渗透、 超过滤、 电渗析、 微孔过滤等。膜分离过程具有无相态变化、 设备简单、 分离效率高、 占地面积小、 操作方便、 能耗少、 适应性强等优点。当前, 在海水淡化、 食品加工工业的浓缩分离、 工业超纯水制备、 工业废水处理待领域的应用越来越多。超过滤是膜分离技术的一个重要分支, 经过实验掌握这项技术具有重要的意义。根据溶解-扩散模型, 膜的选择透过性是由于不同组分在膜中的溶解度和扩散系数不同而造成的。若假设组分在膜中的扩散服从Fick 定律, 则可推出透水速率Fw 及溶质透过速率Fs方程。1.透水速率式中: Fw透水速率, g/cm2s; Dw水在膜中的扩散系数, cm2s; cw水在膜中的浓度, g/cm3; VM水的偏摩尔体积, cm3/mol; p膜两侧的压力差, atm; 膜两侧的渗透压差, atm; R气体常数; T温度, K; 膜的有效厚度, cm。A膜的水渗透系数( ) , g/cm2s atm2.溶质透过速率式中, Ds溶质在膜中的扩散系数, cm2/s; Ks溶质在溶液和膜两相中的分配系数; B溶质渗透系数; c膜两侧的浓度差。有了上述方程, 下面建立中空纤维在定态时的宏观方程。料液在管中流动情况如图所示。取假设条件: （1） 径向混全均匀; （2） A=BXA, 渗透压正比于摩尔分数; （3） NA NB,XA3 1, B组分优先透过; （4） DAM/K, 同XA1或K无关; （5） , 忽略轴向混合扩散。由假设看出, 其实质是一维问题, 只是侧壁有液体流出的情况, 因为关心的是管中组分的浓度分布, 只需做出两个质量衡算方程即可求解。由连续性方程: (无混合扩散)(定态) 和总流率方程: 可推出 ( 1) 式中, h为装填系数, 对于圆管h=R/2, R为管半径。由溶质A的连续性方程可推出 ( 2) 实际工作中更关心的是回收率, , 因此需要将式( 1) 和式( 2) 转化为、 c1的方程。 ( 3) ( 4) 由流率方程可推出c1与 c3的关系, 为式中 ( 5) 式( 3) 、 ( 4) 为非线性方程, 一般只能在特定条件下求得数值解。但当r=0时, 则化为线性微分方程, 可求得解析解。附: 分光光度计工作原理分光光度计的基本原理是溶液中的物质在光的照射激发下, 产生了对光吸收的效应, 物质对光的吸收是具有选择性的, 各种不同的物质都具有各自的吸收光谱, 因此当某色光经过溶液时, 其能量就会被吸收而减弱, 光能量减弱的强度和物质的浓度有一定的比例关系, 也即符合与比色原理比耳定律。 A:测得 K ? C待求? L ? 其中: T 投射比 I0 入射比强度I 透射光强度 A 吸光度K 吸收系数 L 溶液的光经长度C 溶液的浓度由以上公式能够看出, 当入射光/吸收系数和溶液的光经长度不变时, 透射光是根据溶液的浓度而变化的。三、 实验设备、 流程和仪器1主要设备: 中空纤维超滤组件中空纤维超滤器示意图主要参数: 截留分子量, 6000过滤面积, 2m2适宜流量, 400600ml/min2实验流程本实验将料液聚乙烯醇水溶液( PVA) 浓缩, 料液经泵输送经过滤器, 然后从下部进入膜组件。将料液分为: ( 1) 透过液透过膜的稀溶液, 该液由流量计( 什么流量计? ) 计量后入贮罐; ( 2) 浓缩液未透过膜的PVA溶液( 浓度高于料液) 。浓缩液经转子流量计计量后回料液贮槽。流程中, 漏斗为膜组件加保护液( 5%甲醛溶液) 用; 贮罐为放出保护液的接收容器; 过滤器聚丙烯酰胺蜂房式过滤器, 精度为5( ? ) , 作用是拦截料液中的不溶性杂质, 以保护膜不受阻塞。3主要仪器: 722型分光光度计, 用于测定PVA的浓度。四、 实验方法与步骤1.实验方法( 有流量泵、 真空泵? ) 将预先配制的PVA料液在0.04Mpa压力和室温下, 进行不同流量的超过滤实验( 实验点? 由指导教师指定) ; 30分钟时, 取分析样品。取样方法: 从料液贮槽中用移液管取5ml浓缩液入50ml容量瓶中, 与此同时在透过液出口端用100ml烧杯接取透过液50ml, 然后用移液管从烧杯中取10ml放入另一容量瓶中。两容量瓶的样品进行比色测定PVA的浓度。烧杯中剩余透过液和贮罐中透过液全部倾入贮槽( 5ml浓缩液也倒回储槽? ) 中, 混匀。然后进行下一个流量实验。2.操作步骤（1） 722型分光光度计通电预热20分钟以上。（2） 放出超滤组件中的保护液。为防止中空纤维膜被微生物侵蚀而损伤, 不工作期间, 在超滤组件内加入保护液( 自己配置? ) 。在实验前, 须将保护液放净。（3） 清洗超滤组件。为洗去残余的保护液, 用自来水清洗23次, 然后放净清洁液。( 如何清洗? ) （4） 检查实验系统阀门开头状态。使系统各部位的阀门处于正常运转的”开”或”关”状态。( 哪些是开? 哪些是关? ) （5） 将配