连续搅拌釜式和管式反应器液相反应的动力学参数测定.docx

连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定一、 实验目的连续流动搅拌釜式反应器与管式反应器相比较，就生产强度或溶剂效率而论，搅拌釜 式反应器不如管式反应器，但搅拌釜式反应器具有其独特性能，在某些场合下，比如对于 反应速度较慢的液相反应，选用连续流动的搅拌釜式反应器就更为有利，因此，在工业上， 这类反应器有着特殊的效用对于液相反应动力学研究来说，间歇操作的搅拌釜式反应器和连续流动的管式反应器 都不能直接测得反应速度，而连续操作的搅拌釜式反应器却能直接测得反应速度但连续 流动搅拌釜式反应器的性能显著地受液体的流动特性的影响当连续流动搅拌釜式反应器 的流动状况达到全混流时，即为理想流动反应器一一全混流反应器，否则为非理想流动反 应器在全混流反应器中，物料的组成和反应温度不随时间和空间而变化，即浓度和温度 达到无梯度，流出液的组成等于釜内液的组成对于偏离全混流的非理想流动搅拌釜式反 应器，则上述状况不复存在因此，用理想的连续搅拌釜式反应器(全混流反应器)可以 直接测得本征的反应速度，否则，测得的为表观反应速度用连续流动搅拌釜式反应器进行液相反应动力学，通常有三种实验方法：连续输入法、 脉冲输入法和阶跃输入法。

本实验采用连续输入的方法，在定常流动下，实验测定乙酸乙 酯皂化反应的反应速度和反应常数同时，根据实验测得不同温度下的反应速度常数，求 取乙酸乙酯皂化反应的活化能，进而建立反应速度常数与温度关系式(Arrhenius formula) 的具体表达式通过实验练习初步掌握一种液相反应动力学的实验研究方法并进而加深 对连续流动反应器的流动特性和模型的了解;加深对液相反应动力学和反应器原理的理解二、 实验原理1. 反应速度连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程:F -F -Iv(-r )dV = dnA(1)AO A 0 A dt对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为F - F - (-r )V 二 0AO A A或可表达为(-r )二F - F—AO A式中；Fao 一一流入反应器的着眼反应物A的摩尔流率，mo1 • s-1Fa ——流出反应器的着眼反应物A的摩尔流率，mo1 - s —1(—rA ) 以着眼反应物A的消耗速度来表达的反应速度，mo1'm —3 • s —1由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值V ——反应器的有效容积，m —3dnA /dt ——在反应器内着眼反应物A的累积速率，mo1 - s —1。

当操作过程为定常态时，累积速率为零对于恒容过程(恒温下的液相反应通常可视为恒容过程)而言，反应前后体积流率不V V变，即流入反应器的体积流率s.0等于流出反应器的体积流率s若反应物A的起始浓C度为A.0，C则式可改写为反应器出口亦即反应器内的反应物A的浓度为CA，/ 、 C — C C — C(—r )二一Ao A 二一Ao AA V / V TS .0=V / Vv / VS.0即为空间时间对于恒容过程，进出口又无返混时，则空间时间也就是平均停留时间V C C因此，当V和VS.0 一定时，只要实验测得CA.0和CA，即可直接测得在一定温度下的2. 反应速度常数乙酸乙酯皂化反应为双分子反应，其化学计量关系式为CH COOC H + NaOH3 2 5(A) (B)CH COONa + C H OH3 2 5(C) (D)因为该反应为双分子反应，则反应速度与反应物浓度的关系式可表示为(5)(-r ) = kC CA A B本实验中，反应物A和B采用相同的浓度和相同的流率，则上式可简化为(-r )二 kC 2A A将上式线性化后，可得lg(-r ) = 2lg C + lg kA A当反应温度T和反应器有效容积V —定时，可利用改变流率的方法，测得不同的CA下的反应速度（—rA）。

由lg（— rA）对lg CA进行标绘，可得到一条直线可由直线的截距1g k 求取k值或用最小二乘法进行回归求得k值3.活化能如果按照上述方法，测得两种温度（T1和T2）下的反应速度常数k1和k 2，则可按照阿累尼乌斯（Arrhenius）公式计算该反应的活化能E，即i k E(T - T)in 2 = ( 2 1)k R TT1 2 1式中：R为理想气体常数R = &314八mo1 -1 -K-1再由T1、k1 （或T2、kk2）和E可计算地得到指前因子A,从而可建立计算不同温度下的反应速度常数的经验公式，即阿累尼乌斯公式的具体表达式4.质量检测本实验中采用电导法测量反应物A的浓度变化对于乙酸乙酯皂化反应，参与导电的离子有"a'、°H -和CH3C°° -，"a'在反应前后浓度不变，°H -的迁移率远大于CH3CO°-的迁移率随着反应的进行，OH-不断减少，物系的电导值随之不断下降因此，物系的电导值的变化与CH3COOH的浓度变化成正比，而由电导电极测的电导率L与其检测仪输出的电压信号U也呈线性关系，则如下关系式成立:C 二 K (U - U )A f(10)式中：U由电导电极测得在不同转化率下与釜内溶液组成相映的电压信号值;CH3C°°C2H5全部转化为CH3C°°Na时的电压信号;K——比例常数本实验采用等摩尔进料，乙酸乙酯水溶液和氢氧化钠水溶液浓度相同，且两者进料的体积流率相同。

若两者浓度均为 0.01 mo1'1-1则反应过程起始浓度CA.0，应为0.005 m°「1-1因此，应预先精确配制浓度为0.005 m°「1-1的氢氧化钠水溶液和浓度为0.005mo1 -1-1的CH3C°°Na水溶液在预定的反应温度下，分别进行电导测定，测得电压信号分别为U 0和"/，由此可确定上式中的比例常数K的值三、实验装置本实验装置有下列四部分组成：搅拌釜式反应器、原料液输送与计量系统、反应温度 和搅拌转速测量与控制系统和质量检测系统搅拌釜式反应器的内经为100mm，高为120mm，高径比为1.2,有效容积为11搅 拌器为六叶开启平直浆叶涡轮式，由直流电机驱动，并由转速测控仪进行测量和调控反 应器的筒体为透明无机玻璃器内装有起预混合和预热作用的进料管，加热用的内热式电 热管和控制液面的内溢流管器内温度由温度测控仪控制恒定电导池或电导电极插入器 内，外接电导率仪、信号放大器、A/D转换器和计算机电导仪测得的点信号，经反复大 和转换后输入计算机两种反应物分别由贮槽经计量泵和预混合器生成液由溢流管排出，存放于废料桶 该装置的流程如图1所示图1连续流动搅拌釜式反应器测定液相反应动力学参数的实验装置流程Figure 1 Experimental equipment flows for determination of liquid reaction kinetics parameters in CSTR1. 料液A贮槽；2.料液B贮槽；3.计量泵；4.搅拌釜式反应器；5.电导率仪;6.温度与转速控制仪和电导信号放大器；7. A/D转换板与计算机。

四、实验方法 1 •实验前的准备工作新鲜配制0.02 mo1 -1 -1的NaOH和CH3COOC2H5水溶液，分别存放于料液贮槽,并严加密封启动并调整好电导率仪、控温仪、测速仪和计算机的电子仪器，并调好软件的数据采 集程序2. 开启三个储液罐放液阀，灌泵；连接好废液排放管路3•将三通阀调至全混流位置，启动搅拌，启动氢氧化钠泵，在一定流量下对管路及反 应器进行排气，待电导率仪显示有较大波动时，说明溶液已充满4•启动乙酸乙酯泵，调节流量，使得两种物料以等流量向全混流反应器中加入待电 导率仪显示值稳定后，记录该值改变流量重复上述实验步骤，测得一组在不同流量时的 电导率值数据流量调节范围10-50L/h)5•调节三通阀至平推流位置，进行管式反应器实验操作步骤同4,测得不同流量下 管式反应器皂化反应的电导率值6.实验结束工作先关闭加热和恒温系统，后关闭计量泵关闭计算机和电导率仪，再将搅拌转速缓慢地调至零，最后关掉电路总开关打开底阀，将釜内液体排尽，并用蒸馏水将反应器和电导车冲洗干净将电导电极浸 泡在蒸馏水之中，待用五. 实验注意事项(1) 实验中所用的溶液都必须新鲜配制，确保溶液浓度准确同时，配制溶液用水 必须是电导率-10一6S -cm一1的纯水。

NaOH和CH3COOCH5料液贮桶必须严密，进 气口需用合适的吸附剂除去空气中的水分和二氧化碳2) 在浓度标定实验过程中，每次向电导池装新的试验液时，必须将电导池按要求 冲洗干净，不得简化操作步骤和马虎从事3) 对于液相反应动力学实验，必须要保证浓度、温度和流率保持恒定和测量准确， 因此要有足够的稳定时间是不可忽视同时，还必须准确测量反应器的有效容积六、 实验结果1. 记录实验设备和操作基本参数(1) 设备参数 mm ； mm ； mmC' = mol -1-1 ；B.0反应釜的直径：D = 高 度：H =搅拌器型式：直 径：d =(2) 操作参数操作压力：NaOH的料液浓度：CH COOC H 的料液浓度：C' = mol -1-1 :3 2 5 A.0原料液进料比： CH COOC H : NaOH = :3 2 5、 C'反应物起始浓度：C — -— :A.0 2搅拌转速： r = r - min -i2. 记录浓度与电压信号值函数关系的实验数据当 C = C = mol・l-i 时，测得U = mV :A,O B.O 0C = 0, C = C = mol・l-i，测得 U = mV :A, f C, f A,O f计算：C - CK 二一Ao Af = ,U - Uo f最后得到CA与U的函数关系：C 二 K (U - U )二 。

A f3.参考下列表格记录测定反应速度和反应常数的实验数据实验序号反应温度t rc反应体积 V/l总体积流率 V /1 - min-1S .0反应物A的 出口浓度U/'mV(U - U彳 ”mVC /mol ・l -iA，4.参考下列表格整理实验数据实验组号反应温度T/K(1)空间时间 e /min(2)反应速度(一r )/mol・l-i -min-1A(3)反应速度常数 k /1 - mol-i・min-i(4)相关系数R-(5)活化能 E / kJ・mol-1(6)列出上表中各项的计算公式。