試驗(yàn)三積分反應(yīng)器測定一氧化碳變換反應(yīng)速度常數(shù)

1、化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院化學(xué)反應(yīng)工程課程組實(shí)驗(yàn) 1 二氧化碳甲烷化反應(yīng)動力學(xué)的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定催化劑的反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)及確定動力學(xué)方程中各參數(shù)值是化學(xué)動力學(xué)研究的重要內(nèi)容， 也是工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 本實(shí)驗(yàn)通過測定不同溫度下、 不同初始組成的二氧化碳甲烷化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，掌握一種獲得氣固相催化反應(yīng)速度常數(shù)以及吸附平衡常數(shù)的定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理二氧化碳與水蒸汽在鎳催化劑存在下，進(jìn)行如下甲烷化反應(yīng)：CO2 +4H 2 =CH 4 +2H 2OH 2980165.08kJ/mol催化劑以氧化鎳為主要成分，三氧化二鋁為載體， 氧化鎂或三氧化二鉻為促進(jìn)劑，在使用前，需將氧化鎳還原

2、成具有催化活性的金屬鎳。反應(yīng)的動力學(xué)方程為：dN CO21/ 3rCO2kpCO2 pH 2mol CO 2 /(s g cat.)dW1 KCO2pCO2KH 2pH2K H2 O pH 2OdNCO2V0 yCO02 dxdW22.4dWdx22.4kpCO1/32pH 2dW V0 yCO021 KCO2 pCO2K H2 pH2K H 2O pH 2O分離變量并積分得 ：V y0x 1 K CO pCO2K HpH2KHO pHO0CO22222dxWpCO1/32 pH 222.4k0因?yàn)槎趸技淄榛磻?yīng)為變體積的反應(yīng)， 各組分分壓可表示為 （假設(shè)混合氣體在低壓下符合道爾頓分壓定律

3、） ：pCO2pyCO2pyCO02 (1x)(1CO2 yCO02 x)pH 2OpyH2 O2pyCO02 x (1CO2yCO02 x)pH 2pyH 2 p(yH0 24yCO02 x)(1CO2 yCO02 x)以上各式中，k 為反應(yīng)速度常數(shù)；K i (i =CO2, H2O, H2 ) 為各組分的吸附平衡常數(shù)；yCO,yH O ,yH為反應(yīng)物瞬時摩爾分率；yCO0,y H0O,y H0為初始反應(yīng)物摩爾分率；V0 為進(jìn)口222222混合氣體流量， Nm 3/h； W 為催化劑質(zhì)量， g； CO2為該反應(yīng)的化學(xué)膨脹因子，這里為-2。反應(yīng)速度常數(shù)和各組分的吸附平衡常數(shù)分別滿足阿累尼烏斯方

4、程和范特霍夫方程，即：k k0e E / RTK iK i,0 eEai / RT因此，動力學(xué)方程中共有8 個待定參數(shù)。利用積分反應(yīng)器測定不同溫度、不同入口初始組成時二氧化碳的出口轉(zhuǎn)化率x，以 k0 , E , K i , Eai 為變量，轉(zhuǎn)化率x 的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對誤差的平方和為目標(biāo)函數(shù)，用參數(shù)估值的方法可得出各待定參數(shù)k0 , E , K i , Eai 的值。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)流程見圖 1，反應(yīng)管為 20 3 不銹鋼管，內(nèi)徑 14，內(nèi)裝催化劑 0.5g 左右（以實(shí)際稱量值為準(zhǔn)） ，催化劑粒度 0.2 0.3mm ，催化床中部插有熱電偶，并與測溫儀表相連測定反應(yīng)溫度。來自鋼瓶的氮?dú)狻?/p>

5、 氫氣和二氧化碳， 分別經(jīng)減壓閥和過濾器后，用質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)流量。三股氣體經(jīng)過混合器進(jìn)入預(yù)熱器。 經(jīng)過預(yù)熱的混合氣體再進(jìn)入反應(yīng)器中反應(yīng)， 反應(yīng)后的氣體經(jīng)冷卻除去冷凝水后去氣相色譜進(jìn)行分析或放空。圖 1 實(shí)驗(yàn)流程圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動按實(shí)驗(yàn)流程將反應(yīng)管接入體系中，打開氮?dú)狻?氫氣和二氧化碳鋼瓶的總閥門，用減壓閥調(diào)節(jié)出口壓力至0.1MPa。將控制柜各調(diào)節(jié)旋扭回零后，再按下控制柜開關(guān)，檢查各儀表顯示是否正常。2系統(tǒng)試漏將系統(tǒng)用氮?dú)獬鋲?00mm水柱，封閉體系，若十分鐘內(nèi)壓差不變，證明系統(tǒng)不漏氣。否則，應(yīng)仔細(xì)檢查，消除漏點(diǎn)，重新試驗(yàn)，直到合格為止。3催化劑升溫還原準(zhǔn)確稱取催化劑 0.5g（精確到小數(shù)點(diǎn)后

6、三位） ，在教師指導(dǎo)下，將催化劑裝入催化床，然后將反應(yīng)管接入系統(tǒng)。經(jīng)再次試漏后，準(zhǔn)備升溫還原。用質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0 ml/min ，置換系統(tǒng) 2 min ，除去殘余的空氣。在氮?dú)獾拇祾呦拢ㄟ^調(diào)節(jié)溫控儀表將預(yù)熱器和反應(yīng)器在 15 min 升溫至 300 。然后，配入氫氣，使反應(yīng)器溫度在 1 h 升溫至 400，再恒溫 1 h，還原結(jié)束。4不同溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率的測定還原結(jié)束后將反應(yīng)器溫度降至240，調(diào)節(jié)氫氣、二氧化碳和氮?dú)饬髁?，恒?5分鐘后測定二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。改變組成或空速，繼續(xù)測定， 要求每一溫度至少測定四點(diǎn)。在測定過程中，反應(yīng)器溫度必須恒定，溫度波動不大于0.5，各氣體流量

7、必須穩(wěn)定不變。同時要選擇合適的空速或組成，使所測各點(diǎn)變換率在30 70%之間。將爐溫升高 20左右，重復(fù)上述過程。要求至少測定四個溫度下的數(shù)據(jù)。并按表1 記錄格式詳細(xì)記錄所需數(shù)據(jù)。表 1數(shù)據(jù)記錄表室溫反應(yīng)床溫度CO2 流量H2流量N2流量反應(yīng)后 CO2實(shí)驗(yàn)號/ /NmLmin-1/NmLmin-1/NmLmin-1干基摩爾分率/ 123（ 1）原料氣中各組分摩爾分率的計(jì)算0Vi 0(i =H2, N2, CO2)yiVi0式中： Vi0為各氣體體積流量 (mL/min) 。（ 2）計(jì)算二氧化碳轉(zhuǎn)化率xyCO02yCO2100%yCO02 ( 1 4 yCO2)式中： y0為反應(yīng)原料氣中CO2

8、的摩爾分率，yCO為反應(yīng)器出口體中的CO2 的干基摩CO22爾分率。將以上計(jì)算結(jié)果記錄于表2 中用于模型參數(shù)的估值。表 2數(shù)據(jù)處理表反應(yīng)床溫度CO2 摩爾分H2 摩爾分率反應(yīng)后 CO2 轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)號/ 率N2 摩爾分率率1235編出模型參數(shù)估值的源程序，并在計(jì)算機(jī)上計(jì)算出不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)和吸附平衡常數(shù)。實(shí)驗(yàn) 2 多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時間分布的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過實(shí)驗(yàn)了解停留時間分布測定的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。2. 掌握停留時間分布的統(tǒng)計(jì)特征值的計(jì)算方法。3. 學(xué)會用理想反應(yīng)器的串聯(lián)模型來描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流動特性。二、實(shí)驗(yàn)原理停留時間分布測定所采用的方法主要是示蹤響應(yīng)法。它的基本思路是：在

9、反應(yīng)器入口以一定的方式加入示蹤劑，然后通過測量反應(yīng)器出口處示蹤劑濃度的變化，間接地描述反應(yīng)器內(nèi)流體的停留時間。常用的示蹤劑加入方式有脈沖輸入、階躍輸入和周期輸入等。本實(shí)驗(yàn)選用的是脈沖輸入法。脈沖輸入法是在極短的時間內(nèi)，將示蹤劑從系統(tǒng)的入口處注入注流體，在不影響主流體原有流動特性的情況下隨之進(jìn)入反應(yīng)器。與此同時，在反應(yīng)器出口檢測示蹤劑濃度c(t)隨時間的變化。整個過程可以用圖2 形象地描述。圖 2 脈沖法測定停留時間分布示意圖由概率論知識可知，概率分布密度函數(shù)E(t) 就是系統(tǒng)的停留時間分布密度函數(shù)。因此，E（ t） dt 就代表了流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間介于t 到 t+dt 之間的概率。在反

10、應(yīng)器出口處測得的示蹤劑濃度c(t) 與時間 t 的關(guān)系曲線叫響應(yīng)曲線。由響應(yīng)曲線就可以計(jì)算出 E（ t）與時間 t 的關(guān)系，并繪出 E（ t） t 關(guān)系曲線。計(jì)算方法是對反應(yīng)器作示蹤劑的物料衡算，即Qc(t)dt=mE(t)dt（ 1）式中 Q 表示主流體的流量，m 為示蹤劑的加入量。示蹤劑的加入量可以用下式計(jì)算m=Qc(t)dt（ 2）0在 Q 值不變的情況下，由（1）式和（ 2）式求出：E（1）c(t )（ 3）c(t )dt0關(guān)于停留時間分布的另一個統(tǒng)計(jì)函數(shù)是停留時間分布函數(shù)F(t),即F（t）E(t)dt（ 4）0用停留時間分布密度函數(shù)E（ t）和停留時間分布函數(shù)F（ t）來描述系統(tǒng)的

11、停留時間，給出了很好的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。但是為了比較不同停留時間分布之間的差異，還需要引入另外兩個統(tǒng)計(jì)特征值，即數(shù)學(xué)期望和方差。數(shù)學(xué)期望對停留時間分布而言就是平均停留時間t ,即ttE (t )dttE (t )dt（ 5）0E (t )dt00方差是和理想反應(yīng)器模型關(guān)系密切的參數(shù)。它的定義是：20 t2E(t )dt t2t（ 6）20 ；而對全混流反應(yīng)器2t2對活塞流反應(yīng)器tt；對介于上述兩種理想反應(yīng)器之間的非理想反應(yīng)器可以用多釜串聯(lián)模型描述。多釜串聯(lián)模型中的模型參數(shù)N 可以由實(shí)驗(yàn)數(shù)2據(jù)處理得到的t 來計(jì)算。N t2（ 7）23當(dāng) N 為整數(shù)時，代表該非理想流動反應(yīng)器可以用N 個等體積的全混流

12、反應(yīng)器的串聯(lián)來建立模型。當(dāng)N 為非整數(shù)時，可以用四舍五入的方法近似處理，也可以用不等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)模型。三、流程示意圖圖 3 多釜串聯(lián)實(shí)驗(yàn)流程圖1-水箱 ;2-水泵 ;3-轉(zhuǎn)子流量計(jì) ;4- 電磁閥 ;5-KCL 罐 ;6,7,8,9,10,.11-截止閥 ;12-攪拌電機(jī) ;13-電導(dǎo)電極 ;14-溢流口 ;15-管式反應(yīng)器 ;16-釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器1.5L ，直徑110mm ，高120mm ，有機(jī)玻璃制成，3 個。釜式反應(yīng)器直徑160mm，高 120mm ，有機(jī)玻璃制成，1 個。攪拌馬達(dá)25W，轉(zhuǎn)數(shù) 90 1400 轉(zhuǎn) /分，無級變速調(diào)節(jié)，液體 (水 )流量 0-100 升 /

13、時。電磁閥控制示蹤劑進(jìn)入量5-10 毫升 /次。四、操作步驟1. 準(zhǔn)備工作(1)將飽和 KCL 液體注入標(biāo)有KCL 的儲瓶內(nèi)。(2)連接好入水管線，打開自來水閥門，使管路充滿水。(3)檢查電極導(dǎo)線連接是否正確。2. 操作(1) 打開總電源開關(guān)，開啟入水閥門，向水槽內(nèi)注水，啟動水泵，慢慢打開進(jìn)水轉(zhuǎn)子流量計(jì)的閥門 (注意 !初次通水必須排凈管路中的所有氣泡，特別是死角處 ) 。調(diào)節(jié)水流量維持在20-30 升 /時之間某值，直至各釜充滿水，并能正常地從最后一級流出。(2)分別開啟釜 1、釜 2、釜 3、釜 4 攪拌馬達(dá)開關(guān)，后再調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的旋鈕，使四釜攪拌程度在 200 轉(zhuǎn) -250 轉(zhuǎn)。開啟電磁

14、閥開關(guān)和電導(dǎo)儀總開關(guān)，按電導(dǎo)率儀使用說明書分別調(diào)節(jié)“調(diào)零” 、調(diào)溫度和電極常數(shù)等。調(diào)整完畢，備用。 ( 電導(dǎo)儀的使用方法見該儀器使用說明書 )(3)開啟計(jì)算機(jī)電源，按計(jì)算機(jī)提示要求操作。(4)按下“趨勢圖”按鈕，調(diào)節(jié)“實(shí)驗(yàn)周期” 、“閥開時間” ，使顯示值為實(shí)驗(yàn)所需值 (推薦實(shí)驗(yàn)周期 25-30 分鐘，閥開時間 1 3 秒，按下開始按鈕，開始采集數(shù)據(jù)。(5)待測試結(jié)束，按下“結(jié)束”按鈕后，按下“保存數(shù)據(jù)”按鈕保存數(shù)據(jù)文件。3. 停車(1)實(shí)驗(yàn)完畢，將實(shí)驗(yàn)柜上三通閥轉(zhuǎn)至“H20 ”位置，將程序中“閥開時間”調(diào)到20 秒左右，按“開始”按鈕，沖洗電磁閥及管路。反復(fù)三、四次。(2)關(guān)閉各水閥門。電源

15、開關(guān)，打開釜底排水閥，將水排空。(3)退出實(shí)驗(yàn)程序，關(guān)閉計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn) 3 反應(yīng)精餾法制醋酸乙酯一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握反應(yīng)精餾的原理及特點(diǎn)。2. 掌握反應(yīng)精餾的操作。3. 學(xué)會塔操作過程分析。4. 掌握用氣相色譜分析有機(jī)混合物料組成。二、實(shí)驗(yàn)原理精餾是化工生產(chǎn)過程中重要的單元操作，是化工生產(chǎn)中不可缺少的手段，反應(yīng)精餾是精餾技術(shù)中的一個特殊領(lǐng)域。 在操作過程中， 化學(xué)反應(yīng)與分離同時進(jìn)行，故能顯著提高總體轉(zhuǎn)化率。此法在酯化、 醚化、酯交換、 水解等化工生產(chǎn)中得到應(yīng)用，而且越來越顯示其優(yōu)越性。反應(yīng)精餾過程不同于一般精餾，它既有精餾的物理相變之傳遞現(xiàn)象，又有物質(zhì)變性的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。兩者同時存在，相互影響

16、，使過程更加復(fù)雜。因此，反應(yīng)精餾對下列兩種情況特別適用：（ 1）可逆反應(yīng)。一般情況下，反應(yīng)受平衡影響，轉(zhuǎn)化率只能維持在平衡轉(zhuǎn)化的水平；但是， 若生成物中有低沸點(diǎn)或高沸點(diǎn)物存在，則精餾過程可使其連續(xù)地從系統(tǒng)中排出，結(jié)果超過平衡轉(zhuǎn)化率，大大提了效率。（ 2）異構(gòu)體混合物分離。通常它們的沸點(diǎn)接近，靠精餾方法不易分離提純， 若異構(gòu)體混合中某組分能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并能生成沸點(diǎn)不同的物質(zhì)，這時可在反應(yīng)過程中得以分離。對醇酸酯化反應(yīng)來說， 適于第一種情況。 但該反應(yīng)若無催化劑存在， 單獨(dú)采用反應(yīng)精餾操作也達(dá)不到高效分離的目的。這是因?yàn)榉磻?yīng)速度非常緩慢， 故一般都用催化反應(yīng)方式，酸是有效的催化劑，常用硫酸。反應(yīng)隨

17、濃度增高而加快，濃度在0.21.0%（ wt ）。此外，還可用離子交換樹脂、重金屬鹽類和絲光沸石分子篩等固體催化劑。反應(yīng)精餾的催化劑用硫酸，是由于其催化作用不受塔溫度限制，在全塔內(nèi)都能進(jìn)行催化反應(yīng)，而應(yīng)用固體催化劑則由于存在一個最適宜的溫度，精餾塔本身難以達(dá)到此條件，故很難實(shí)現(xiàn)最佳化操作。本實(shí)驗(yàn)是以醋酸和乙醇為原料、在酸催化劑作用下生成醋酸乙酯的可逆反應(yīng)。反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH 3 COOHC2H5 OHH 2SO4CH3CO O 2CH5 H2O實(shí)驗(yàn)的進(jìn)料有兩種方式： 一是直接從塔釜進(jìn)料； 另一種是在塔的某處進(jìn)料。 前者有間歇和連續(xù)式操作； 后者只有連續(xù)式。 本實(shí)驗(yàn)用后一種方式進(jìn)料， 即在

18、塔上部某處加帶有酸催化劑的醋酸， 塔下部某處加乙醇。 塔釜呈沸騰狀態(tài)時，塔內(nèi)輕組分逐漸向上移動，重組分向下移動， 具體地說，醋酸從上段向下段移動，與向塔上段移動的乙醇接觸，在不同填料高度上均發(fā)生反應(yīng)，生成酯和水。塔內(nèi)此時有4 組元。由于醋酸在氣相中有締合作用，除醋酸外，其他三個組分形成三元或二元共沸物。水 酯，水 醇共沸物沸點(diǎn)較低，醇和酯能不斷的從塔頂排出。 若控制反應(yīng)原料比例，可使某組分全部轉(zhuǎn)化。因此，可認(rèn)為反應(yīng)精餾的分離塔也是反應(yīng)器。全過程可用物料衡算和熱量衡算式及反應(yīng)速率方程描述。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。圖 4 反應(yīng)精餾實(shí)驗(yàn)示意圖反應(yīng)精餾塔用玻璃制成，直徑20mm,塔高 150

19、0mm ，塔內(nèi)填裝 3 3mm 不銹鋼 網(wǎng)環(huán)型填料（ 316L ）。塔釜為四口燒杯，容積 500ml ，塔外壁鍍有金屬膜，通電流使塔身加熱保溫。塔釜置于 500W 電熱包中。采用 XCT 191， ZK 50 可控硅電壓控制器控制釜溫。塔頂冷凝液體的回流采用擺動式回流比控制器操作。此控制系統(tǒng)由塔頭上擺錘、電磁鐵線圈、回流比計(jì)數(shù)撥碼電子儀表組成。四、實(shí)驗(yàn)步驟（ 1）開塔頂冷卻水。（ 2）向釜內(nèi)填加 200ml 已知組成的釜?dú)堃骸＃?3）開始升溫。升溫時，先開啟總電源開關(guān)，開啟測溫開關(guān)，溫度顯示儀表有數(shù)值出現(xiàn)，開啟釜熱控溫開關(guān)， 儀表有顯示。 順時針方向調(diào)節(jié)電流給定旋鈕， 使電流表讀數(shù)為 0.5A

20、 ，調(diào)節(jié)釜熱溫度控制儀到 150。當(dāng)釜開始沸騰時，打開上下段保溫電源，順時針方向調(diào)節(jié)保溫電流給定旋鈕，使電流維持在0.2A 。升溫后觀察塔釜和塔頂溫度變化，直至塔頂有蒸汽并有回流液體出現(xiàn)。（ 4） 15 分鐘全回流后，分析塔頂組成。（ 5）從塔的上部側(cè)口以 40ml/h 的速度加入已配制好的含 0.3% 硫酸的冰醋酸原料。（ 6）從塔的下部側(cè)口以 40ml/h 的速度加入無水乙醇原料。（ 7）塔頂以回流比為 4:1 維持出料，塔釜同時出料。有回流比操作時，應(yīng)開啟回流比控制器給定比例 （通電時間與停電時間的比值， 通常使以秒計(jì)， 此比例即采出量與回流量之比。（ 8）測量進(jìn)料量與出料量，調(diào)節(jié)出料量

21、使其維持物料平衡。（ 9）隔 15 分鐘從塔頂取樣分析一次。（ 10）塔頂、塔釜溫度，及塔頂濃度均穩(wěn)定，維持30 分鐘后取樣分析塔頂及塔釜出料的流量和組成，以及入料量。（ 11）改變回流比，重復(fù)以上操作。（ 12）根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算醋酸的轉(zhuǎn)化率和乙酸乙酯收率。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告?？筛鶕?jù)下式計(jì)算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和收率。轉(zhuǎn)化率 = （醋酸加料量）-（塔頂餾出物醋酸量+塔釜液醋酸量）/ 醋酸加料量收率 =（塔頂餾出物乙酸乙酯量+塔釜液乙酸乙酯量）/理論生成乙酸乙酯量六、注意事項(xiàng)（ 1）必須先通冷卻水，以防止塔頭炸裂（ 2）不要隨意動操作面板上的按扭

22、。（ 3）上下段保溫電流不能過大，維持在0.2-0.3A 之處。過大會使加熱膜受到損壞。實(shí)驗(yàn)四流化床基本特性的測定流化床是利用氣體或液體通過顆粒狀固體床層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動狀態(tài)，并使固體顆粒具有某些流體特征的一種床型。它是流態(tài)現(xiàn)象的具體應(yīng)用，已在化工、煉油、動力、冶金、能源、輕工、環(huán)保、核工業(yè)中得到廣泛使用。例如煤的燃燒和轉(zhuǎn)化、金屬的提取、廢物焚燒等。 化工領(lǐng)域中， 加氫、 丙烯氨氧化、 費(fèi)托合成以及石油的催化裂化等均采用了該技術(shù)。因此，它是極為重要的一種操作過程。采用流化床的操作技術(shù)有著物料連續(xù)、溫度均勻、 結(jié)構(gòu)緊湊、 氣固傳質(zhì)速度快和傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但操作中會造成固體摩損、床層粒子

23、返混嚴(yán)重、反應(yīng)中轉(zhuǎn)化率不高等現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)是在鼓泡床內(nèi)進(jìn)行流態(tài)化的基本特性測定。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解流化床的基本特性，掌握流化床的操作方法。2.學(xué)會用光導(dǎo)纖維測定技術(shù)測量流化床的顆粒密度。3.了解流化床顆粒特性、流體特性及流化速度與壓降關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理將固體顆粒堆放在多孔的分布板上形成一個床層，當(dāng)流體自下而上地流過顆粒物料層時，在低流速范圍內(nèi)，床層的壓降隨流速的增加而增加，當(dāng)流速不超過某值時，流體只能從顆粒間隙中通過，粒子仍然相互接觸并處于靜止?fàn)顟B(tài)，屬于固定床范圍。當(dāng)流體流速增大至某值后床層內(nèi)粒子開始松動，流速再增加則床層膨脹，空隙率增大， 粒子懸浮而不再相互支撐并且處于運(yùn)動狀態(tài)，此時容器內(nèi)床

24、層有明顯的界面。床內(nèi)壓降在開始流化后隨流速增加而減小， 此后再加大流速時壓降也基本上不改變。當(dāng)流體速度增大至粒子能自由沉降時，粒子就會被帶出， 流速越大帶走的越多， 流速提高到一定數(shù)值則會將床內(nèi)所有粒子帶走形成空床，相應(yīng)的流速為終端速度。其關(guān)系如圖九所示。500300固定床pmax流化床2000夾帶開始mf100123510203050空床流速圖九均勻砂粒的壓降與氣速的關(guān)系圖中 umf 是臨界流化速度，空床線速超過該值后才能開始流化，亦稱最小流化速度。在臨界流化時，床層所受氣體向上的曳力與重力相等。即p AtW(1)以 Lmf 表示起始流化時的床高，mf表示床層空隙率，則（）式可寫成：p At

25、( AtLmf )( 1mf )( sg )( 2 )p)( sg )( 3 )( 1mfLmf對于不同尺寸的顆粒，臨界流化速度由下式算出：d p2sgumf1650d psgumf24.5ggRep20( 4 )gRep1000( 5 )在流化床操作的上限，氣速近似于顆粒的速度，其值由流體力學(xué)估算：14 gdpsg2ut( 6 )3gcd1對于球形顆粒， cd24 / Rep ,Re p0.4,cd20.4 Rep 500代入 (5) 式得p10/ Re,214 sg 22gd p0.4Rep500 (7)ut225 gg sg d p2utRep 0.4 (8)18ut / umf 之值與

26、氣固特性有關(guān)，一般在 10:1 和 90:1 之間， 它是操作能否機(jī)動靈活的一項(xiàng)指標(biāo)。光導(dǎo)探針是由多股光導(dǎo)纖維整齊排列而成的傳感器，尾端把光導(dǎo)纖維按奇偶分為兩束，分別輸入和接受反射光信號。無固體粒子存在時，反射光信號微弱，并定為零。光線照射到固體粒子上時， 反射光經(jīng)光電變換為電信號并由積分儀積分。 在一定時間內(nèi)的積分值反映了測量點(diǎn)的床層密度相對值。三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程實(shí)驗(yàn)裝置和流程見圖十。主要由流化床、空壓機(jī)、穩(wěn)壓系統(tǒng)和光導(dǎo)纖維探針等測定系統(tǒng)和進(jìn)料系統(tǒng)組成。固體物料為銅粉，其主要參數(shù)為：dp=0.215mm ， =5.33g/cm 3， 堆mf =5.05g/cm183， umf=0.15m/s

27、。12111614815917137排空10645321出料圖十流化床實(shí)驗(yàn)流程圖1、空壓機(jī)；2、穩(wěn)壓罐；3、減壓閥；4、壓力表；5、調(diào)節(jié)閥；6、轉(zhuǎn)子流量計(jì)；7、截止閥；8、壓力計(jì)；9、流化床；10、過濾器；11、進(jìn)料絞龍； 12、料罐；13、出料絞龍；14、光導(dǎo)探針；15、光電源；16、定時數(shù)字積分儀；17、 SC16 光線示波器；18、穩(wěn)壓電源四、實(shí)驗(yàn)步驟1.檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將壓差計(jì)與床層連接閥斷開。2.打開壓差計(jì)床層連接閥和供氣減壓閥，使空氣緩慢流入床層。注意觀察床層從固定床流化床流體輸送階段的變化。3.當(dāng)流速穩(wěn)定在某一值u0 時，用光導(dǎo)纖維測定床層內(nèi)某點(diǎn)的密度。儀器使用見本書附錄十二。4.

28、將氣體流速從大到小再按步驟2 做一遍。觀察床層的變化，記錄u0 與對應(yīng)的床層壓降 p。五、數(shù)據(jù)處理1.以 lgu 為橫坐標(biāo)，以lg p 為縱坐標(biāo)，作圖得到lgu lg p 曲線，由曲線求出臨界流化速度 umf。2.將測得點(diǎn)密度積分值按(9) 式算出點(diǎn)密度。= mfN/N mf (9)六、符號說明 p床層壓降， KPa/m W 固體粒子質(zhì)量 ,KgA t床層截面積 ,m2 g氣體密度 , kg/m 3 s固體粒子密度 ,kg/m 3L mf 臨界流化床高度 ,m 床層空隙率N操作條件下點(diǎn)密度相對值N mf起始流化條件下點(diǎn)密度相對值 mf臨界流化床層空隙率dp顆粒直徑 ,mumf 床層臨界流化速度

29、,m/sut床層帶出速度,m/s參考文獻(xiàn)1 李紹芬 .反應(yīng)工程 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 19902 盧天雄 .流化床反應(yīng)器 .北京：化學(xué)工業(yè)出版出版 1986實(shí)驗(yàn)五多孔催化劑內(nèi)氣體擴(kuò)散系數(shù)的測定在氣固催化反應(yīng)系統(tǒng)中， 有效擴(kuò)散系數(shù)反映氣體通過催化劑孔道的能力， 由于內(nèi)擴(kuò)散不僅直接影響其故催化反應(yīng)的速度和選擇性，而且還對催化劑中毒與再生有重要影響，此外，內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)還是建立氣固催化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的重要參數(shù)。 通過對催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散的研究可為制備和改善催化劑結(jié)構(gòu)等提供依據(jù)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 在常溫常壓下，測定 H 2，N2 在多孔催化劑微孔中的氣體擴(kuò)散系數(shù)D N2 -H2 ，D H2- N2

30、。(2) 了解擴(kuò)散系數(shù)測定方法的選擇依據(jù)，學(xué)習(xí)和掌握非穩(wěn)態(tài)法測定擴(kuò)散系數(shù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理測定催化劑微孔內(nèi)氣體擴(kuò)散系數(shù)由定常態(tài)和非定常態(tài)法兩種方法。兩者測定的基本形式是將單顆粒柱型催化劑置于圖所示的擴(kuò)散元件中，催化劑與擴(kuò)散元件接觸面用密封材料緊密固定，上、下室與外界密封，不能漏氣。定常態(tài)法測定原理是：在擴(kuò)散元的上下室通入不同的氣體 A 和，保持催化劑兩端壓力相等。由于物質(zhì)在多孔催化劑中的傳遞屬于分子擴(kuò)散和努森（ Knudsen）擴(kuò)散，按費(fèi)克 (Fick) 定律，其擴(kuò)散通量：N A( DeA p / RTL)(YALYAO )由物料衡算可得NAVB pYAL / FRT結(jié)合式 (1)與式 (2

31、)可得擴(kuò)散系數(shù)DeA LVBYAL / F (YAO YAL )只要測出擴(kuò)散組分A 再下室的摩爾分率Y AL 和通過下室的氣體體積流量V B，就可計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù) D eA。非定常態(tài)法測定原理是：在擴(kuò)散元的上、下室通入同一種氣體B ，某時刻 t，自上室脈沖加入氣體 A ，同時檢測上、下室出口處氣體A 的濃度。依據(jù)擴(kuò)散機(jī)理，對不吸附的氣體A ，通過催化劑單顆粒的擴(kuò)散方程是：cA (x,t )2 cA (x, t)pD eA Btx2初始條件： t=0cA =0,0xL邊界條件： x=0cAM(t)xL, FDeA B (cA ( x, t) )x LV2 cALVB cALtt對方程（ 4）可以在

32、拉普拉斯定義域內(nèi)解出，其通解：cA (x, p) B1e p p / DeA B xB2ep p/ DeA B x其中：B1cA( L , p) (V2 p VB ) FD eA B Mp p/ DeA B ep p /DeA B LMp p / DeA B x ( ep p /DeA B Lp p/ DeA B L )FDeA BeB2cA ( L , p ) (V2 p VB ) FDeA B Mp p /DeA B ep p/ DeA B LFD eA Bp p/ DeA B x (ep p/ DeA BLep p /DeA B L )式（ 5）中 p 為引進(jìn)的拉氏變量。如果要獲得（4）

33、式的解，必須對式（5）進(jìn)行演算。式（ 5）中 cA (x, p) 與 p 是一個非常復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，雖然該方程演算極其困難，但存在如下關(guān)系：mntnj ( )d( 1)n d n cA (L, p)np 00dpm1L2p3( F / L) DeA BVB m06DeA B ( F / L) DeA BVB 實(shí)驗(yàn)測得的響應(yīng)峰曲線的一次絕對矩為：10tj ( )d/j ( )d0 1 包括系統(tǒng)的整個時間，而 (7)式定義在催化劑 0-L 處的時間。需要扣去系統(tǒng)死時間和脈沖加入時間 0/2(用熱導(dǎo)池檢測 )。即：10/2由 (7)式和 (9) 式可求得擴(kuò)散系數(shù)D eA-B 。三、預(yù)習(xí)與思考(1)

34、測定催化劑微孔內(nèi)氣體擴(kuò)散系數(shù)的定常態(tài)法和非定常態(tài)法各有什么特點(diǎn)？非定常態(tài)法是一種間接測定孔內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)的方法，以引入誤差，如何克服誤差？(2) 內(nèi)擴(kuò)散對反應(yīng)速率及選擇性有什么影響，試舉例分析討論。(3) 測定孔內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)對制備和改善催化劑孔結(jié)構(gòu)有什么作用？四、實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖2-18 所示。擴(kuò)散原中裝入催化劑，用膠質(zhì)管緊密固定。在氣自鋼瓶出來，由下室針型法進(jìn)入熱導(dǎo)池參考臂，再如擴(kuò)散元下室，又回到熱導(dǎo)池測量臂，計(jì)量后放空。 另一路在氣由上室針型閥經(jīng)六通閥進(jìn)入擴(kuò)散元上室，計(jì)量后放空， 示蹤劑經(jīng)六通閥脈沖進(jìn)入系統(tǒng)中，由熱導(dǎo)池檢測出口處(下室 )示蹤劑濃度。用記錄儀記錄測定結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 開載氣鋼瓶總閥，緩緩調(diào)節(jié)減壓閥至 0.1-0.15MPa 。細(xì)心調(diào)節(jié)針型閥，并調(diào)節(jié)到預(yù)定的流量 (由轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀