实验二连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定

实验二榄香烯乳状注射液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——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：

（1）对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为

（2）或可表达为

（3）

式中；——流入反应器的着眼反应物A的摩尔流率，；

——流出反应器的着眼反应物A 的摩尔流率，；

——以着眼反应物A的消耗速度来表达的反应速度，；由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值。

——反应器的有效容积，；

——在反应器内着眼反应物A的累积速率，。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变，即流入反应器的体积流率等于流出反应器的体积流率。若反应物A的起始浓度为，反应器出口亦即反应器内的反应物A的浓度为，则式可改写为

（4）上路床

式中即为空间时间。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。

因此，当和一定时，只要实验测得和，即可直接测得在一定温度下的反应速度。

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

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

防眩通路灯（5）

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

（6）

将上式线性化后，可得

（7）

当反应温度和反应器有效容积一定时，可利用改变流率的方法，测得不同的下的反应速度。由对进行标绘，可得到一条直线。可由直线的截距求取值。或用最小二乘法进行回归求得氨分解制氢值。

3．活化能

如果按照上述方法，测得两种温度和下的反应速度常数和，则可按照阿累尼乌斯（Arrhenius）公式计算该反应的活化能，即

（9）

式中：为理想气体常数。。

再由、（或、）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、和，在反应前后浓度不变，的迁移率远大于的迁移率。随着反应的进行，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的浓度变化成正比，而由电导电极测的电导率与其检测仪输出的电压信号也呈线性关系，则如下关系式成立：

（10）

式中： —— 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；

——全部转化为时的电压信号；

——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则反应过程起始浓度，应为0.005。因此，应预先精确配制浓度为0.005 的氢氧化钠水溶液和浓度为0.005的水溶液。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和，由此可确定上式中的比例常数的值。

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100，高为120，高径比为1.2，有效容积为1。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。干果礼品盒

太阳能安全帽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 CSTR