实验一 多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定

实验一多釜串联连续流动反应器中停留时间分布得测定一、实验目得

本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布得测定,将数据计算结果用多釜串联模型来描述返混程度,从而认识限制返混得措施。

1、掌握停留时间分布得测定方法；

２、了解停留时间分布与多釜串联模型得关系;

3、掌握多釜串联模型参数N得物理意义及计算方法。

二、实验原理

在连续流动得反应器内,不同停留时间得物料之间得混与称为返混。返混程度得大小,一般很难直接测定,通常就是利用物料停留时间分布得测定来研究。然而在测定不同状态得反应器内停留时间分布时,可以发现,相同得停留时间分布可以有不同得返混情况,即返混与停留时间分布不存在一一对应得关系,因此不能用停留时间分布得实验测定数据直接表示返混程度，而必须借助于反应器数学模型来间接表达。

物料在反应器内得停留时间完全就是一个随机过程,须用概率分布方法来定量描述。所用得概率分布函数为停留时间分布密度函数Ｅ(ｔ)与停留时间分布函数F(t)。

停留时间分布密度函数E(t）得物理意义就是：同时进入得N个流体粒子中,停留时间介于t到t+ｄｔ间得流体粒子所占得分率dN/Ｎ为E(t）dt。

停留时间分布函数Ｆ(t)得物理意义就是:流过系统得物料中停留时间小于t得物料所占得分率。

停留时间分布得测定方法有脉冲输入法、阶跃输入法等,常用得就是脉冲输入法。当系统达到稳定后,在系统得入口处瞬间注入一定量Q得示踪物料,同时开始在出口流体中检测示踪物料得浓度变化。

由停留时间分布密度函数得物理含义，可知:

Ｅ（t)ｄｔ＝VC（t)/Q（1)

(2)

所以?? (３)

由此可见Ｅ(ｔ)与示踪剂浓度C（t)成正比。

本实验中用水作为连续流动得物料,以饱与KCl作示踪剂,在反应器出口处检测溶液得电导值。在一定范围内,KＣl浓度与电导值成正比,则可用电导值来表达物料得停留时间变化关系,即E（t）∝L（t),这里Ｌ(ｔ)＝Lｔ－Ｌ∞,L t为ｔ时刻得电导值,L∞为无示踪剂时电导值。

停留时间分布密度函数E（t)在概率论中有二个特征值——平均停留时间(数学期望)与方差σt2。

得表达式为：

(4)

采用离散形式表达,并取相同时间间隔Δt,则:

?（５)

σt2得表达式为:

(6)

也可采用离散形式表达,并取相同Δt,则:

(７）

若用无因次对比时间θ来表示,即:,

无因次方差:。

在测定了一个系统得停留时间分布后,如何来评价其返混程度,则需要用反应器模型来描述,这里我们采用多釜串联模型。

所谓多釜串联模型就是将一个实际反应器中得返混情况作为与若干个全混釜串联时得返混程度等效。这里得若干个全混釜个数Ｎ就是虚拟值,并不代表反应器个数，N 称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同,则可以推导得到多釜串联反应器得停留时间分布函数关系,并得到无因次方差σθ２与模型参数N存在关系为：

(8）

当N＝1,σθ2＝1，为全混釜特征;

当N→∞,σθ2→0,为平推流特征;

这里N就是模型参数,就是个虚拟釜数,并不限于整数。

三、实验装置与流程

1、本实验装置主要由:水槽、水泵、釜式反应器、管式反应器、流量计、电导率仪、搅拌电机、开关、指示灯、电脑程序控制、柜体、阀门及管道等组成。

2、水槽供测停留时间时间所需得水源,由水泵输送到反应器。

３、反应釜由有机玻璃制成,三釜以串联形式存在,在反应釜管道上有３个出口,分别为进液口、试踪剂入口、电导探头插口。3个搅拌釜得内径均为１00ｍｍ,高度均为12０mm,高径比为1、2。主流流体（水)自循环水槽得出口,经调节阀与流量计,由第1釜顶部加入，再由器底排出后进入第2釜，如此逐级下流,最后由第３釜釜底排出,经电导池后排入下水道。

４、管式反应器在其上部有一电导率插入口,下部则由泵直接将水打入并开有一示踪剂入口,用于测定管式反应得停留时间。

5、流量计测定进料量得大小。采用LＺB-6(4~40）L／h液体流量计,因其本身带流量控制阀,故流量调节阀在流量计上。

6、电导率仪采用上海大普仪器厂生产得电导率仪，可以通过它来测定出口示踪剂得含量,并带有232通讯插口可与电脑连接,在线测定、显示出口示踪剂得含

量。

7、搅拌电机其操作板置于控制柜上，速度调节与显示均在操作板上进行。

８、开关、指示灯按下开关旋钮,指示灯亮,相应得工作开始;顺旋钮上得箭头方向旋转旋钮则为关。当遇紧急情况需立刻停车,可直接断电,断电后仍须单独关掉各开关,应尽量避免出现这种情况。

9、电脑程序控制有相应得电脑控制界面,并可以对数据进行保留,可以按提示查出从实验开始到结束间任一时间得数据。

10、柜体在控制柜上可以操作整个实验,并可以观察实验进行得全过程。

四、实验操作步骤

１、打开高位槽(1) 得上水阀,当高位槽出现溢流后打开各分阀及流量计(2)上得阀门,将流量调为２０L/h ,并使流量稳定;

2、打开搅拌器电源,慢速启动电机，将转速调至所需稳定值；

3、接通３台 DDS-11A型电导率仪电源，并检查电极就是否正常。

4、检查数模转换器联线,接通电源。若转换器显示值偏离零点较大,调节电导率仪得调零旋钮。

5、启动计算机,在ＷindowｓＸP 桌面上双击图标启动本采集软件。系统在采集前，先进行“系统整定”,正常后单击“测定操作”进入“实验记录”子窗体。

6、用针筒在反应器得入口快速注入3mＬ1、７mｏｌ／Ｌ得氯化钾溶液，同时单击“实验记录”子窗体上得“启动”按钮或按下功能键“Ｆ５”,此时由计算机实时采集数据。

7、待反应器浓度不再变化后，单击“停止”按钮或按下功能键“F9”以结束采集。此时可由“视图”菜单选择显示分布函数与密度函数曲线。按“保存”图标保存实验报告;单击“报告”按钮可浏览实验结果。

五、实验数据处理

根据实验结果,可以得到单釜与三釜得停留时间分布曲线，这里得物理量——电导值L对应示踪剂浓度得变化;走纸得长度方向对应测定得时间,可以由记录仪走纸速度换算出来。然后用离散化方法,在曲线上相同时间间隔取点，一般可取2０个数据点左右,再由公式（５),(7)分别计算出各自得与σt２,及无因次方差。通过多釜串联模型,利用公式（8）求出相应得模型参数N,随后根据N得数值大小，就可确定单釜与三釜系统得两种返混程度大小。

若采用微机数据采集与分析处理系统,则可直接由电导率仪输出信号至计算机,由计算机负责数据采集与分析，在显示器上画出停留时间分布动态曲线图,并在实验结束后自动计算平均停留时间、方差与模型参数。停留时间分布曲线图与相应数据均可方便地保存或打印输出,减少了手工计算得工作量。

六、结果与讨论

1、计算出单釜与三釜系统得平均停留时间，并与理论值比较,分析偏差原因;

2、计算模型参数N,讨论二种系统得返混程度大小;

3、讨论一下如何限制返混或加大返混程度。

七、思考题

1、为什么说返混与停留时间分布不就是一一对应得？为什么我们又可以通过测定停留时间分布来研究返混呢？

2、测定停留时间分布得方法有哪些?本实验采用哪种方法?

3、何谓返混？返混得起因就是什么？限制返混得措施有哪些?

4、何谓示踪剂?有何要求?本实验用什么作示踪剂?

5、模型参数与实验中反应釜得个数有何不同?为什么?

八、主要符号说明

Ｃ（t）——t时刻反应器内示踪剂浓度;

Ｅ(ｔ)——停留时间分布密度;

Ｆ(t)——停留时间分布函数;

Ｌt,L∞,Ｌ(t)——液体得电导值;

N——模型参数;

ｔ——时间;

V——液体体积流量;

——数学期望,或平均停留时间；

σt2，σθ2——方差;

θ——无因次时间。

实验13 食品添加剂柠檬酸钠得制备

一.实验目得

（1）学会用中与法制备柠檬酸钠得工艺方法与流程

（2）掌握中与、脱色、真空浓缩、结晶及干燥等工艺方法

（3）熟悉产品纯度得分析检测方法

二.实验原理

柠檬酸钠(Ｓodｉｕm Ciｔrate),又称枸橼酸钠,Ｃ６H５Nａ３O7,分子量 258、07，无色

晶体或白色结晶粉末。在食品、饮料工业中用作风味剂、稳定剂；在医药工业中用作抗血凝剂、化痰药与利尿药;在洗涤剂工业中,可替代三聚磷酸钠作为无毒洗涤剂得助剂;还用于酿造、注射液、摄影药品与电镀等。柠檬汁中含有大量柠檬酸,柠檬酸与钙离子结合则成可溶性络合物,能缓解钙离子促使血液凝固得作用,可预防与治疗高血压与心肌梗死。因此，柠檬酸钠得用途极为广泛。

柠檬酸钠就是目前最重要得柠檬酸盐,主要由淀粉类物质经发酵生成柠檬酸，再跟碱类物质中与而产生,具有以下优良性能:(1）安全无毒性能。由于制备柠檬酸钠得原料基本来源于粮食，因而对人类健康不会产生危害。联合国粮农与世界卫生组织对其每日摄人量不作任何限制。(2)优良生物降解性。柠檬酸钠经自然界大量得水稀释后，部分变成柠檬酸，柠檬酸在水中经氧、热、光、细菌以及微生物得作用,一般经乌头酸、衣康酸、柠康酸酑，最后转变为二氧化碳与水。(3)良好得金属离子络合能力。柠檬酸钠对Ca2+、Mg2＋等金属离子具有良好得络合能力，对其她金属离子如Fe2+等离子也有很好得络合能力,因此正逐渐取代三聚磷酸钠用于无磷洗涤剂得生产。

本实验基于工业上生产柠檬酸钠得工艺流程,主要考察学生在工艺路线选择及技术经济方面得平衡能力。以柠檬酸为起始原料生产食品添加剂柠檬酸钠,采用中与法可以有不同得中与剂可供选择,如氢氧化钠,碳酸钠及碳酸氢钠等,比较不同中与剂时得原料消耗、能耗及可操作性,探索出制备柠檬酸钠得最佳工艺条件,提出经济可行、操作简便及安全环保得合理工艺路线。同时熟悉化工生产中常见得间歇操作搅拌釜式反应器(BSＴR）,中与脱色及过滤、真空浓缩及结晶、离心分离及洗晶、干燥、粉碎筛分等工艺操作过程,掌握产品质量控制方

法及柠檬酸钠得分析规程。

三.试验装置

图1３ 工业生产柠檬酸钠工艺流程图

1－中与反应釜;2-脱色过滤;3-真空浓缩釜；4-离心分离；5-振动干燥

工业上柠檬酸钠得生产原则流程如图１3所示,主要包括中与反应、脱色过滤、真空浓缩、离心分离、振动干燥及筛分等过程。

本实验主要模拟工业流程做中与反应过程,其余工业过程可在工厂基地实地完成。

四、试验过程

1、 工艺流程得选择

由实验者自行选择中与剂ＮaO Ｈ、Na 2CO 3或N ａＨCO 3,选择中与工艺得工艺参数,比如柠檬酸原料与碱得配比,中与反应过程得固液比（1：2, １:4, 1:5）等。

２、 工艺参数得确定

根据实验者得选择,确定中与过程得工艺参数比如投料得方式,反应得温度及反应时间,中与结束时得ｐH 值;

确定脱色过程得脱色剂比如活性炭得加入量、脱色温度及时间;

确定真空浓缩得蒸发温度，真空度大小、浓缩比及浓缩液得密度(1、2５-1、２7),确定晶种投入得量及加入得时间节点;

确定结晶得方式（保温结晶、冷却结晶？);离心分离,甩水洗晶。母液收集及循环使用;确定产品得干燥方式。

3、 产品纯度分析检测

参照附录方法,分析检测产品得纯度及其她指标。

1 柠檬酸 碱

五、实验数据记录及处理

实验要求：

（１)每两个人做一组实验；

（2)独立操作与控制工艺过程;

（3)对比不同得实验工艺条件；

(4)计算产率并分别检测产品得纯度;

（5)提交完整得实验报告（要求技术讨论并引用参考文献)。

实验数据记录表:

1.选择不同中与剂时,制备得柠檬酸钠得产品质量就是否就是否一样?

2.最为经济合理得柠檬酸钠制备路线就是那一条？

3.中与过程中得液固比对反应过程及产品结果会有什么影响？

4.总结归纳工业生产柠檬酸钠得流程与实验室制备得主要区别在哪里?

附:MM＿FＳ_ＣNG_０40８食品添加剂柠檬酸钠得分析方法

MＭ_FS_CNG_0408 食品添加剂柠檬酸钠

１、适用范围

本标准适用于淀粉或糖质原料经发酵法生产制得得柠檬酸钠，在食品加工中作为调味剂、乳化剂、稳定剂等。

2、化学名称、分子式、分子量

化学名称:2-羟基丙烷－１,2,3－三羧酸钠

分子式：C6H５O7Na３·2H2O

CH2—ＣOＯNa

|

结构式: HＯ—Ｃ—COONa

|

ＣH2—COONa

分子量:2９4、１0(按1983年国际原子量)

3、技术要求

3、1、性状：本品为白色或微黄色结晶粉末,无臭,味咸,在湿空气中微有潮解性,在热空气中有风化性。

4、1、柠檬酸钠含量测定

4.1.1、试剂

0.1M标准高氯酸溶液：配制方法: 取无水冰醋酸（按含水量计算,每1g水加醋酐5、２２mＬ)75０mL，加入高氯酸(70％-72％)８、5ｍL，摇匀,在室温下缓缓滴加醋酐23mL，边加边摇,加完后再振摇均匀,放冷，加无水冰醋酸适量使成100０mL,摇匀，放置24小时。标定:取在105℃干燥至恒重得基准邻苯二甲酸氢钾约０.１6ｇ,精密称定,加无水冰醋酸20mＬ使溶解,加结晶紫指示液1滴,用本液缓缓滴定至蓝色,并将滴定得结果用空白试验校正。每１mL高氯酸滴定液（0、1mol/L）相当于2０、4２ｍｇ得邻苯二甲酸氢钾。根据本液得消耗量与邻苯二甲酸氢钾得取用量,算出本液得浓度,即可。

结晶紫:０、5%冰乙酸溶液,配制方法:取结晶紫0.５g,加冰醋酸１00mＬ使溶解,即得。

冰乙酸;

乙酸酐。

4.1．2、测定方法

取试样约0．15g(称准至0.000１g）,加冰乙酸10ｍｌ，加热溶解后,放冷。加乙酸酐10ml,加0、5%结晶紫溶液2滴,用0.１M得高氯酸标准溶液滴定至溶液显蓝绿色,同时做空白滴定试验进行校正。

4.1.3、柠檬酸钠含量按下式计算。

柠檬酸钠(%,以Ｃ6H５O７Na3·2Ｈ2O计）＝N(V－V0)×0、098０

３×10０

ｍ

式中:N ——高氯酸标准当量浓度;

V ——试样滴定耗用高氯酸标准溶液体积,ｍl;

V０——空白滴定耗用高氯酸标准溶液体积,ml;

M ——试样质量，g；

０、0９803 —— 1毫克当量柠檬酸钠得质量,g。

4.1.4、平行测定允许绝对偏差

柠檬酸钠含量平行测定允许绝对偏差为０、2%。