实验八 连续搅拌釜反应器中乙酸乙酯的水解反应

实验报告
课程名称： 化工专业实验 指导老师： 成绩：________________
实验名称： 连续搅拌釜反应器中乙酸乙酯的水解反应 实验类型： 反应工程实验 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析 七、讨论、心得
一、实验目的
1．了解和掌握搅拌釜反应器非理想流动产生的原因； 2．掌握搅拌釜反应器达到全混流状态的判断和操作；
3．了解和掌握某一反应在全混釜中连续操作条件下反应结果的测量方法，以及与间歇反应器内反应结果的差别。

二、实验原理
在稳定条件下，根据全混釜反应器的物料衡算基础，有
A m
A A A m A A A A x C C C C C C V F
r ττ0000)1()()=-=-=
（－ （1） 对于乙酸乙脂水解反应：
OH H C COO CH H COOC CH OH 52-3K
523-+−→−+
A B C D
当C A0=C B0，且在等分子流量进料时，其反应速度(－r A )可表示如下形式：
2
20A 20
2
A 02)1))/ex p()A A A A A x kC C C C RT E k kC r -=-==（（（－ （2） 则根据文献（物化实验）的乙酸乙酯动力学方程，由（1），（2）可计算出x A
2
20A m
)1A
A A x kC x C -=（τ （3） 同时由于C A0∝(L 0-L ∞)，C A ∝(L t -L ∞)，由实验值得：
)(
100∞
---=L L L L x t
A （4）
式中： L 0,L ∞—— 分别为反应初始和反应完毕时的电导率
L t
—— 空时为m τ时的电导率
根据反应溶液的电导率的大小，由（4）式可以直接得到相应的反应转化率，由（3）式计算得到相同条件下的转化率，两者进行比较可知目前反应器的反应结果偏离全混流反应的理论计算值。

三、实验装置及仪器
本装置由一个管式反应器、一个搅拌釜反应器和一个塔式搅拌反应器组成，每个反应器均可独立操作，管式反应器和釜式反应器还可以组成两种串联组合式反应器进行工作。

配套设备包括定量连续进料系统、示踪剂加料系统、搅拌控制系统、反应釜出口浓度检测系统，实验流程装置见图1。

图1 实验装置示意图
四、实验步骤
打开均相多功反应过程多功能实验下的乙酸乙脂水解反应动力学测定实验可执行文件，利用分配到的实验序号和注册的用户名及密码在客户端上登录，点击开始实验，打开总电源，乙酸乙脂水解反应动力学实验的远程操作界面如图2所示。

蠕动泵将储液槽中的水打入反应器中，从反应器上部流出，通过电导槽后排出。

反应釜出口液体浓度由电导仪测定。

反应釜内的温度由恒温水浴控制。

1．配置0.04N （准确至0.0001N ）的NaOH 和乙酸乙脂溶液各 10L ，分别存放于NaOH 和乙酸乙脂槽中； 2．开排水阀，将反应釜中残留液排净；
3．打开1＃蠕动泵，立即也打开2＃蠕动泵，同时等流量往釜
式反应器加NaOH 和乙酸乙脂溶液；
4．等釜出口液体的电导率有较大的变化（NaOH
和乙酸乙脂的混合液的电导率大于空气或，说明溶液已
图2 实验远程操作界面
经加满），同时关闭两个蠕动泵，停止加料液；
5．将搅拌电机的转速调到设定值，等待转速的稳定；
6．打开恒温水浴的离心泵，设定反应釜温度，恒温水浴开始加热，等待温度的稳定；
7．等系统稳定后，先后快速打开两个蠕动泵，设定相同的流量，观察反应釜出口电导率的变化，等待电导率的曲线回至走平，说明水解反应平衡，则可以读取该流量下电导率数据；
8．改变流量，重复步骤7，直到设计的各个流量下的实验完成；
9．查得实验所设定的温度下的L0与L∞；
10．停止蠕动泵，停止搅拌、设置温度为0并关闭恒温水浴离心泵，将釜内的溶液排空，关闭电源，结束实验。

五、实验数据记录和处理
实验数据由计算机记录并保存，原始数据如下表：
反应釜体积V：530 mL
表1 实验原始数据记录表
1．实际转化率x A
根据经验公式：
L0=0.0492*t+3.1376；
L∞=0.0352*t+0.838；t—釜内温度(℃)
转化率x A =（L0-L t）/(L0-L∞)
2．理论转化率X A
速率常数k：l g k=-1780/t+0.00754*t+4.53 ；t—反应釜内温度(K)，k（L/mol*min）
停留时间τm：τm =V/v；V—釜内体积，v—实际进料的体积流量（实验中1、2号蠕动泵流量之和）乙酸乙酯初始浓度：C A0=0.04/2=0.02mol/L
由C A0/ τm*x A=k*C A02(1-x A)2算出理论转化率值
3、计算示例：
以第一组数据为例：
L0=0.0492*25.73+3.1376=4.4036
L∞=0.0352*25.73+0.838=1.7437
实际转化率x A=（L0-L t）/(L0-L∞)=（4.4036-6.846）/(4.4036-1.7437)=-0.9182
lgk= -1780/(273.15+25.73)+0.00754*(273.15+25.73)+4.53=0.8280, k=10^0.8280=6.730
τm =V/v=530/(50+50)=5.30min C A0=0.04/2=0.02mol/L
由C A0/ τm *x A =k*C A02(1-x A )2得x A 2-3.4018*x A +1=0，解得x A =3.0768（舍）或x A =0.3250 故理论转化率x A =0.3250
六、实验结果讨论
实验中实际转化率值为负值，不符合常理，故实验存在很大误差。

可能原因：
（1）实验仪器带来的系统误差，如电导率仪的基准不是0，使得测得电导率L t 都偏大且大于L 0，使得转化率算得负值。

（2）实验设备本身的精度问题，例如蠕动泵的流量不恒定在设定值、电导率仪测量偏差、温度测量偏差
等，使得实验数据波动，造成一定误差。

（3）实验条件，如温度、浓度、乙酸乙酯与氢氧化钠的比例等，不符合经验公式所使用的范围。

（4）反应物中存在杂质，对电导率的测量产生影响，使电导率测得值偏大。

七、思考题
1、与间歇式搅拌釜反应相比较，怎样从本方法得到的出口转化率推测动力学方程？
（1）本实验条件下，由稳定条件下全混釜反应器的公式A
A
A r X C -=
0τ即由停留时间τ和出口转化率X A
得到出口处反应速率-r A ，由C A =C A0（1-X A ）可以得到出口的反应物浓度C A 。

改变反应物初始浓度C A0，可以得到多组相对应的-r A 、C A ，即可推测动力学方程。

（2）由间歇式搅拌釜反应器在恒容条件下的物料衡算可得到：τ=C A0∫dX
A −r A
X A 0，我认为可以先假设反
应速率常数k 和反应级数n ，得到-r A =k(C A0(1- X A ))n
，将其代入积分式，并测出多组C A0、X A 数据求出k 和n ，即可得到动力学方程。

2．试分析造成本实验误差的主要因素是什么？为什么说流量的波动对该反应速度有较大的影响？
造成实验误差的主要因素：1、实验中初始反应物浓度不完全相等；2、实验仪器的系统误差，如电导率仪的基准值影响；3、实验条件，如温度、浓度等，不符合经验公式所使用的范围；4、电导率受温度的影响，温度的波动会导致电导率测量值的波动；5、反应物中存在杂质，对电导率的测量产生影响。

该反应为二级反应，反应物浓度对反应速率的影响较大。

两者流量均大时，反应釜中反应物浓度较大，反应速率较快；反之，反应速率较慢。

当一种流体的流量出现波动，与另一种溶液混合后，会对两者的浓度都造成影响，流量变大则另一种反应物浓度减小；流量变小则另一种反应物浓度会变大，浓度大小波动影响反应速率。

参考文献：
浙江大学化工系.化学工程专业指导书.2012.9
陈甘棠主编.化学反应工程.北京：化学工业出版社，2007.7：32-40。