化工专业实验五至八

一、实验目的

1. 了解流化床干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。 2. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。

3. 掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平 衡含水量的实验分析方法。

4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

二、基本原理

在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定而取得。

按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度以及气流与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。

1. 干燥速率的定义

干燥速率定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量，即：

GdXdW2

(11－1) UC kg/(ms)

AdAd2

式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（ms）；

A－干燥表面积，m2； W－汽化的湿分量，kg；  －干燥时间，s；

Gc－绝干物料的质量，kg；

X－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。

2. 干燥速率的测定方法

方法一：

（1）将电子天平开启，待用。

（2）将快速水分测定仪开启，待用。

（3）将0.5~1kg的湿物料（如取0.5~1kg的分子筛放入纯净水中泡2小时，等分子筛充分吸水后取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用。

（4）开启风机，调节风量至40～60m3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在70～80℃），将湿物料加入流化床中，开始计时，每过10min取出10克左右的物料，同时读取床层温度。将取出的湿物料在快速水分测定仪中测定，得初始质量Gi和终了质量GiC。则物料中瞬间含水率Xi为

XiGiGiC （11－2） GiC方法二（数字化实验设备可用此法）： 利用床层的压降来测定干燥过程的失水量。

（1）将0.5~1kg的湿物料（如取0.5~1kg的分子筛放入纯净水中泡2小时，等分子筛充分吸水后取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用。

（2）开启风机，调节风量至40～60m3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在70～80℃），将湿物料加入流化床中，开始计时，此时床层的压差将随时间减小，实验至床层压差（pe）恒定为止。则物料中瞬间含水率Xi为

Xi式中，p—时刻时床层的压差。

计算出每一时刻的瞬间含水率Xi，然后将Xi对干燥时间i作图，如图11－1，即为干燥曲线。

ppe （11－3） pe

图11－1恒定干燥条件下的干燥曲线

上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同Xi下的斜率

dXi，di再由式11－1计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图11－2所示。

图11－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线

将床层的温度对时间作图，可得床层的温度与干燥时间的关系曲线。 3. 干燥过程分析

预热段 见图11－1、11－2中的AB段或AB′ 段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度tW ,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。

恒速干燥阶段 见图11－1、11－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图11－2中，BC段为水平线。

只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总处于恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。

降速干燥阶段 随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现―干区‖，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同，但以物料全部外表面计算的干燥速率因―干区‖的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界含水率，用Xc表示，对应图11－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。

干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这一干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。

降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。

与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。

三、实验装置

1．装置流程

本装置流程如图11—3所示。

1 11 2 10 3 9 4 5 6 8 7

1－加料斗；2－床层（可视部分）；3－床层测温点；4－出加热器热风测温点；5－风加热器；6－转子流量计；7－风机；8－U形压差计；9－取样口；10－排灰口；11－旋风分离器。

图11—3 流化床干燥实验装置流程图

2．主要设备及仪器

（1）鼓风机：BYF7122,370W； （2）电加热器：额定功率2.0KW； （3）干燥室：Φ100mm×750mm； （4）干燥物料：湿绿豆或变色硅胶；

（5）床层压差：Sp0014型压差传感器，或U形压差计。

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤 （1）开启风机。

（2）打开仪表控制柜电源开关，加热器通电加热，床层进口温度要求恒定在70~80℃左右。 （3）将准备好的绿豆加入流化床进行实验。

（4）每隔4min取样5~10克左右分析或由压差传感器记录床层压差，同时记录床层温度。 （5）待绿豆恒重或床层压差一定时，即为实验终了，关闭仪表电源。 （6）关闭加热电源。

（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。 2. 注意事项

必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏。

五、实验报告

1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）； 2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线； 3. 读取物料的临界湿含量；

4. 绘制床层温度随时间变化的关系曲线； 5. 对实验结果进行分析讨论。

六、思考题

1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？

2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？ 3. 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中床层温度是如何变化？为什么？如何判断实验已经结束？

4. 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？

实验六、圆盘塔中二氧化碳吸收的液膜传质系数测定

一、 实验目的

传质系数是气液吸收过程重要的研究的内容，是吸收剂和催化剂等性能评定、吸收设备设计、放大的关键参数之一。所以掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验求取方法，根据实验数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式，是本实验的主要目的。

二、 实验原理

传质系数的实验测定方法一般有两类，即静力法和动力法。静力法是将一定容积的气体于一定的时间间隔内，在密闭容器中与液体的静止表面相接触，根据气体容积的变化测定其吸收速度。此时液相主体必须在破坏表面的情况下进行搅拌，以避免由于在相界面附近饱和程度很高而影响其吸收速度。静力法的优点是能够了解反应过程的机理，设备小，操作简便，因其研究的情况，如流体力学条件与工业设备中的状况不尽相似，故吸收系数的数值，不宜一次性直接放大。

动力法是在一定的实验条件下，在气液两相都处于逆向流动状态下，测定其传质系数。此法能在一定程度上克服上述静力法的缺点，但所求得的传质系数只能是平均值，因而无法探讨传质过程的机理。

本实验基于动力法的原理，在圆盘塔中进行液膜传质系数的测定，但又与动力法不完全相同。其差异在于液相是处于流动状态，而气相在测试时处在不流动的封闭系统中。对于这一改进，其优点是简化了实验手段及实验数据的处理，同时也减少了操作过程产生的误差，实验结果与Stephens-Morris总结的圆盘塔中KL的准数关联式相吻合；不足的是只适合在常压(0.1MPa）测试条件下进行。

圆盘塔是一种小型实验室吸收装置：Stephens和Morris根据Higbien的不稳定传质理论，认为液体从一个圆盘流至另一个圆盘，类似于填充塔中液体从一个填料流至下一个填料，流体在下降吸收过程中交替地进行了一系列混合和不稳定传质过程。他们用水吸收纯CO2气体，实验测得的结果是一致的，且与塔高无关，消除了设备液膜控制时，因波纹现象所产生的端末效应。

Sherwood及Hollowag，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：

KLDKL式中

D2g2132g2134aDm0.5

── 修正修伍德准数Sh

4

── 雷诺数Re

 ── 许密特准数Sc

D m ── 系数，在0.78 – 0.之间变化 而Stephens-Morris总结圆盘塔中KL的准数关系式为

KL2 2Dg1343.221030.7D0.5

在实验范围内，Stephens-Morris与Sherwood-Hollowag的数据极为吻合。这说明Stephens-Morris所创造的小型标准圆盘塔与填充塔的液膜传质系数与液流速度的关系式极相似。因此，依靠圆盘塔所测定的液膜传质系数可直接用于填充塔设计。

本实验气相是纯CO2气体，液相是蒸馏水，测定纯CO2－H2O系统的液膜传质系数，并通过对液膜传质系数与液流速率之间的关系式的计算，求得系数m值。

基于双膜理论：

NAKLFcmKGFpm

1KLHkg1kLkgDGpRTZGpBm

当采用纯CO2气体时，因为pBm0，所以kg，即KLkL。 式中 kL NA F

molm3── 液膜传质分系数，hm2mol

── CO2吸收速度，（mol/h); ── 吸收表面积，（m2);

cm ── 液相浓度的平均推动力，（mol/m3)。

三、 实验装置

采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置，如图2–12所示。

液相的流向：贮液罐中的吸收液经泵打至高位槽，多余的液体由高位槽溢流口回流到贮液罐，借以维持高位槽液位稳定。由高位槽流出的吸收液由调节阀调节，经转子流量计计量和恒温加热系统加热至一定温度，进入圆盘塔塔顶的喷口，沿圆盘流下并在圆盘的表面进行气液传质。出圆盘塔的吸收液由琵琶形液封溢口排出。液相进出圆盘塔顶、塔底的温度由玻璃水银温度计测得。

34T678气相的流向：纯度在99.8％以上的CO2由高压钢瓶放出，经减压阀调节进入水饱和

T器和恒温加热系统，通过三通考克切换进入

9圆盘塔底部。CO2在塔中与自上而下的吸收液逆流接触，之后从塔顶部出来经U型压力计

T至皂膜流量计排空。

四、 实验操作

T12513121011

图2–12 圆盘塔实验流装置

1－贮液罐；2－水泵；3－高位槽；4－流量计；5－皂膜流量计； 6－加热器；7－U型测压管；8－圆盘塔；9－加热器；10－水饱和器；

11－钢瓶；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器

(1)系统的气体置换：开启钢瓶总阀，调节减压阀使气体有一个稳定的流量。切换三通考克使气体进入塔底自下而上由塔顶出来，经皂膜流量计后排空。一般经10min置换，即可着手进行测定。

(2) 开启超级恒温槽，调节接触温度计至操作温度值，由水泵将恒温水注入圆盘塔的隔套层，使恒温水不断地循环流动。

(3) 开启高位槽进水泵，当吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行下述操作。 (4) 调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。

(5) 调节气体和液体温度控制装置，使气体和液体温度稳定在操作温度值上，其气、液温度间的误差不大于1℃。

(6) 调节琵琶形液封器，使圆盘塔中心管的液面保持在喇叭口处。

(7) 液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分钟后，即可进行测定，每次重复做三个数据。

(8) 实验操作是在常压下以CO2的体积变化来测定液膜传质系数。当皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通考克的导向，（CO2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新，塔内CO2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化V所用的时间s记录下来，同时记录下各处的温度。

(9) 改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9－10次。

五、 数据处理

（1）液流速率 kgm1h1的计算：

Ll

式中  ── 液体的密度，（Kg/m3）； L ── 液体的流量，（m3/h）； l

── 平均液流周边，（m）。

（2）气体吸收速率 NA molh1的计算： NApVCO2SRT 式中 p ── 吸收压力，（Pa）；

VCO2 S R T

── CO2吸收量，（m3）； ── 吸收时间，（h)； ── 气体常数，R=8.314； ── 吸收温度，（K）。

3（3）液相浓度的平均推动力cm molm的计算：

cmcic0clnic0* cicCO2,icCO2,i

*c0cCOcCO2,02,0*式中 cCO2,i,cCO2,i ── 塔顶液相中CO2的平衡浓度与实测浓度，

*cCOHiPCO2,i 2,i* cCO2,0,cCO2,0 ── 塔底液相中CO2的平衡浓度与实测浓度，

*cCOH0pCO2,0 2,0 Hi,H0 ── CO2在塔顶与塔底水中的溶解度系数

3 molPam，

pCO2,i,pCO2,0 ── 塔顶与塔底气流中CO2的分压

pCO2PPH2O ( Pa )

HMK PH2O

M

── 吸收剂的分子量；

K ── 亨利系数，（Pa）（见附表）。

液体中进出口的CO2实际浓度为：

cCO2,i0,cCO2,0NAL

圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔内系一根不锈钢丝串连四十个相互垂直交叉的圆盘而成。

2每一圆盘的尺寸为直径d14.3mm，厚度4.3mm，平均液流周边数l2d4dd，吸收面2积F402d4d，圆盘间用502胶水（或环氧树脂）粘结在不锈钢丝上。

六、 实验数据记录表

室温 ___________ 被吸收气体 _____________ 吸收液体 ___________

大气压 ______________________ 水饱和分压______________________

吸收速CO2液体 率 吸 ml流量 收量 V(l/h) S(ml) 吸收时间(S) S1 S2 S3 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 液相温度 (℃) S 气相温度 (℃) 进 出 水夹套温度(℃) 进 出 进 出 七、 实验结果及讨论

(1)说明本实验的目的、原理、流程装置及控制要点。

(2)列出液膜传质系数的计算方法。

(3)以一组实验数据为例，列式计算液相传质系数及液流速率。 (4)绘制lgKLlg图，并整理出KL与的关系式。 (5)实验结果讨论。

(6)本实验中CO2流量的变化对KL有无影响，为什么？

(7)若液流量小于设置的下限或大于设置的上限将会产生会什么结果？

八、附表

附表 二氧化碳与水的有关物性数据

CO2在水中的亨水的密度 水的饱和蒸气压 温度℃ 利系数K×-3/(K g .M) p /Pa 10-6/Pa 10 105.30 999.7 1223.20 11 108.86 999.6 1307.52 12 112.49 999.5 1396.90 13 116.19 999.4 1491.73 14 119.94 999.2 1592.28 15 123.77 999.1 1698.41 16 127. 998.9 1811.06 17 131.58 998.8 1930.10 18 135.58 998.6 2055.78 19 139. 998.4 2188.65 20 143.73 998.2 2329.50 21 147.90 998.0 2476.99 22 152.11 997.8 2633.53 23 156.37 997.6 2798.72 24 160.69 997.3 2972.68 25 165.04 997.1 3156.09 26 169.46 996.8 3349.07 27 173.90 996.6 3552.43 28 178.39 996.3 3766.56 29 182.94 996.0 3991.33 30 187.52 995.7 4228.07 31 192.13 995.4 4476.78 32 196.79 995.1 4738.125 33 201.48 994.8 5012.77 34 206.22 994.4 5301.25 35 210.98 994.1 5604.22

实验七、膜分离实验

一、实验目的

1．了解膜的结构和影响膜分离效果的因素，包括膜材质、压力和流量等。 2．了解膜分离的主要工艺参数，掌握膜组件性能的表征方法。

二、基本原理

1膜分离简介

膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。其推动力可以为压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。膜分离过程有多种，不同的过程所采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游。

微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透（RO）都是以压力差为推动力的膜分离过程，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。

四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。微滤膜的孔径范围为0.05～10μm，所施加的压力差为0.015～0.2MPa；超滤分离的组分是大分子或直径不大于0.1μm的微粒，其压差范围约为0.1～0.5MPa；反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，所施加的压差与溶液中溶质的相对分子质量及浓度有关，通常的压差在2MPa左右，也有高达10MPa的；介于反渗透与超滤之间的为纳滤过程，膜的脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中相对分子质量为几百至几千的物质。 2纳滤和反渗透机理

对于纳滤，筛分理论被广泛用来分析其分离机理。该理论认为，膜表面具有无数个微孔，这些实际存在的不同孔径的孔眼像筛子一样，截留住分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。应当指出的是，在有些情况下，孔径大小是物料分离的决定因数；但对另一些情况，膜材料表面的化学特性却起到了决定性的截留作用。如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子大，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它却仍具有明显的分离效果。由此可见，膜的孔径大小和膜表面的化学性质将分别起着不同的截留作用。

反渗透是一种依靠外界压力使溶剂从高浓度侧向低浓度侧渗透的膜分离过程，其基本机理为Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上提出的优先吸附－毛细孔流动机理，而后又按此机理发展为定量的表面力－孔流动模型（详见教材）。

3膜性能的表征

一般而言，膜组件的性能可用截留率（R）、透过液通量（J）和溶质浓缩倍数（N）来表示。

c－cR0P100％c0 （1—1） 式中， R－截流率；

c0－原料液的浓度，kmol/m3；

cP－透过液的浓度，kmol/m3。

对于不同溶质成分，在膜的正常工作压力和工作温度下，截留率不尽相同，因此这也是工业上选择膜组件的基本参数之一。

JVPStLmh2 (1—2)

式中， J －透过液通量，L/(m2h)

VP－透过液的体积，L；

S －膜面积，m2；

t －分离时间，h。

Vp其中，Q，即透过液的体积流量，在把透过液作为产品侧的某些膜分离过程中（如污水

t净化、海水淡化等），该值用来表征膜组件的工作能力。一般膜组件出厂，均有纯水通量这个参数，即用日常自来水（显然钙离子、镁离子等成为溶质成分）通过膜组件而得出的透过液通量。

c NR (1—3)

cP式中， N—溶质浓缩倍数；

cR－浓缩液的浓度，kmol/m3；

cP－透过液的浓度，kmol/m3。

该值比较了浓缩液和透过液的分离程度，在某些以获取浓缩液为产品的膜分离过程中（如大分子提纯、生物酶浓缩等），是重要的表征参数。

三、实验装置与流程

本实验装置均为科研用膜，透过液通量和最大工作压力均低于工业现场实际使用情况，实验中不可将膜组件在超压状态下工作。主要工艺参数如表1-1。 膜组件 纳滤（NF） 反渗透(RO) 膜材料 芳香聚纤胺 芳香聚纤胺 膜面积/m2 0.4 0.4 最大工作压力/Mpa 0.7 0.7 表1-1膜分离装置主要工艺参数

反渗透可分离分子量为100级别的离子，学生实验常取0.5％浓度的硫酸钠水溶液为料液，浓度分析采用电导率仪，即分别取各样品测取电导率值，然后比较相对数值即可（也可根据实验前做得的浓度－电导率值标准曲线获取浓度值）。

图1-1膜分离流程示意图

四、实验步骤

1.用清水清洗管路，通电检测高低压泵，温度、压力仪表自检。

2.在配料槽中加入自来水，打开低压泵，则料液经预过滤器进入预过滤液槽。

3.低压预过滤5－10min，开启高压泵，将清液流量计旋钮开到最大位置，通过调节浓液转子流量计旋钮调节清液和浓液流量，等10分钟后可分别取样。 4.用洗净的小烧杯取水样，在电导率仪上分析2次水样电导率。

5.取7~8组数据，结束实验；实验结束，可在配料槽中配置消毒液（常用1％甲醛，根据物料特性）打入各膜芯中。

6.对于不同膜分离过程实验，可采用安装不同膜组件实现。

注：若采用大流量物料（与实验量产有关），可在底部料槽中配好相应浓度料液

五、实验数据记录

室温__________ 压力__________

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

注意事项

1．整个单元操作结束后，先用清水洗完管路，之后在保护液储槽中配置0.5-1％浓度的甲醛溶液，用泵打入膜组件中，使膜组件浸泡在保护液中。

2．对于长期使用的膜组件，其吸附杂质较多，或者浓差极化明显，则膜分离性能显著下降。对于预滤组件 ，采取更换新内芯的手段；对于反渗透组件，若采取针对性溶液浸泡后膜组件仍无法回复分离性能（如基本的截留率显著下降），则表明膜组件使用寿命已到尽头，需更换新内芯。

清液 流量（ml/min） 电导率（m·s-1） 1 2 平均 浓液 流量（ml/min） 电导率（m·s-1） 1 2 平均 附：膜组件工作性能与维护要求

本装置中的所有膜组件均为科研用膜（工业上膜组件的使用寿命因分离物系不同而受影响），为使其能较长时间的保持正常分离性能，请注意其正常工作压力、工作温度，并选取合适浓度的物料，并作好保养工作。 （1）系统要求

最高工作温度：50℃ 正常工作温度：5－45℃

正常工作压力：反渗透进口压力 0.6MPa 最大工作压力：反渗透进口压力 0.7MPa

（2）膜组件性能

预滤组件：滤芯材料为聚丙稀混纤，孔径5μm 纳滤组件：

膜材料：芳香聚纤胺 膜组件形式：卷式 有效膜面积：0.4 m2

纯水通量（0.6MPa，25℃）：6-8 L/h 脱盐率：Na2SO4, >50% 原料液溶质浓度: <2%

反渗透组件：

膜材料：芳香聚纤胺 膜组件形式：卷式

有效膜面积：0.4 m2

纯水通量（0.6MPa，25℃）：2.5-25 L/h 脱盐率：Na2SO4, >95% 原料液溶质浓度: <1%

（3）维修与保养

1.实验前请仔细阅读“实验指导书”和系统流程，特别要注意各种膜组件的正常工作压力与温度。

2.新装置首次使用前，先用清水进料10－20分钟，洗去膜组件内的保护剂（为一些表面活性

剂或高分子物质，对膜组件孔径定型用）。

3.实验原料液必须经过5μm微孔膜预过滤（即本实验装置中的预过滤器）,防止硬颗粒混入

而划破膜组件。

4．使用不同料液实验时，必须对膜组件及相关管路进行彻底清洗。

5.暂时不使用时，须保持膜组件湿润状态（因为膜组件干燥后，又失去了定型的保护剂，孔

径可能发生变化，从而影响分离性能），可通过膜组件进出口阀门，将一定量清水或消毒液封在膜组件内。

6.较长时间不用时，要防止系统生菌，可以加入少量防腐剂，例如甲醛、双氧水等（浓度均

不高于0.5％）。在下次使用前，则必须将这些保护液冲洗干净，才能进行料液实验。

实验八 一氧化碳中温–低温串联变换反应

一、 实验目的

一氧化碳变换生成氢和二氧化碳的反应是石油化工与合成氨生产中的重要过程。本实验模拟中温–低温串联变换反应过程，用直流流动法同时测定中温变换铁基催化剂与低温变换铜基催化剂的相对活性，达到以下实验目的：

（1）进一步理解多相催化反应有关知识，初步接触工艺设计思想。 （2）掌握气固相催化反应动力学实验研究方法及催化剂活性的评比方法。 （3）获得两种催化剂上变换反应的速率常数k与活化能E。

T二、 实验原理

一氧化碳的变换反应为

COH2O CO2H2

反应必须在催化剂存在的条件下进行。中温变换采用铁基催化剂，反应温度为350～500℃，低温变换采用铜基催化剂，反应温度为：220～320℃。

设反应前气体混合物中各组分干基摩尔分率为yCO,d、yCO2,d、yH2,d、yN2,d；初始汽气比为R0；反应

0000后气体混合物中各组分干基摩尔率为yCO,d、yCO2,d、yH2,d、yN2,d，一氧化碳的变换率为

0yCO,dyCO,d0yCO,d1yCO,dy1y0CO,d0yCO2,dyCO2,dCO2,d (1)

根据研究，铁基催化剂上一氧化碳中温变换反应本征动力学方程可表示为

r1pCO2pH2dNCOdNCO20.5kT1pCOpCO12dWdWKppCOpH2OkTf1(pi),mol/(gh) (2) 1

铜基催化剂上一氧化碳低温变换反应本征动力学方程可表示为

r2PCO2PH2dNCOdNCO20.20.50.2kT2pCOpHpp1CO2H22OKpPCOPHOdWdW2kTf2(pi),2mol/(gh) (3)

21850.1102KPexp2.3026lnT0.6218103T1.0604107T22.218 (4) 2.3026T在恒温下，由积分反应器的实验数据，可按下式计算反应速率常数kTi；

kTi0V0,iyCO22.4W∫0i出di (5) fi(pi)采用图解法或编制程序计算，就可由式（5）得某一温度下的反应速率常数值。测得多个温度的反应速率常数值，根据阿累尼乌斯方程kTk0eERT即可求得指前因子k0和活化能E。

由于中变以后引出部分气体分析，故低变气体的流量需重新计量，低变气体的入口组成需由中变气体经物料衡算得到，即等于中变气体的出口组成：

y001H2OyH2OyCO1

y01COyCO11 y1C2Oy0CO2y0CO1 y1H2y00H2yCO1 V2V1V分＝V0－V分 V分＝V分,d1R11V分,d1y00 H2OyCO1转子流量计计量的V分,d，需进行分子量换算，从而需求出中变出口各组分干基分率y1i,d： yy0,（d1－1）1CO,dCO1y0 CO,d1 yy02,dy0COCO,d11CO2,d1y0CO,d 1y00 yH2,dyCO,d11H2,d1y0 CO,d1y0 y,d1N2,dN21y0 CO,d1 同中变计算方法，可得到低变反应速率常数及活化能。

三、 预习与思考题

（1）本实验的目的是什么？ （2）实验系统中气体如何净化？ （3）氮气在实验中的作用？ （4）水饱和器的作用和原理是什么？

(6) (7) (8) (9)

(10) (11)

(12)(13)(14)(15)

（5）反应器采用哪种形式？

（6）在进行本征动力学测定时，应用哪些原则选择实验条件？ （7）本实验反应后为什么只分析一个量？ （8）试分析实验操作过程中应注意哪些事项？ （9）试分析本实验中的误差来源与影响程度？

四、实验流程

实验流程见图2–51。

实验用原料气N2、H2、CO2 、CO取自钢瓶，四种气体分别经过净化后，由稳压器稳

2145213432812134791091034841定压力，经过各自的流量计计量后，汇成一股，放空部分多余气体。所需流量的气体进脱氧槽脱除微量氧，经总流量计计量，进入水饱和器，定量加入水汽，再由保温管进入中变反应器。反应后的少量气体引出冷却、分离水分后进行计量、分析，大量气体再送入低变反应器，反应后的气体冷却分离水分，经分析后排放。

五、实验步骤及方法

(1) 开车及实验步骤

1) 检查系统是否处于正常状态； 2) 开启氮气钢瓶，置换系统约5分钟；

3) 接通电源，缓慢升反应器温度，同时把脱氧槽缓慢升温至200℃，恒定； 4) 中、低变床层温度升至100℃时，开启管道保温控制仪，开启水饱和器，同时打开冷却水，管道保温，水饱和器温度恒定在实验温度下；

5) 调节中、低变反应器温度到实验条件后，切换成原料气，稳定20分钟左右，随后进行分析，记录实验条件和分析数据。

(2) 停车步骤

1) 关闭原料气钢瓶，切换成氮气，关闭反应器控温仪； 2) 稍后关闭水饱和器加热电源，置换水浴热水；

3) 关闭管道保温，待反应床温低于200℃以下，关闭脱氧槽加热电源，关闭冷却水，关闭氮气钢瓶，关闭各仪表电源及总电源。

(3) 注意事项

图2–51 中–低变串联实验系统流程 1–钢瓶；2–净化器；3–稳压器；4–流量计；5–混合器；

6–脱氧槽；7–饱和器；8–反应器；9–热电偶；10–分离器；11–气相色谱

仪

1) 由于实验过程有水蒸汽加入，为避免水汽在反应器内冷凝使催化剂结块，必须在反应床温升至150℃以后才能启用水饱和器，而停车时，在床温降到150℃以前关闭饱和器。

2) 由于催化剂在无水条件下，原料气会将它过度还原而失活，故在原料气通入系统前要先加入水蒸汽，相反停车时，必须先切断原料气，后切断水蒸汽。

(4) 实验条件

1) 流量 控制CO、CO2、H2、N2流量分别为2～4 l/h左右，总流量为8～15 l/h，中变出口分流量为2～4 l/h左右。

2) 饱和器温度控制在72.8～80.0±0.1℃。

3) 催化剂床层温度 反应器内中变催化床温度先后控制在360℃、390℃、420℃，低变催化床温度先后控制在220℃、240℃、260℃。

六、 数据记录及处理

(1)实验数据记录表格

室温__________ 大气压__________ 序 号 1 2 3 4 5 6 中变 低变 反应温度,℃ 流量, l/h 饱和器总 分 温度℃ 系统静压Pa CO2分析值（％） 中变 低变 CO CO2 H2 N2 (2)数据处理 1) 转子流量计的校正

转子流量计是直接用20℃的水或20℃、0.1MPa的空气进行标定，因此各气体流体需校正。

i2) 水汽比的计算

R0（fi)0PMi， ViVi,读 （16）

RT(f0)iPH2OPaPgPH2O， （17）

式中水饱和蒸汽压PH2O用安托因公式计算。

lnPH2OA

式中：A7.07406B1657.16C227.02(10~168oC)

B （19） Ct 七、实验报告项目

（1）说明实验目的与要求； （2）描绘实验流程与设备； （3）叙述实验原理与方法； （4）记录实验过程与现象； （5）列出原始实验数据；

（6）理清计算思路，列出主要公式，计算一点数据得到结果； （7）计算不同温度下的反应速率常数，从而计算出频率因子与活化能； （8）根据实验结果，浅谈中–低变串联反应工艺条件； （9）分析本实验结果，讨论本实验方法。

H 主要符号说明

A、B、C - 安托因系数；

KP - 以分压表示的平衡常数；

kTi - 反应速率常数，mol/(ghPa0.5)；

Mi - 气体摩尔质量，kg/mol；

NCO、NCO2 - CO、CO2的摩尔流量，mol/(gh)；

Pi - 各组分的分压； PHO - 压力， KPa；

2 R1 - 低变反应器的入口汽气比； ri - 反应速率，mol/(gh)；

T - 反应温度（K）；

t - 饱和温度，（℃）；

V0 - 中变反应器入口气体湿基流量，（1/h）； V1 - 中变反应器中湿基气体的流量，（1/h）； V分- 中变后引出分析气体的湿基流量，（1/h）； V分,d - 中变后引出分析气体的干基流量，（1/h）；

V2 - 低变反应器中湿基气体的流量，（1/h）； V0,i - 反应器入口湿基标准态体积流量，（1/h）；

W - 催化剂量，（g）；

0 - 反应器入口CO湿基摩尔分率； yCOy1i - i组分中变出口湿基分率；

yi0 - i组分中变入口湿基分率；

i出 - 中变或低变反应器出口一氧化碳的变换率； 1 - 中变反应器中一氧化碳的变换率；

f - 转子密度，kg/m3； i - 气体密度，kg/m； 0 - 标定流体的密度，kg/m3。

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