【正文】 1 / 75化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院2 / 75目 錄實(shí)驗(yàn)一 催化反應(yīng)精餾法制乙酸乙酯 ....................................................1實(shí)驗(yàn)二 乙醇脫水反應(yīng)研究實(shí)驗(yàn) ............................................................8實(shí)驗(yàn)三 中空纖維超過(guò)濾膜分離實(shí)驗(yàn) ..................................................16實(shí)驗(yàn)四 二元系統(tǒng)氣液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定 ..............................................23實(shí)驗(yàn)五 三釜串聯(lián)停留時(shí)間分布測(cè)定 ..................................................26實(shí)驗(yàn)六 十二烷基苯磺酸鈉的合成（磺化反應(yīng)） ..............................32實(shí)驗(yàn)七 2,4二硝基苯酚的制備（羥基化反應(yīng)） ................................38實(shí)驗(yàn)八 超臨界 CO2 萃取實(shí)驗(yàn) ..........................................................42實(shí)驗(yàn)九 煤的工業(yè)分析實(shí)驗(yàn) ................................................................47實(shí)驗(yàn)十 煤炭發(fā)熱量測(cè)定實(shí)驗(yàn) ............................................................49實(shí)驗(yàn)十一 內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn) ........................................56實(shí)驗(yàn)十二 外壓薄壁圓筒形容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn) ........................................62實(shí)驗(yàn)十三 厚壁圓筒爆破實(shí)驗(yàn) ............................................................65實(shí)驗(yàn)十四 用廢舊鋁制品制備超細(xì) AL(OH)3 粉體 ...............................實(shí)驗(yàn)十五實(shí)驗(yàn)十六附錄 1：實(shí)驗(yàn)報(bào)告的封面 .......................................................................703 / 75附錄 2：實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求 .......................................................................710 / 75實(shí)驗(yàn)一 催化反應(yīng)精餾法制乙酸乙酯一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夥磻?yīng)精餾是既服從質(zhì)量作用定律又服從相平衡規(guī)律的復(fù)雜過(guò)程，是反應(yīng)和分離過(guò)程的復(fù)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，了解反應(yīng)精餾技術(shù)比常規(guī)反應(yīng)技術(shù)在成本和操作上的優(yōu)越性。了解玻璃精餾塔的構(gòu)造和原理，學(xué)習(xí)反應(yīng)精餾玻璃塔的使用和操作，掌握反應(yīng)精餾操作的原理和步驟。學(xué)習(xí)用反應(yīng)工程原理和精餾塔原理，對(duì)精餾過(guò)程做全塔物料衡算和塔操作的過(guò)程分析。了解反應(yīng)精餾與常規(guī)精餾的區(qū)別，掌握反應(yīng)精餾法適宜的物系。學(xué)習(xí)氣相色譜的原理和使用方法，學(xué)會(huì)用氣相色譜分析塔內(nèi)物料的組成，了解氣相色譜分析條件的選擇和確定方法，并學(xué)習(xí)根據(jù)出峰情況來(lái)改變色譜條件。學(xué)習(xí)用色譜分析，進(jìn)行定量和定性的方法，學(xué)會(huì)求取液相分析物校正因子及計(jì)算含量的方法和步驟。了解氣相色譜儀以及熱導(dǎo)池檢測(cè)器的原理，了解分離條件的選擇和確定。二、實(shí)驗(yàn)原理反應(yīng)精餾原理反應(yīng)精餾是隨著精餾技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，而發(fā)展起來(lái)的一種新型分離技術(shù)。通過(guò)對(duì)精餾塔進(jìn)行特殊改造或設(shè)計(jì)后，采用不同形式的催化劑，可以使某些反應(yīng)在精餾塔中進(jìn)行，并同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)物和原料的精餾分離，是精餾技術(shù)中的一個(gè)特殊領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)為乙醇和乙酸的酯化反應(yīng)，一般情況下，反應(yīng)受平衡影響，轉(zhuǎn)化率最大只能是平衡轉(zhuǎn)化率，而實(shí)際反應(yīng)中只能維持在低于平衡轉(zhuǎn)化率的水平。而在精餾塔中進(jìn)行的酯化反應(yīng)，往往因?yàn)樯晌镏杏械头悬c(diǎn)或高沸點(diǎn)物質(zhì)存在，而多數(shù)會(huì)和水形成最低共沸物，從而可以從精餾塔頂連續(xù)不斷的從系統(tǒng)中排出，使塔中的化學(xué)平衡發(fā)生變化，永遠(yuǎn)達(dá)不到化學(xué)平衡，從而導(dǎo)致反應(yīng)不斷進(jìn)行，不斷向右移動(dòng)，最終的結(jié)果是反應(yīng)原料的總體轉(zhuǎn)化率超過(guò)平衡轉(zhuǎn)化率，大大提高了反應(yīng)效率和能量消耗。同時(shí)由于在反應(yīng)過(guò)程中也發(fā)生了物質(zhì)分離，也就減少了后續(xù)工序分離的步驟和消耗，在反應(yīng)中也就可以采用近似理論反應(yīng)比的配1 / 75料組成，既降低了原料的消耗，又減少了精餾分離產(chǎn)品的處理量。乙醇和乙酸的酯化反應(yīng)精餾的催化劑用濃硫酸，是由于其催化作用不受塔內(nèi)溫度限制，在全塔內(nèi)都能進(jìn)行催化反應(yīng)。反應(yīng)的化學(xué)方程式為 OHCHOCHC 2323233 ???2. 應(yīng)精餾塔原理反應(yīng)精餾塔用玻璃制成。直徑 20~25mm，塔總高約 1400mm，填料高度約 1300mm，塔內(nèi)裝 * 不銹鋼 θ 網(wǎng)環(huán)型填料（316L） 。塔身分兩段，上面是精餾段，下面是提餾段，長(zhǎng)度各為 700mm。全塔有 5 個(gè)取樣口，也可以當(dāng)進(jìn)樣口使用。取樣口在常壓操作時(shí)使用，里面用硅膠墊密封，每取樣 20 次以上應(yīng)根據(jù)密封情況，檢查是否需要更換。塔身外壁鍍有半導(dǎo)體金屬膜，用于控制塔身的散熱，并盡可能保持塔身和環(huán)境為絕熱狀態(tài)，保溫電流能使塔身的半導(dǎo)體加熱保溫。加熱溫度的設(shè)定需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)物系的性質(zhì)決定，由儀表來(lái)控制加熱的溫度，加熱電流可以用儀表或手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)，一般為 ~。通?？梢栽O(shè)定保溫的溫度比塔內(nèi)的溫度低 5~12℃。儀表采用 AI708 型，可以參加儀表使用說(shuō)明書(shū)來(lái)調(diào)節(jié)或改變儀表設(shè)置，精餾段和提餾段各使用一塊儀表加熱。塔內(nèi)蒸汽到達(dá)塔頂后被冷凝器冷凝，頂氣相的溫度由儀表顯示。塔頂冷凝采用自來(lái)水，冷凝液體進(jìn)入塔頂回流頭，采用擺動(dòng)式回流比控制器操作，一部分液體被從右面采出進(jìn)入到塔頂儲(chǔ)罐，另一部分進(jìn)入到塔內(nèi)回流?；亓鞅扔蓛x表面板的回流比控制器控制，實(shí)驗(yàn)中一般為 3~5，此控制系統(tǒng)由塔頭上擺錘、電磁鐵線(xiàn)圈、回流比計(jì)數(shù)撥碼電子儀表組成。本實(shí)驗(yàn)是間歇式反應(yīng)精餾，在 500ml 間歇塔釜一次性加入原料的混合物和催化劑，然后加熱到反應(yīng)溫度進(jìn)行反應(yīng)。通常乙醇的摩爾數(shù)和乙酸摩爾數(shù)比為 ~:，濃硫酸加入量按應(yīng)加入乙酸理論重量的比例加入，一般在 ~%（wt） ，加入量越大，反應(yīng)速度越快。反應(yīng)完全發(fā)生在塔釜內(nèi)，反應(yīng)生成的產(chǎn)物在塔內(nèi)發(fā)生分離，輕組分乙酸乙酯和水的共沸物不斷向上移動(dòng)，并最終從塔頂排出。而塔釜內(nèi)的乙醇和乙酸，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，濃度不斷減少，水量不斷增加，反應(yīng)溫度也開(kāi)始慢慢升高。最后，在塔頂?shù)玫降亩际呛囊宜嵋阴?，有時(shí)候能自己分層，但通常是加入少量的水，使它們分層，上層就是乙酸乙酯，下層為含少量乙酸乙酯的水。3. 色譜分析原理產(chǎn)物的分析由于比較復(fù)雜，含有多種成分，一般不能用滴定或折光儀分析，而采用氣2 / 75相色譜法。實(shí)驗(yàn)所用的色譜柱固定相為 101 白色擔(dān)體，固定液為鄰苯二甲酸二壬酯，固定液含量一般為 10%。需要測(cè)定的樣品分別為乙醇、乙酸、水和乙酸乙酯，色譜采用熱導(dǎo)池檢測(cè)器，出峰順序?yàn)樗⒁掖?、乙酸、乙酸乙酯。汽化室溫?150℃，柱箱溫度 130~140℃，檢測(cè)器溫度 150℃，橋電流 140mA，衰減 1，進(jìn)樣量 。全塔物料總平衡如圖所示物料平衡方程如下：對(duì)第 j 塊理論板上的 i 組分進(jìn)行物料衡算如下：Lj1Xi,j1+Vj+1Yi,j+1+FjZj,i+Ri,j=VjYi,j+LjXi,j 2≤j≤n，i=1,2,3,4 (1)（1） 氣液平衡方程對(duì)平衡級(jí)上某組分 i 有如下平衡關(guān)系：Ki,j?Xi,jYi,j=0 (2) 每塊板上組成的總和應(yīng)符合下式： (3)???nijinijY1,1,。（2） 反應(yīng)速率方程 (4)52, 10)(???jijijji XQPKRV2L12VjLDVj,+,j3 / 75式（4）指原料中各組分的濃度相等條件下才能成立，否則應(yīng)予修正。（3） 熱量衡算方程 對(duì)平衡級(jí)上進(jìn)行熱量衡算，最終得到下式： Lj1hj1VjHjLjhj+Vi+1Hj+1+FjHrjQj+RjHrj=0 (5)式中：Fj—j 板進(jìn)料流量hj—j 板上液體焓值Hj—j 板上氣體焓值Hrj—j 板上反應(yīng)熱焓值Lj—j 板下降液體量Ki,j—i 組分的汽液平衡常數(shù)Pj—j 板上液體混合物體積（持液量）Ri,j—單位時(shí)間 j 板上單位液體體積內(nèi) i 組分反應(yīng)量Vj—j 板上升蒸汽量Xi,j—j 板上組分 i 的液相摩爾分?jǐn)?shù)Yi,j—j 板上組分 i 的氣相摩爾分?jǐn)?shù)Zi,j—j 板上 i 組分的原料組成θi,j—反應(yīng)混合物 i 組分在 j 板上的體積Qj—j 板上冷卻或加熱的熱量三、 裝置及試劑裝置玻璃精餾塔，天平，燒杯，量筒，膠頭滴管，三角燒瓶，分液漏斗，氣相色譜（TCD） ，色譜工作站。 試劑無(wú)水乙醇（分析純） ，含量 %；冰乙酸（分析純） ，含量 %；乙酸乙酯（分析純） ，含量 %；濃硫酸（化學(xué)純） ，含量﹥ %四、 實(shí)驗(yàn)步驟打開(kāi)色譜載氣的氫氣發(fā)生器。調(diào)節(jié)氫氣減壓閥的壓力為 ，檢查色譜后面的穩(wěn)壓閥是否打開(kāi)并調(diào)到合適位置？此時(shí)，色譜儀前面的兩個(gè)壓力表應(yīng)該能調(diào)節(jié)到 左右。在用皂沫確定色譜柱兩個(gè)尾氣出口都有氣體后，打開(kāi)啟色譜儀主開(kāi)關(guān)。調(diào)節(jié)面板上的兩個(gè)載氣壓力調(diào)節(jié)閥，使兩路色譜柱的載氣 H2 流量為 25~30ml/min，可以用皂沫流量計(jì)和秒表來(lái)測(cè)定出口處的流量，一般應(yīng)使兩路的流量基本相同。4 / 75調(diào)節(jié)完畢載氣速度后，分別打開(kāi)柱溫、汽化器、檢測(cè)器加熱開(kāi)關(guān)，然后按下柱溫設(shè)定的琴鍵開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)旋鈕，使顯示窗口的柱溫設(shè)定為 140℃（可以根據(jù)出峰分離情況來(lái)調(diào)節(jié)） ，然后可以將琴鍵開(kāi)關(guān)切換到顯示狀態(tài)，此時(shí)，能觀(guān)察到色譜柱箱的溫度會(huì)快速升高，否則，應(yīng)按色譜使用說(shuō)明書(shū)檢查色譜保險(xiǎn)和加熱電路。設(shè)定氣化室溫度為 140℃，檢測(cè)器溫度為 150℃，打開(kāi)橋電流開(kāi)關(guān)，并調(diào)節(jié)旋鈕，使橋電流為 140mA，信號(hào)衰減為 1。色譜柱、汽化器、檢測(cè)器的溫度都穩(wěn)定后，再用秒表和皂沫流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)定色譜柱載氣出口氣體流量，并記錄室溫。在標(biāo)準(zhǔn)壓力表上讀出柱前壓。開(kāi)色譜記錄儀或色譜工作站（根據(jù)用戶(hù)自己的配置情況） ，調(diào)節(jié)色譜面板下面的調(diào)零旋鈕，此時(shí)，記錄儀或色譜工作站的指針或讀數(shù)應(yīng)發(fā)生變化。待色譜儀基線(xiàn)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)基線(xiàn)的位置在“0”以上。分別用量筒大約量取 110ml 乙酸(%)和 120ml 乙醇 (%)加入到 250ml 燒杯中，并在天平上用滴管加入直到 乙酸為 克，乙醇為 克，用滴管在乙酸中加入濃硫酸20~30 滴，然后把乙醇和乙酸一起加入到 500ml 的塔釜中。打開(kāi)塔頂冷卻水，觀(guān)察是否有水？如果正常，則打開(kāi)控制柜加熱開(kāi)關(guān)，分別打開(kāi)塔釜、精餾段、提餾段加熱控制溫度儀表，并設(shè)定塔釜加熱溫度為 95℃，精餾段和提餾段加熱保溫溫度為 80℃。調(diào)節(jié)塔釜加熱電流為 ，保溫電流暫時(shí)不打開(kāi)。記錄實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)間，每隔 15 或 30 分鐘記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一次。分別準(zhǔn)確稱(chēng)取 320 克左右的蒸餾水、分析純乙醇、分析純乙酸、分析純乙酸乙酯，混合后用氣相色譜分析，并最少分析三次，用于計(jì)算每個(gè)組分的校正因子。在塔釜溫度達(dá)到 60℃時(shí)，開(kāi)始慢慢調(diào)節(jié)保溫加熱電流，精餾段為 、提餾段，注意不同季節(jié)和環(huán)境溫度，可以適當(dāng)改變加熱電流的大小。 在塔頂開(kāi)始回流后，保持全回流 15 分鐘，使塔內(nèi)填料被充分潤(rùn)濕。打開(kāi)回流比開(kāi)關(guān)，設(shè)置回流比為 3，此時(shí)，能觀(guān)察到回流頭的擺錘開(kāi)始來(lái)回?cái)[動(dòng)，有液體開(kāi)始流到塔頂產(chǎn)品儲(chǔ)罐中，保持這個(gè)回流比操作 30 分鐘，然后把回流比改成 5。1在塔釜溫度開(kāi)始從 74℃左右突然開(kāi)始升高時(shí)，反應(yīng)可能接近終點(diǎn)。在塔釜內(nèi)的液面不能足夠循環(huán)時(shí)，可以停止采出，把回流比關(guān)閉，使塔為全回流操作，關(guān)閉塔身保溫加熱電流，將儀表溫度設(shè)定為室溫。關(guān)閉塔釜加熱儀表，將加熱電流調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)到零。1將塔頂儲(chǔ)罐的產(chǎn)品倒入到燒杯里，加入 100ml 蒸餾水，充分震蕩，然后加入到分液漏斗中，放置在試管架上靜止分離 20~30 分鐘。仔細(xì)放出分液漏斗下部的水準(zhǔn)確稱(chēng)重，5 / 75然后將上部的產(chǎn)品乙酸乙酯也準(zhǔn)確稱(chēng)重，分別用色譜進(jìn)行分析。最少重復(fù)兩次。1等待 15 分鐘使塔內(nèi)液體完全流回到釜內(nèi)，待釜液溫度降低到 40℃時(shí)，可以打開(kāi)塔釜，將釜內(nèi)液體準(zhǔn)確稱(chēng)重，并用色譜進(jìn)行分析。1停止通冷卻水。在分析完畢后，首先關(guān)閉橋電流和色譜檢測(cè)器加熱，再關(guān)閉汽化器加熱。等檢測(cè)器溫度降到 70~90℃以下時(shí)，再關(guān)閉色譜載氣和柱箱加熱。關(guān)閉色譜儀，關(guān)閉氫氣鋼瓶減壓閥，并等減壓閥壓力為零時(shí)，再關(guān)閉鋼瓶總閥。將產(chǎn)品廢液收集到廢液瓶中，清洗各種玻璃儀器，結(jié)束全部實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，記錄數(shù)據(jù)如下，室溫 25℃，大氣壓力 。分析用氣相色譜為雙氣路 910T 型。使用熱導(dǎo)池檢測(cè)器，分析數(shù)據(jù)用色譜工作站處理。表一：色譜分析條件原始數(shù)據(jù)記錄表室溫( ℃)室內(nèi)壓力(Mpa)色譜箱溫度℃汽化器溫度℃檢測(cè)器溫度℃橋電流 mA信號(hào)衰減