【文章內容簡介】 與操作。催化劑顆粒通常制成多孔結構以增大其內表面積，因此顆粒的內表面積遠遠大于外表面積，反應物必須通過孔內擴散并在不同深度的內表面上發(fā)生化學反應，而反應產物則反向擴散至氣相主體，擴散過程將形成內表面各處的濃度分布。顆粒的粒度是內部傳遞阻力的重要因素，將工業(yè)粒度催化劑的宏觀反應速率與本征速率比較，則可以判別內擴散對反應的影響程度。 氣固反應過程的實驗室反應器可分為積分反應器，微分反應器以及無梯度反應器。其中，尤以內循環(huán)無梯度反應器最為常見，這種反應器結構緊湊，容易達到足夠的循環(huán)量和維持等溫條件，因而得到了較快的發(fā)展。 11 圖 1 所示的實驗室反應器， 是一種催化劑固定不動的內循環(huán)反應器，采用渦輪攪拌器，造成反應氣體在反應器內的循環(huán)流動。如反應器進口引入流量為 V0的原料氣，濃度為 cA0，出口流量為 V 濃度為 cAf的反應氣。當反應為等摩爾反應時 V0=V；當反應為變 摩爾反應時， V 可由具體反應式的物料衡算式推導，也可通過實驗測量。設反應器進口處原料氣與循環(huán)氣剛混合時，濃度為 cAi，循環(huán)氣流量為 Vc，則有： V0cA0+Vc cAf=(V0+Vc)cAi （ 1） 令循環(huán)比 Rc=Vc/V0，得到 cAi=AfA cc cc0c R1 RR1 1 ??? （ 2） 當 Rc 很大時， cAi≈ cAf，此時反應器內濃度處處相等，達到了濃度無梯度。經實驗驗證，當 Rc25 后，反應器性能便相當于一個理想混合反應器，它的反應速率可以簡單求得： rA=RAfAV ccV )( 00 ? 以單位質量催化劑計算的反應速率 rAW= W ccV AfA )( 00 ? 因而只要測得原料氣流量與反應氣體進出口濃度，便可得到某一條件下的宏觀反應速率值。進一步按一定的設計方法規(guī)劃實驗條件，改變溫度和濃度進行實驗，再通過計算機進行參數估計和曲線擬合，便可獲得宏觀動力學方程。 三、實驗裝置及流程 宏觀反應測定實驗的流程如圖 2 所示。 圖 2 宏觀速率測定流程圖 1鋼瓶 2壓力表 3穩(wěn)壓閥 4凈化器 5反應器 6電機 7皂膜流量計 8調節(jié)閥 P1234PP P232 287856 12 配制 好的高壓原料氣從鋼瓶內引出，經過減壓穩(wěn)定閥 3 控制壓力穩(wěn)定在實驗條件，流經凈化器 4，進入反應器 5，當實驗對壓力要求較高時，反應器前后采用精密壓力計測量系統(tǒng)壓力。反應后氣體經減壓穩(wěn)壓閥減至常壓后，引入皂膜流量計計量，或引入分析儀器分析氣體組成。 四、實驗步驟及方法 將稱量好的工業(yè)顆粒催化劑裝入催化劑筐內后，將反應器密封好。若反應所用催化劑需經還原才有活性，則裝入預還原催化劑，或裝入未還原催化劑后增加還原步驟。 全系統(tǒng)分段試壓試漏（可用氮氣）。 開啟原料氣鋼瓶，穩(wěn)壓穩(wěn)流送入反應系統(tǒng)。 開啟反應器溫 控儀，逐漸升溫至實驗溫度。 使系統(tǒng)穩(wěn)定 2h 以上后，測取數據。 改變溫度，壓力和組成，測取其他點數據。 實驗完畢，先使系統(tǒng)降溫，再切斷氣源，然后將系統(tǒng)緩慢泄壓。 五、實驗數據處理 實驗數據記錄項目見下表。 序號 溫度 /℃ 大氣壓 /Pa 實驗壓力 /Pa 反應溫度 /℃ 氣體流量 氣體組成 y V/m3 時間 /s 進口 出口 1 2 六、結果及討論 根據實驗數據，計算出不同條件下的宏觀反應速率值； 與本反應系統(tǒng)的本征反應速率進行比較，得到效率因子實驗值； 對實驗結果與實驗方法進行分析討論。 七、預習與思考 無梯度反應器屬微分反應器還是積分反應器，為什么？此反應器有何優(yōu)點？ 考慮內擴散影響的宏觀反應速率是否一定比本征反應速率低？ 渦輪攪拌器的作用是什么？應如何確定葉輪的轉速？ 為何要控制實驗穩(wěn)定一段時間后方能測數據？ 13 八、主要符號說明 cA0— 原料氣摩爾濃度， mol/m3； VR— 催化劑裝填量， m3； cAf— 反應器出口濃度， mol/m3； W— 催化劑質量， kg； cAi— 反應器進口處混合濃度， mol/m3； rA— 以單位催化劑體積計 算的反應速率， mol/(m3? h) Rc— 循環(huán)比； V0， Vc— 原料氣，循環(huán)氣流量， m3/h V— 出口氣體流量， m3/h rAW— 以單位催化劑質量計算的反應速率， mol/(kg? h) 14 實驗 4 激光粒度分布測試實驗 一、實驗目的 了解 JL1155 型激光粒度分布測試儀的使用方法和粒度分布測試原理。 二、實驗原理 樣品在分散槽分散以后，通過循環(huán)泵使樣品在測試皿中間通過，激光透過測試皿，使粒徑不同的粒子產生不同大小的投影，再通過儀器本 身的統(tǒng)計軟件統(tǒng)計出粒子的粒度分布。 三、儀器的結構與流程 激光光源 光學裝置 信號處理計算機打印機試樣光電探測器 圖 1 激光粒度儀的技術原理圖 四、儀器的操作步驟 打開計算機電源，待計算機自檢完成后，再打開儀器電源。為保證儀器測試穩(wěn)定，儀器開機后應預熱 30 分鐘以上。 運行 JL1155 文件即可進入測試狀態(tài)（密碼為 2830211），以后按菜單提示操作即可。 按下 OUT 鍵（指示燈亮為不放水，不亮為放水）在分散槽中加入 3/51/2 深度水，開啟循環(huán)泵（ PUMP 鍵，燈亮為開，不亮為停），充分排除氣泡。 按“ 2”鍵，調整測試儀器空白（如儀器狀態(tài)須調整，照提示按“ 0”鍵），直到屏幕顯示為“測試儀器空白，加份測試”即可。 關循環(huán)泵，提起機械攪拌器，加入 克左右的被測試樣，和一定的分散劑，開啟超聲波（ UW）鍵，放下機械攪拌器，分散 1560 秒。 關超聲波（ UW 鍵），開啟循環(huán)泵，循環(huán) 15 秒左右，在“ B”鍵程序內， 如果最大粒徑≤ 20μ m，按“ C”鍵，采用“ C”程序測試。如果最大粒徑≤ 36 μ m（有少量 48 μ m），按“ V”鍵，采用 V 程序測試。如果最大粒徑 48 μ m，按“ B”鍵，采用 ““ B”程序測試?！?Z”鍵為自動測試，是介于粗粉、微粉、超微粉之間時作參考用。 15 連續(xù)按所需鍵，如果屏幕顯示的濃度穩(wěn)定，且在 5080 之間，即可把測試保排水1615162168714131211109643 1 圖 2 儀器的結構與流程圖 1 攪拌器葉 2 攪拌器電機 3 被測試樣 4 分散測試槽 5 測試皿上接關 6 蠕動泵 7 電磁閥 8 排水槽 9 測試皿下關墊片 11 測試皿 12 上接頭墊片 13 壓塊 14 固定螺釘 15 三通管接頭 16 管道 存（按“ D”鍵，自 己取文件名，回車即可）。 按“ W”鍵，回到操作菜單，選擇存盤打印，按操作提示即可（先在打印機上加紙）。 測試完畢后，用水清洗三次（洗的時候不放水），再次測試時，可重復進行以上各步驟。 五、注意事項 分散槽中沒有水時，千萬不能開超生波，否則將可能損壞超聲波。 每次測試完畢后，務必 用水清洗測試皿，直到按‘ 2’鍵，屏幕顯示“測試儀器空白，加份測試”，方可進行下次試驗。 以上操作步驟最好不要顛倒順序。 六、儀器測試數據介紹 體積頻度分布，即相臨粒徑之間含量所占百分比（分布密度）。 體積 累積分布，即相應粒徑以下的含量所占的百分比（分布函數）。 50%粒徑，該粒徑以下的含量所占的百分比為 50%（其它類似）。 曲線的橫座標為對數座標，縱坐標為百分含量。 16 七、實驗數據記錄 列一個具體設定的體系及要測定數據的表格（如下）： 分析樣品名稱 平均粒徑 樣品的濃度 最大粒徑 體積累積 頻度分布 累積百分率 10％ 50％ 90％ 97％ 17 實驗 5 攪拌鼓泡釜中氣液兩相流動特性實驗 一 、實驗目的 氣液反應是化學反應過程和傳質過程相結合的復雜過程，在設計氣液反應器時，不僅要考慮到影響化學反應的諸因素，同時也必須考慮影響傳質過程的諸因素。本實驗就是在一定的幾何尺寸和一定型的攪拌鼓泡釜內，通過改變氣量和攪拌速度，觀察釜中氣液兩相流動狀況和分散特性，并通過測定氣含率，來表征傳質狀況的變化，為氣液反應的放大提供重要參數。 二、實驗原理 在工業(yè)生產中，氣液反應一般屬于液膜傳質控制，反應速度可用下式描述： iii CKddnV ??? ??1 式中 Ki為物理傳質系數，β 代表因有化學反應而使傳質加快的增強比數。β和ΔCi主要與化學反應的本性有關，而攪拌卻直接影響到傳質系數 Ki。如能保證在放大時對 K 的影響很小，傳質狀況的變化主要是比相界面ａ改變的結果。 根據ａ與氣含率ε和氣泡直徑 dp 的關系： pda?6? 在大于臨界轉速的范圍內 dp 變化不大，故ａ≈ε，而比相界面增加主要是氣含率提高的結果。這樣就可用較易測量的氣含率來表征傳質狀況的變化。 實驗時對于一定的氣量，在不同的轉速下，直接從附于釜壁上的標尺測得液層高，按氣含率的定 義算出ε值。 pfd HH 0??? 式中 Ho ─ 靜液層高度； Hf ─ 通氣時液層高度。 對于不同物系的結果表明，氣含率隨通氣量及轉速的變化具有相似的規(guī)律性。以水─空氣系統(tǒng)為例氣含率的典型曲線幾乎呈“ S”型，見圖 1。 此外，在一定的進氣量下，對一定的槳型要有相應的轉速才能使氣體分散成均勻的小氣泡，當攪拌強度足夠大時，觀察釜內兩相流動的工況大致可分為五個區(qū)，即：浮升區(qū)、上旋 區(qū)、噴出區(qū)、下旋區(qū)和無泡區(qū)。如圖 2 所示，其中噴出區(qū)，氣泡被旋轉的槳葉打碎，兩相界面不斷更新，是傳質最強的區(qū)域；上旋區(qū)和下旋區(qū)是向上和向下回旋的兩股液體，其中包含大量微小的渦流，它們不斷剪切氣泡，使大氣泡破碎成大致與渦流直徑相等的均勻小氣泡，并被卷入向上和向下的液體中，該兩區(qū)為中度傳質 18 區(qū)；浮升區(qū)中氣泡浮力的作用超過流體動力的影響，故氣泡浮升而上，同時由于氣泡的聚并使氣泡的直徑略微增大，該區(qū)為弱傳質區(qū)；而無泡區(qū)則是指釜下呈圓錐形的清流液層，該區(qū)幾乎沒有氣泡。這五個區(qū)域隨著攪拌強度變化其范圍亦有所伸縮，在臨界轉速 附近主要是氣泡的浮升和不明顯的上旋區(qū)，其余幾乎全是清液層，這時槳葉不能把全部氣泡分散，于是出現未能粉碎的大氣泡，直沖液面爆破，表明呈現騰涌現象。增加轉速后，在外力作用下，使流體具有較多的內能，并產生更多的渦流，逐漸出現五個不同的液型。當攪拌足夠強時，清流層消失，釜內各處都有氣泡在運動。 根據圖 1 并結合觀察到的現象，我們可以把ｎ與ε曲線分為三個區(qū)域：（ 1）完全氣泛區(qū)；（ 2）過渡區(qū)；（ 3）均勻分散區(qū)。從完全氣泛區(qū)到過渡區(qū)，隨著ｎ的增加，ε開始增加較快，這時氣泡已基本上被均勻粉碎，并在旋轉的作用下，偏向器壁迂回 再逸出液面，并出現了部分上旋的渦流。我們把槳葉基本上能使氣體均勻分散所需的最低轉速稱為臨界轉速ｎ Ｏ 。當從過渡區(qū)進入分散區(qū)以后，如繼續(xù)增加轉速，氣含率變化不大，釜內已沒有聚并產生的大氣泡，流動平緩，不再出現騰涌，槳下幾乎沒有清流層，釜內氣泡大小比較均勻，氣液兩相成為均勻的混合體，氣泛消失，槳葉已能完全將氣體粉碎了。反之，高轉速逐漸降低時，當到達某一轉速范圍，氣含率便顯著下降，槳葉附近開始出現清流層，釜內有大氣泡直沖液面而爆破，這時開始出現騰涌或氣泛。我們把出現或消失氣泛現象時的轉速定為泛點轉速 n? ，對應的氣速稱作泛點氣速 u? 。 為了求得某一定氣速下的ｎ Ｏ 和 u? ，可根據上面的定義，并從圖 3 曲線看出，它們應位于發(fā)生突變的兩個拐點處。對曲線上、下兩拐點作切線后，求出其交點，并與實際觀察值相應證后定出ｎ Ｏ 和 u? 。實驗表明，在較高的氣速范圍內，ｎ O是隨著ｕ OG的增加而提高的，同樣， n? 也是隨著ｕ OG的增加而提高的 。 19 在本實驗中，對于ｎ Ｏ 和 n? 的計算，可采用如下關聯式： OGudDdn ????????????????????????19 0 ???? OGudDDdDdn ?????????????????? 式中： σ ─ 流體表明張力， N/cm； ρ ─ 流體密度， g/cm3； D ─ 釜徑， cm； d ─ 槳徑， cm； ｕ OG─ 空釜氣速， cm/s。 三、實驗裝置和流程 本實驗用的