實(shí)驗(yàn)一多釜串聯(lián)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的測定

1、實(shí)驗(yàn)一 多釜串聯(lián)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)通過單釜與三釜反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的測定，將數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果用多釜串聯(lián)模型來描述返混程度，從而認(rèn)識限制返混的措施。1、掌握停留時(shí)間分布的測定方法；2、了解停留時(shí)間分布與多釜串聯(lián)模型的關(guān)系；3、掌握多釜串聯(lián)模型參數(shù)n的物理意義及計(jì)算方法。二、實(shí)驗(yàn)原理在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的物料之間的混和稱為返混。返混程度的大小，一般很難直接測定，通常是利用物料停留時(shí)間分布的測定來研究。然而在測定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，相同的停留時(shí)間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時(shí)間分布不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此不能用停留時(shí)間

2、分布的實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而必須借助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型來間接表達(dá)。物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間完全是一個(gè)隨機(jī)過程，須用概率分布方法來定量描述。所用的概率分布函數(shù)為停留時(shí)間分布密度函數(shù)e(t)和停留時(shí)間分布函數(shù)f(t)。停留時(shí)間分布密度函數(shù)e(t)的物理意義是：同時(shí)進(jìn)入的n個(gè)流體粒子中，停留時(shí)間介于t到t+dt間的流體粒子所占的分率dn/n為e(t)dt。停留時(shí)間分布函數(shù)f(t)的物理意義是：流過系統(tǒng)的物料中停留時(shí)間小于t的物料所占的分率。停留時(shí)間分布的測定方法有脈沖輸入法、階躍輸入法等，常用的是脈沖輸入法。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，在系統(tǒng)的入口處瞬間注入一定量q的示蹤物料，同時(shí)開始在出口流體中檢測

3、示蹤物料的濃度變化。由停留時(shí)間分布密度函數(shù)的物理含義，可知： e(t)dtvc(t)/q (1) (2)所以 (3)由此可見e(t)與示蹤劑濃度c(t)成正比。本實(shí)驗(yàn)中用水作為連續(xù)流動(dòng)的物料，以飽和kcl作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測溶液的電導(dǎo)值。在一定范圍內(nèi)，kcl濃度與電導(dǎo)值成正比，則可用電導(dǎo)值來表達(dá)物料的停留時(shí)間變化關(guān)系，即e(t)l(t)，這里l(t)ltl，lt為t時(shí)刻的電導(dǎo)值，l為無示蹤劑時(shí)電導(dǎo)值。停留時(shí)間分布密度函數(shù)e(t)在概率論中有二個(gè)特征值平均停留時(shí)間（數(shù)學(xué)期望）和方差t2。的表達(dá)式為： (4)采用離散形式表達(dá)，并取相同時(shí)間間隔t，則： (5)t2的表達(dá)式為： (6)也可采用

4、離散形式表達(dá)，并取相同t，則： (7)若用無因次對比時(shí)間來表示，即：， 無因次方差：。在測定了一個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間分布后，如何來評價(jià)其返混程度，則需要用反應(yīng)器模型來描述，這里我們采用多釜串聯(lián)模型。所謂多釜串聯(lián)模型是將一個(gè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混情況作為與若干個(gè)全混釜串聯(lián)時(shí)的返混程度等效。這里的若干個(gè)全混釜個(gè)數(shù)n是虛擬值，并不代表反應(yīng)器個(gè)數(shù)，n 稱為模型參數(shù)。多釜串聯(lián)模型假定每個(gè)反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無返混，每個(gè)全混釜體積相同，則可以推導(dǎo)得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)關(guān)系，并得到無因次方差2與模型參數(shù)n存在關(guān)系為： (8)當(dāng) n1，21，為全混釜特征；當(dāng)n，20，為平推流特征；這里n是模型參數(shù)

5、，是個(gè)虛擬釜數(shù)，并不限于整數(shù)。三、 實(shí)驗(yàn)裝置與流程圖1-1 停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)裝置圖1、本實(shí)驗(yàn)裝置主要由：水槽、水泵、釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、流量計(jì)、電導(dǎo)率儀、攪拌電機(jī)、開關(guān)、指示燈、電腦程序控制、柜體、閥門及管道等組成。2、水槽 供測停留時(shí)間時(shí)間所需的水源，由水泵輸送到反應(yīng)器。3、反應(yīng)釜 由有機(jī)玻璃制成，三釜以串聯(lián)形式存在，在反應(yīng)釜管道上有3個(gè)出口，分別為進(jìn)液口、試蹤劑入口、電導(dǎo)探頭插口。3個(gè)攪拌釜的內(nèi)徑均為100mm，高度均為120mm，高徑比為1.2。主流流體(水)自循環(huán)水槽的出口，經(jīng)調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，由第1釜頂部加入，再由器底排出后進(jìn)入第2釜，如此逐級下流，最后由第3釜釜底排出，經(jīng)電導(dǎo)池后

6、排入下水道。4、管式反應(yīng)器 在其上部有一電導(dǎo)率插入口，下部則由泵直接將水打入并開有一示蹤劑入口，用于測定管式反應(yīng)的停留時(shí)間。5、流量計(jì) 測定進(jìn)料量的大小。采用lzb-6（440）l/h液體流量計(jì)，因其本身帶流量控制閥，故流量調(diào)節(jié)閥在流量計(jì)上。6、電導(dǎo)率儀 采用上海大普儀器廠生產(chǎn)的電導(dǎo)率儀，可以通過它來測定出口示蹤劑的含量，并帶有232通訊插口可與電腦連接，在線測定、顯示出口示蹤劑的含量。7、攪拌電機(jī) 其操作板置于控制柜上，速度調(diào)節(jié)和顯示均在操作板上進(jìn)行。8、開關(guān)、指示燈 按下開關(guān)旋鈕，指示燈亮，相應(yīng)的工作開始；順旋鈕上的箭頭方向旋轉(zhuǎn)旋鈕則為關(guān)。當(dāng)遇緊急情況需立刻停車，可直接斷電，斷電后仍須單獨(dú)

7、關(guān)掉各開關(guān)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這種情況。9、電腦程序控制 有相應(yīng)的電腦控制界面，并可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保留，可以按提示查出從實(shí)驗(yàn)開始到結(jié)束間任一時(shí)間的數(shù)據(jù)。10、柜體 在控制柜上可以操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)，并可以觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的全過程。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、打開高位槽 (1) 的上水閥，當(dāng)高位槽出現(xiàn)溢流后打開各分閥及流量計(jì) (2) 上的閥門，將流量調(diào)為 20 l/h ，并使流量穩(wěn)定； 2、打開攪拌器電源，慢速啟動(dòng)電機(jī)，將轉(zhuǎn)速調(diào)至所需穩(wěn)定值； 3、接通3臺 dds-11a 型電導(dǎo)率儀電源，并檢查電極是否正常。 4、檢查數(shù)模轉(zhuǎn)換器聯(lián)線，接通電源。若轉(zhuǎn)換器顯示值偏離零點(diǎn)較大，調(diào)節(jié)電導(dǎo)率儀的調(diào)零旋鈕。 5、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在 w

8、indowsxp 桌面上雙擊圖標(biāo)啟動(dòng)本采集軟件。系統(tǒng)在采集前，先進(jìn)行“系統(tǒng)整定”，正常后單擊“測定操作”進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)記錄”子窗體。 6、用針筒在反應(yīng)器的入口快速注入 3ml 1.7 mol/l 的氯化鉀溶液，同時(shí)單擊“實(shí)驗(yàn)記錄”子窗體上的“啟動(dòng)”按鈕或按下功能鍵“f5”，此時(shí)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。 7、待反應(yīng)器濃度不再變化后，單擊“停止”按鈕或按下功能鍵“ f9”以結(jié)束采集。此時(shí)可由“視圖”菜單選擇顯示分布函數(shù)和密度函數(shù)曲線。按“保存”圖標(biāo)保存實(shí)驗(yàn)報(bào)告；單擊“報(bào)告”按鈕可瀏覽實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到單釜與三釜的停留時(shí)間分布曲線，這里的物理量電導(dǎo)值l對應(yīng)示蹤劑濃度的變化；

9、走紙的長度方向?qū)?yīng)測定的時(shí)間，可以由記錄儀走紙速度換算出來。然后用離散化方法，在曲線上相同時(shí)間間隔取點(diǎn)，一般可取20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右，再由公式（5），（7）分別計(jì)算出各自的和t2，及無因次方差。通過多釜串聯(lián)模型，利用公式（8）求出相應(yīng)的模型參數(shù)n，隨后根據(jù)n的數(shù)值大小，就可確定單釜和三釜系統(tǒng)的兩種返混程度大小。若采用微機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，則可直接由電導(dǎo)率儀輸出信號至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與分析，在顯示器上畫出停留時(shí)間分布動(dòng)態(tài)曲線圖，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)計(jì)算平均停留時(shí)間、方差和模型參數(shù)。停留時(shí)間分布曲線圖與相應(yīng)數(shù)據(jù)均可方便地保存或打印輸出，減少了手工計(jì)算的工作量。六、結(jié)果與討論1、計(jì)算出單

10、釜與三釜系統(tǒng)的平均停留時(shí)間，并與理論值比較，分析偏差原因；2、計(jì)算模型參數(shù)n，討論二種系統(tǒng)的返混程度大小；3、討論一下如何限制返混或加大返混程度。七、思考題1、為什么說返混與停留時(shí)間分布不是一一對應(yīng)的？為什么我們又可以通過測定停留時(shí)間分布來研究返混呢？2、測定停留時(shí)間分布的方法有哪些？本實(shí)驗(yàn)采用哪種方法？3、何謂返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有哪些？4、何謂示蹤劑？有何要求？本實(shí)驗(yàn)用什么作示蹤劑？5、模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)有何不同？為什么？八、主要符號說明 c(t)t時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)示蹤劑濃度； e(t)停留時(shí)間分布密度； f(t) 停留時(shí)間分布函數(shù)；lt，l，l(t)液體的電導(dǎo)值；

11、 n模型參數(shù)； t 時(shí)間； v液體體積流量； 數(shù)學(xué)期望，或平均停留時(shí)間； t2，2 方差； 無因次時(shí)間。實(shí)驗(yàn)13 食品添加劑檸檬酸鈉的制備一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 學(xué)會用中和法制備檸檬酸鈉的工藝方法和流程（2） 掌握中和、脫色、真空濃縮、結(jié)晶及干燥等工藝方法（3） 熟悉產(chǎn)品純度的分析檢測方法二. 實(shí)驗(yàn)原理檸檬酸鈉(sodium citrate)，又稱枸櫞酸鈉，c6h5na3o7，分子量 258.07，無色晶體或白色結(jié)晶粉末。在食品、飲料工業(yè)中用作風(fēng)味劑、穩(wěn)定劑；在醫(yī)藥工業(yè)中用作抗血凝劑、化痰藥和利尿藥；在洗滌劑工業(yè)中，可替代三聚磷酸鈉作為無毒洗滌劑的助劑；還用于釀造、注射液、攝影藥品和電鍍等。檸檬

12、汁中含有大量檸檬酸，檸檬酸與鈣離子結(jié)合則成可溶性絡(luò)合物，能緩解鈣離子促使血液凝固的作用，可預(yù)防和治療高血壓和心肌梗死。因此，檸檬酸鈉的用途極為廣泛。檸檬酸鈉是目前最重要的檸檬酸鹽，主要由淀粉類物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵生成檸檬酸，再跟堿類物質(zhì)中和而產(chǎn)生，具有以下優(yōu)良性能：(1)安全無毒性能。由于制備檸檬酸鈉的原料基本來源于糧食，因而對人類健康不會產(chǎn)生危害。聯(lián)合國糧農(nóng)與世界衛(wèi)生組織對其每日攝人量不作任何限制。（2）優(yōu)良生物降解性。檸檬酸鈉經(jīng)自然界大量的水稀釋后，部分變成檸檬酸，檸檬酸在水中經(jīng)氧、熱、光、細(xì)菌以及微生物的作用，一般經(jīng)烏頭酸、衣康酸、檸康酸酑，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退?。?）良好的金屬離子絡(luò)合能力。檸

13、檬酸鈉對ca2+、mg2+等金屬離子具有良好的絡(luò)合能力，對其他金屬離子如fe2+等離子也有很好的絡(luò)合能力，因此正逐漸取代三聚磷酸鈉用于無磷洗滌劑的生產(chǎn)。本實(shí)驗(yàn)基于工業(yè)上生產(chǎn)檸檬酸鈉的工藝流程，主要考察學(xué)生在工藝路線選擇及技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的平衡能力。以檸檬酸為起始原料生產(chǎn)食品添加劑檸檬酸鈉，采用中和法可以有不同的中和劑可供選擇，如氫氧化鈉，碳酸鈉及碳酸氫鈉等，比較不同中和劑時(shí)的原料消耗、能耗及可操作性，探索出制備檸檬酸鈉的最佳工藝條件，提出經(jīng)濟(jì)可行、操作簡便及安全環(huán)保的合理工藝路線。同時(shí)熟悉化工生產(chǎn)中常見的間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器（bstr），中和脫色及過濾、真空濃縮及結(jié)晶、離心分離及洗晶、干燥、粉碎

14、篩分等工藝操作過程，掌握產(chǎn)品質(zhì)量控制方法及檸檬酸鈉的分析規(guī)程。三. 試驗(yàn)裝置檸檬酸鈉12345檸檬酸堿母液圖13 工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸鈉工藝流程圖1-中和反應(yīng)釜；2-脫色過濾；3-真空濃縮釜；4-離心分離；5-振動(dòng)干燥 工業(yè)上檸檬酸鈉的生產(chǎn)原則流程如圖13所示，主要包括中和反應(yīng)、脫色過濾、真空濃縮、離心分離、振動(dòng)干燥及篩分等過程。本實(shí)驗(yàn)主要模擬工業(yè)流程做中和反應(yīng)過程，其余工業(yè)過程可在工廠基地實(shí)地完成。四、試驗(yàn)過程 1. 工藝流程的選擇由實(shí)驗(yàn)者自行選擇中和劑naoh、na2co3或nahco3，選擇中和工藝的工藝參數(shù)，比如檸檬酸原料與堿的配比，中和反應(yīng)過程的固液比（1:2, 1:4, 1:5）等。 2

15、. 工藝參數(shù)的確定 根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的選擇，確定中和過程的工藝參數(shù)比如投料的方式，反應(yīng)的溫度及反應(yīng)時(shí)間，中和結(jié)束時(shí)的ph值； 確定脫色過程的脫色劑比如活性炭的加入量、脫色溫度及時(shí)間； 確定真空濃縮的蒸發(fā)溫度，真空度大小、濃縮比及濃縮液的密度（1.25-1.27），確定晶種投入的量及加入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；確定結(jié)晶的方式（保溫結(jié)晶、冷卻結(jié)晶？）；離心分離，甩水洗晶。母液收集及循環(huán)使用；確定產(chǎn)品的干燥方式。3. 產(chǎn)品純度分析檢測參照附錄方法，分析檢測產(chǎn)品的純度及其他指標(biāo)。五. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理實(shí)驗(yàn)要求：（1）每兩個(gè)人做一組實(shí)驗(yàn)；（2）獨(dú)立操作和控制工藝過程；（3）對比不同的實(shí)驗(yàn)工藝條件；（4）計(jì)算產(chǎn)率并分別檢

16、測產(chǎn)品的純度；（5）提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（要求技術(shù)討論并引用參考文獻(xiàn)）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表：室溫：物 料檸檬酸水naohna2co3nahco3質(zhì)量/kg中和溫度中和時(shí)間中和終了ph脫色溫度脫色時(shí)間濃縮溫度濃縮真空度濃縮液密度產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品純度,%思考題：1. 選擇不同中和劑時(shí)，制備的檸檬酸鈉的產(chǎn)品質(zhì)量是否是否一樣？2. 最為經(jīng)濟(jì)合理的檸檬酸鈉制備路線是那一條？ 3. 中和過程中的液固比對反應(yīng)過程及產(chǎn)品結(jié)果會有什么影響？4. 總結(jié)歸納工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸鈉的流程與實(shí)驗(yàn)室制備的主要區(qū)別在哪里？附：mm_fs_cng_0408食品添加劑 檸檬酸鈉的分析方法mm_fs_cng_0408 食品添加劑檸檬酸鈉1.適用

17、范圍本標(biāo)準(zhǔn)適用于淀粉或糖質(zhì)原料經(jīng)發(fā)酵法生產(chǎn)制得的檸檬酸鈉，在食品加工中作為調(diào)味劑、乳化劑、穩(wěn)定劑等。2. 化學(xué)名稱、分子式、分子量化學(xué)名稱：2-羥基丙烷-1，2，3-三羧酸鈉分子式：c6h5o7na32h2och2coona|結(jié)構(gòu)式： hoccoona|ch2coona分子量：294.10（按1983年國際原子量）3.技術(shù)要求3.1.性狀：本品為白色或微黃色結(jié)晶粉末，無臭，味咸，在濕空氣中微有潮解性，在熱空氣中有風(fēng)化性。3.2.檸檬酸鈉應(yīng)符合下表要求。指 標(biāo) 名 稱指 標(biāo)檸檬酸鈉，99.0酸度和堿度符合規(guī)定硫酸鹽，0.03重金屬（pb），0.0005砷，0.0001鐵鹽，0.001草酸鹽，0.

18、05鈣鹽符合規(guī)定鋇鹽符合規(guī)定易炭化物符合規(guī)定氯化物，0.014.試驗(yàn)方法4.1.檸檬酸鈉含量測定4.1.1.試劑0.1m標(biāo)準(zhǔn)高氯酸溶液：配制方法: 取無水冰醋酸（按含水量計(jì)算，每1g水加醋酐5.22ml)750ml，加入高氯酸（70%-72%）8.5ml，搖勻，在室溫下緩緩滴加醋酐23ml，邊加邊搖，加完后再振搖均勻，放冷，加無水冰醋酸適量使成1000ml，搖勻，放置24小時(shí)。標(biāo)定：取在105干燥至恒重的基準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀約0.16g，精密稱定，加無水冰醋酸20ml使溶解，加結(jié)晶紫指示液1滴，用本液緩緩滴定至藍(lán)色，并將滴定的結(jié)果用空白試驗(yàn)校正。每1ml高氯酸滴定液（0.1mol/l）相當(dāng)于20.42mg的鄰苯二甲酸氫鉀。根據(jù)本液的消耗量與鄰苯二甲酸氫鉀的取用量，算出本液的濃度，即可。結(jié)晶紫：0.5冰乙酸溶液，配制方法：取結(jié)晶紫0.5g，加冰醋酸100ml使溶解，即得。冰乙酸；乙酸酐。4.1