连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定

一、 实验目的

连续流动搅拌釜式反应器与管式反应器相比较，就生产强度或溶剂效率而论，搅拌釜式反应器不如管式反应器，但搅拌釜式反应器具有其独特性能，在某些场合下，比如对于反应速度较慢的液相反应，选用连续流动的搅拌釜式反应器就更为有利，因此，在工业上，这类反应器有着特殊的效用。

对于液相反应动力学研究来说，间歇操作的搅拌釜式反应器和连续流动的管式反应器都不能直接测得反应速度，而连续操作的搅拌釜式反应器却能直接测得反应速度。但连续流动搅拌釜式反应器的性能显著地受液体的流动特性的影响。当连续流动搅拌釜式反应器的流动状况达到全混流时，即为理想流动反应器一一全混流反应器，否则为非理想流动反应器。在全混流反应器中，物料的组成和反应温度不随时间和空间而变化，即浓度和温度达到无梯度，流出液的组成等于釜内液的组成。对于偏离全混流的非理想流动搅拌釜式反应器，则上述状况不复存在。因此，用理想的连续搅拌釜式反应器(全混流反应器)可以直接测得本征的反应速度，否则，测得的为表观反应速度。

用连续流动搅拌釜式反应器进行液相反应动力学，通常有三种实验方法：连续输入法、脉冲输入法和阶跃输入法。本实验采用连续输入的方法，在定常流动下，实验测定乙酸乙酯皂化反应的反应速度和反应常数。同时，根据实验测得不同温度下的反应速度常数，求取乙酸乙酯皂化反应的活化能，进而建立反应速度常数与温度关系式(Arrheniusformula)的具体表达式。通过实验练习初步掌握一种液相反应动力学的实验研究方法。并进而加深对连续流动反应器的流动特性和模型的了解;加深对液相反应动力学和反应器原理的理解。

二、 实验原理

反应速度

连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程：

「人。-Fa-!v(-rA)dV=今

对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为

以--W=° (2)

或可表达为

(-r)=Fao—「a

AV

(3)

式中；Fao一一流入反应器的着眼反应物A的摩尔流率，mo1-s-1；

Fa——流出反应器的着眼反应物A的摩尔流率，mo1-s-1

(-rA) 以着眼反应物A的消耗速度来表达的反应速度，mo1.m-3.s-1

由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值。

V——反应器的有效容积，m-3

dnA,dt——在反应器内着眼反应物A的累积速率，mo1-s-1。当操作过程为

定常态时，累积速率为零。

对于恒容过程(恒温下的液相反应通常可视为恒容过程)而言，反应前后体积流率不

变，即流入反应器的体积流率匕.0等于流出反应器的体积流率匕。若反应物A的起始浓

、.C度为A.0，

反应器出口亦即反应器内的反应物A的浓度为Ca，则式可改写为

(-r)=CA.0f=CA.0f

AV/Vs。 T

(4)

式中T

=V/V

Vs.0即为空间时间。对于恒容过程，进出口又无返混时，则空间时间也就

是平均停留时间。

因此，当V和匕.0一定时，只要实验测得CA.0和CA，即可直接测得在一定温度下的

反应速度(-a)

2.反应速度常数

乙酸乙酯皂化反应为双分子反应，其化学计量关系式为

CHCOOCH+NaOH

(A)2 (B)

CHCOONa+CHOH

3(C) 2(D)

因为该反应为双分子反应，则反应速度与反应物浓度的关系式可表示为

(=)=kCACB

(5)

本实验中，反应物A和B采用相同的浓度和相同的流率，则上式可简化为

(-r)=kC2

(6)

将上式线性化后，可得

lg(-rA)=2lgCA+lgk

(7)

当反应温度T和反应器有效容积V一定时，可利用改变流率的方法，测得不同的CA下

的反应速度(-r?。由lg(-rA)对1gCA进行标绘，可得到一条直线。可由直线的截距1gk

求取k值。或用最小二乘法进行回归求得k值。

3.活化能

如果按照上述方法，测得两种温度气和D下的反应速度常数k1和*2，则可按照

阿累尼乌斯(Arrhenius)公式计算该反应的活化能E，即

(9)

式中：R为理想气体常数。R=314八mo1tK-1

再由T1、k1(或J

k一 … . . . …

k2)和E可计算地得到指前因子A，从而可建立计算不同

温度下的反应速度常数的经验公式，即阿累尼乌斯公式的具体表达式。

4.质量检测

本实验中采用电导法测量反应物A的浓度变化。对于乙酸乙酯皂化反应，参与导电的

N+oh_“CHCOO-N+~l^.l』“OH— 一」i一十

离子有a、OH和3 ，a在反应刖后浓度不变，OH的迁移率远大于

CH3CO0-的迁移率。随着反应