CN1975373B - 一种测定液固反应速率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测定液固反应速率的装置及方法，该装置包括一恒温水浴锅以及设置在其中的反应容器，还包括耐腐蚀泵以及电子天平，耐腐蚀泵的排浆管及吸浆管分别与反应容器相连通，且在排浆管的管路上还设置有进样镜头，该进样镜头设置在激光粒度分析仪内，在电子天平上还设置有与反应容器相连通的液体反应物补给瓶，且在反应容器内还设置有与PH控制仪相连接的复合电极。本发明利用恒温水浴锅保温及机械搅拌的方式使反应器拥有较好的混合均匀性及温控稳定性。通过将反应液循环至激光粒度分析仪的进样窗口，实现了在不影响反应的情况下在线测量固体反应物的粒度分布数据，同时利用连至电脑的电子天平，同步记录各时刻参与反应的液体反应物的质量。

Description

一种测定液固反应速率的装置及方法

技术领域

本发明属于液固化学反应领域，具体涉及一种测定液固反应速率的装置及方法。

背景技术

液固两相化学反应是一个非常复杂的过程，除了化学反应过程外，还伴随着反应物的流动和混合以及热和质的传递都有很大影响。前者涉及的是反应动力学问题；后者属于物理效应或称为宏观传递效应。目前研究此类反应应用较为广泛的实验装置主要有间歇式、半间歇式和连续式，这些实验方法可以通过测量参与反应的反应物质量，来考查液固两相反应特征。但是，在研究液固两相化学反应时，固体反应物表面积上反应速率是一个非常重要的参数。同时，大部分试验装置在混合均匀性及温控稳定性方面都有待加强，在实验时已不能满足实验的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够保证反应器拥有较好的混合均匀性及温控稳定性，能在各种实验工况下，方便地在线测量反应过程中各时刻参与反应的反应物质量及固体反应物粒径分布数据，并依据测量结果提供计算液固反应速率的测定液固反应速率的装置及方法。

为达到上述目的，本发明的测定装置包括：恒温水浴锅以及设置在该恒温水浴锅内的反应容器，其特点是，它还包括耐腐蚀泵以及设置在支架上的电子天平，所说的耐腐蚀泵的排浆管及吸浆管分别与反应容器相连通，且在排浆管的管路上还设置有进样镜头，该进样镜头设置在激光粒度分析仪内，在电子天平上还设置有液体反应物补给瓶，该液体反应物补给瓶通过管路与反应容器相连通，且在反应容器内还设置有与PH控制仪相连接的复合电极。

本发明的液体反应物补给瓶上还设置有控制向反应容器内补给液体的电磁阀；反应容器内还设置有机械搅拌器；反应容器内还设置有温度计；PH控制仪为ZD-2型PH控制仪。

本发明的测定方法为：反应开始前，首先在液体反应物补给瓶中加入反应液体，在反应容器中加入反应初始所需的反应液体，并开启恒温水浴锅，机械搅拌器，耐腐蚀泵，pH控制仪及激光粒度分析仪，使反应容器内的溶液温度及pH值达到工况要求值；反应开始时，向反应容器中投入固体反应物，同时打开电磁阀向反应容器内补充反应液，液体反应物补给瓶下的电子天平同步记录反应液体的补给速率，激光粒度分析仪通过进样镜头在线测量反应物中的粒径分布数据；实验系统通过电子天平采集得到消溶系统数据、通过激光粒度分析仪采集得到粒径测量系统数据，根据消溶系统数据及化学反应方程式，可以得到固体反应物的反应速率dm/dt及容器中未反应的固体反应物的量M；根据得到的消溶系统数据与粒径测量系统数据，设样品总质量为M，球形颗粒的直径为x_i，其表面积为πx_i ²，体积为πx_i ³/6，当样品的质量微分分布为w₁，w₂，……，w_m时，在已知密度ρ的情况下，位于粒径区间[x_i-1，x_i](平均半径为)中的样品的颗粒数可表示为：

$n_i=M\·w_i/(\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3/6)$

$=6\·w_{i}M/\mathrm{\ρ\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3$

那么位于此粒径区间的这些颗粒的总表面积S_i就可以表示为：

$S_i=n_i\·\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^2\right)$

$=w_{i}M/(\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3/6)\·\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^2\right)$

$=6\·w_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i/\mathrm{\ρ}$

于是剩余未反应的样品颗粒总表面积为：

$A_S=6\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i/\mathrm{\ρ}$

将上述得到的总表面积与消溶系统得到的固体反应物的反应速率dm/dt相结合，就可以得到各时刻固体反应物单位表面积上的反应速率v_s：

$v_s=\mathrm{dm}/(\mathrm{dt}\·\mathrm{As})$

$=\mathrm{dm}/(\mathrm{dt}\·6\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M/\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{x}}_i)$

$=\frac{1}{6}\·\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}}\·\frac{\mathrm{\ρ}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i}$

本发明采用联带激光粒度分析仪的半间歇式系统作为实验装置，利用恒温水浴锅保温及机械搅拌的方式使反应器拥有较好的混合均匀性及温控稳定性。通过将反应液循环至激光粒度分析仪的进样窗口，实现了在不影响反应的情况下在线测量固体反应物的粒度分布数据，此为本发明的创新所在。同时利用连至电脑的电子天平，可以同步记录各时刻参与反应的液体反应物的质量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括一恒温水浴锅6以及设置在该恒温水浴锅6内的反应容器15，其特征在于：它还包括耐腐蚀泵2以及设置在支架13上的电子天平11，所说的耐腐蚀泵2的排浆管7及吸浆管8分别与反应容器15相连通，且在排浆管7的管路上还设置有进样镜头1，该进样镜头1设置在激光粒度分析仪14内，在电子天平11上还设置有液体反应物补给瓶3，该液体反应物补给瓶3通过电磁阀12与反应容器15相连通，且在反应容器15内还设置有机械搅拌器4、温度计9及复合电极10，复合电极10还与ZD-2型PH控制仪5相连接的复合电极10。

本发明的测定方法如下：

1)反应开始前，首先在液体反应物补给瓶3中加入反应液体，在反应容器15中加入反应初始所需的反应液体，并开启恒温水浴锅6，机械搅拌器4，耐腐蚀泵2，pH控制仪5及激光粒度分析仪14，使反应容器15内的溶液温度及pH值达到工况要求值；

2)反应开始时，向反应容器15中投入固体反应物，同时打开电磁阀12向反应容器15内补充反应液，液体反应物补给瓶3下的电子天平11同步记录反应液体的补给速率，激光粒度分析仪14通过进样镜头1在线测量反应物中的粒径分布数据；

3)实验系统通过电子天平采集得到消溶系统数据、通过激光粒度分析仪采集得到粒径测量系统数据，根据消溶系统数据及化学反应方程式，可以得到固体反应物的反应速率dm/dt及容器中未反应的固体反应物的量M；粒径测量系统所得到的粒径分布数据，在每个时刻，都是从小到大按一定的规则选多个代表粒径x₁，x₂，x₃，……，x_m，组成相应的粒径区间：[x₁，x₂]，[x₂，x₃]，[x₃，x₄]，……，[x_m-1，x_m]。各区间内的颗粒的相对质量：w₁，w₂，w₃，……，w_m，就组成了粒度的微分分布。将消溶系统的数据与粒径测量系统的数据相结合，就可以得到固体表面化学反应速率在反应过程中的变化规律；

4)根据得到的消溶系统数据与粒径测量系统数据，设样品总质量为M，球形颗粒的直径为x_i，其表面积为πx_i ²，体积为πx_i ³/6，当样品的质量微分分布为w₁，w₂，……，w_m时，在已知密度ρ的情况下，位于粒径区间[x_i-1，x_i](平均半径为

)中的样品的颗粒数可表示为：

$n_i=M\·w_i/(\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3/6)$

$=6\·w_{i}M/\mathrm{\ρ\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3$

那么位于此粒径区间的这些颗粒的总表面积S_i就可以表示为：

$S_i=n_i\·\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^2\right)$

$=w_{i}M/(\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^3/6)\·\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{x}}_i^2\right)$

$=6\·w_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i/\mathrm{\ρ}$

于是剩余未反应的样品颗粒总表面积为：

$A_S=6\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i/\mathrm{\ρ}$

将上述得到的总表面积与消溶系统得到的固体反应物的反应速率dm/dt相结合，就可以得到各时刻固体反应物单位表面积上的反应速率v_s：

$v_s=\mathrm{dm}/(\mathrm{dt}\·\mathrm{As})$

$=\mathrm{dm}/(\mathrm{dt}\·6\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M/\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{x}}_i)$

$=\frac{1}{6}\·\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}}\·\frac{\mathrm{\ρ}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i}M{\stackrel{\‾}{x}}_i}$

为了更清楚的描述本发明，下面结合发明人完成的实施例对本发明作进一步详细描述。

依照本发明的技术方案，对石灰石在酸中的消溶进行实验研究。为了避免用硫酸溶解石灰石生成的石膏附着在石灰石表面，实验采用盐酸模拟实际烟气中的二氧化硫研究石灰石的消溶规律。实验中将约1.2g的石灰石粉一次性给入0.3M的CaCl₂溶液中，用于消溶石灰石的0.1M的盐酸的补给是连续的。反应瓶中加入石灰石粉后，由于石灰石的溶解，浆液的pH值开始升高，此时自动电位滴定仪根据设定的pH值调节盐酸的补给速度来维持反应瓶的pH值，用连接至电脑的电子天平自动记录盐酸的滴定量。耐腐蚀浆泵将反应液从反应瓶循环至激光粒度分析仪测试窗口，在线分析浆液中的粒径分布。搅拌器保证反应瓶中的反应液混合均匀。恒温水浴锅保证反应瓶中的反应液温度控制在设定值。于是可以记录石灰石在动态消溶过程中颗粒粒径的变化。此实验可以通过改变反应石灰石的品种、反应瓶的温度和pH值得到在不同工况下石灰石消溶过程中的粒径变化规律。按照本方法中提出的计算固体表面化学反应速率的计算方法，便可以计算得到石灰石颗粒单位表面积上消溶速率在反应过程中的变化规律。

由于在脱硫中，石灰石的溶解过程是重要的控制步骤之一，于是按照本方法所执行的上述实例，对于研究脱硫过程中石灰石的化学反应动力学具有十分重要的意义。

Claims (4)

1.一种测定液固反应速率的装置，包括一恒温水浴锅(6)以及设置在该恒温水浴锅(6)内的反应容器(15)，其特征在于：它还包括耐腐蚀泵(2)以及设置在支架(13)上的电子天平(11)，所说的耐腐蚀泵(2)的排浆管(7)及吸浆管(8)分别与反应容器(15)相连通，且在排浆管(7)的管路上还设置有进样镜头(1)，该进样镜头(1)设置在激光粒度分析仪(14)内，在电子天平(11)上还设置有液体反应物补给瓶(3)，该液体反应物补给瓶(3)通过管路与反应容器(15)相连通，且在反应容器(15)内还设置有与PH控制仪(5)相连接的复合电极(10)。

2.根据权利要求1所述的测定液固反应速率的装置，其特征在于：所说的液体反应物补给瓶(3)上还设置有控制向反应容器(15)内补给液体的电磁阀(12)。

3.根据权利要求1所述的测定液固反应速率的装置，其特征在于：所说的反应容器(15)内还设置有机械搅拌器(4)。

4.根据权利要求1所述的测定液固反应速率的装置，其特征在于：所说的反应容器(15)内还设置有温度计(9)。