實驗2 全混流反應器返混性能測試
實驗2 全混流反應器返混性能測試
一. 實驗目的
1. 通過實驗了解停留時間分布測定的基本原理和實驗方法。
2. 掌握停留時間分布的統(tǒng)計特征值的計算方法。
3. 學會用理想反應器的串聯(lián)模型來描述實驗系統(tǒng)的流動特性。
二. 實驗原理
在連續(xù)流動反應器中進行化學反應時，反應進行的程度除了與反應系統(tǒng)本身的性質有關以外，還與反應物料在反應器內停留時間長短有密切關系。停留時間越長，則反應越完全。停留時間通常是指從流體進入反應器時開始，到其離開反應器為止的這一段時間。顯然對流動反應器而言，停留時間不像間歇反應器那樣是同一個值，而是存在著一個停留時間分布。造成這一現(xiàn)象的主要原因是流體在反應器內流速分布的不均勻，流體的擴散，以及反應器內的死區(qū)等。
停留時間分布的測定不僅廣泛應用于化學反應工程及化工分離過程，而且應用于涉及流動過程的其它領域。它也是反應器設計和實際操作所必不可少的理論依據(jù)。
停留時間分布測定所采www.ishadingyu.com用的方法主要是示蹤響應法。它的基本思路是：在反應器入口以一定的方式加入示蹤劑，然后通過測量反應器出口處示蹤劑濃度的變化，間接地描述反應器內流體的'停留時間。常用的示蹤劑加入方式有脈沖輸入、階躍輸入和周期輸入等。本實驗選用的是脈沖輸入法。
脈沖輸入法是在極短的時間內，將示蹤劑從系統(tǒng)的入口處注入注流體，在不影響主流體原有流動特性的情況下隨之進入反應器。與此同時，在反應器出口檢測示蹤劑濃度c(t)隨時間的變化。整個過程可以用圖1形象地描述。
由概率論知識可知，概率分布密度函數(shù)E(t)就是系統(tǒng)的停留時間分布密度函數(shù)。因此，
E（t）dt就代表了流體粒子在反應器內停留時間介于t到t+dt之間的概率。
在反應器出口處測得的示蹤劑濃度c(t)與時間t的關系曲線叫響應曲線。由響應曲線就可以計算出E（t）與時間t的關系，并繪出E（t）～t關系曲線。計算方法是對反應器作示蹤劑的物料衡算，即
Qc(t)dt=mE(t)dt （1） 式中Q表示主流體的流量，m為示蹤劑的加入量。示蹤劑的加入量可以用下式計算 m=?Qc(t)dt 0∞ （2）
在Q值不變的情況下，由（1）式和（2）式求出：
E(t)=c(t)
?0
∞∞c(t)dt （3） 關于停留時間分布的另一個統(tǒng)計函數(shù)是停留時間分布函數(shù)F(t),即 F(t)=?0 E(t)dt （4）
用停留時間分布密度函數(shù)E（t）和停留時間分布函數(shù)F（t）來描述系統(tǒng)的停留時
間，給出了很好的統(tǒng)計分布規(guī)律。但是為了比較不同停留時間分布之間的差異，還需要引入另外兩個統(tǒng)計特征值，即數(shù)學期望和方差。 數(shù)學期望對停留時間分布而言就是平均停留時間t,即
∞?0tE(t)dt
?0E(t)dt∞t==?0tE(t)dt （5）
方差是和理想反應器模型關系密切的參數(shù)。它的定義是：
σt2=?0t2E(t)dt-t2 （6）
222對活塞流反應器σt=0；而對全混流反應器σt=t；對介于上述兩種理想反應器∞
之間的非理想反應器可以用多釜串聯(lián)模型描述。多釜串聯(lián)模型中的模型參數(shù)N可以由實驗數(shù)據(jù)處理得到的σt來計算。
N=σ2322 （7）
當N為整數(shù)時，代表該非理想流動反應器可以用N個等體積的全混流反應器的串聯(lián)來建立模型。當N為非整數(shù)時，可以用四舍五入的方法近似處理，也可以用不等體積的全混流反應器串聯(lián)模型。
三. 實驗裝置
1. 實驗流程示意圖
2. 裝置技術指標及流程示意圖
(1) 釜式反應器1.5L，直徑110mm，高120mm，有機玻璃制成，3個。釜式反應器 直徑160mm，
高120mm，有機玻璃制成，1個。
(2) 攪拌馬達25W，轉數(shù)90-1400轉/分，無級變速調節(jié)。
(3) 液體(水)流量0-100L/h。
(4) 電磁閥控制示蹤劑進入量5-10毫升/次。
四. 操作步驟
1. 準備工作
(1) 將飽和KCl液體注入標有KCl的儲瓶內。
(2) 連接好入水管線，打開自來水閥門，使管路充滿水。
(3) 檢查電極導線連接是否正確。
2. 實驗操作
(1) 打開總電源開關，開啟入水閥門，向水槽內注水，啟動水泵，慢慢打開進水轉子流量
計的閥門(注意：初次通水必須排凈管路中的所有氣泡，特別是死角處)。調節(jié)水流量維持在20-60L/h之間某值，直至各釜充滿水，并能正常地從最后一級流出。
(2) 分別開啟釜1或（釜2、釜3和釜4）攪拌開關，后再調節(jié)轉速的旋鈕，使攪拌速度
在200-250r/min。開啟電導儀總開關，按電導率儀使用說明書分別調節(jié)“調零”、調溫度和電極常數(shù)等。調整完畢，備用。
(3) 開啟計算機電源，打開“多釜串聯(lián)返混程序”。首先進行“參數(shù)設定”，然后選擇“單
釜實驗”或“多釜實驗”。待實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定，點擊“開始實驗”，開始采集數(shù)據(jù)。
(4) 實驗結束后，點擊“停止采集”，再保存曲線圖（注意：不能點擊“結束實驗”，否則
會丟失曲線圖）。
(5) 待測試完成，點擊“結束實驗”按鈕。
3. 停車
(1) 實驗完畢，排出KCl溶液，并用水沖洗電磁閥及管路，反復三、四次。
(2) 關閉各水閥門、電源開關，打開釜底排水閥，將水排空。
(3) 退出實驗程序，關閉計算機。
五、實驗內容與數(shù)據(jù)處理
1．實驗內容
（1）用脈沖示蹤法測定釜式攪拌反應器停留時間分布；
（2）改變水流量或示蹤劑加入量，觀察反應器中的返混程度。
2. 實驗數(shù)據(jù)處理
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算停留時間的主要數(shù)字特征和模型參數(shù)。
平均停留時間 /s 停留時間的數(shù)學期望 /s 停留時間分布的方差 σt2 /s2
停留時間分布的無因次方差 σθ2
多級全混流模型參數(shù) N /
六、思考題
1．加入示蹤劑時有哪些注意事項？
2．本實驗中影響模型參數(shù)的主要因素有哪些？
3. 根據(jù)實驗結果，檢驗是否已接近理想流動模型？
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