實驗2 全混流反應(yīng)器返混性能測試

實驗2 全混流反應(yīng)器返混性能測試

一. 實驗?zāi)康?/p>

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(xué)會用理想反應(yīng)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(yīng)器中進行化學(xué)反應(yīng)時，反應(yīng)進行的程度除了與反應(yīng)系統(tǒng)本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間長短有密切關(guān)系。停留時間越長，則反應(yīng)越完全。停留時間通常是指從流體進入反應(yīng)器時開始，到其離開反應(yīng)器為止的這一段時間。顯然對流動反應(yīng)器而言，停留時間不像間歇反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)流速分布的不均勻，流體的擴散，以及反應(yīng)器內(nèi)的死區(qū)等。

停留時間分布的測定不僅廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程及化工分離過程，而且應(yīng)用于涉及流動過程的其它領(lǐng)域。它也是反應(yīng)器設(shè)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(yīng)法。它的基本思路是：在反應(yīng)器入口以一定的方式加入示蹤劑，然后通過測量反應(yīng)器出口處示蹤劑濃度的變化，間接地描述反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)，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(yīng)器。與此同時，在反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)停留時間介于t到t+dt之間的概率。

在反應(yīng)器出口處測得的示蹤劑濃度c(t)與時間t的關(guān)系曲線叫響應(yīng)曲線。由響應(yīng)曲線就可以計算出E（t）與時間t的關(guān)系，并繪出E（t）～t關(guān)系曲線。計算方法是對反應(yīng)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(guān)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(xué)期望和方差。 數(shù)學(xué)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(yīng)器模型關(guān)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(yīng)器σt=0；而對全混流反應(yīng)器σt=t；對介于上述兩種理想反應(yīng)器∞

之間的非理想反應(yīng)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(yīng)器可以用N個等體積的全混流反應(yīng)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(yīng)器串聯(lián)模型。

三. 實驗裝置

1. 實驗流程示意圖

2. 裝置技術(shù)指標及流程示意圖

(1) 釜式反應(yīng)器1.5L，直徑110mm，高120mm，有機玻璃制成，3個。釜式反應(yīng)器 直徑160mm，

高120mm，有機玻璃制成，1個。

(2) 攪拌馬達25W，轉(zhuǎn)數(shù)90-1400轉(zhuǎn)/分，無級變速調(diào)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(nèi)。

(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(dǎo)線連接是否正確。

2. 實驗操作

(1) 打開總電源開關(guān)，開啟入水閥門，向水槽內(nèi)注水，啟動水泵，慢慢打開進水轉(zhuǎn)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(diào)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(guān)，后再調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的旋鈕，使攪拌速度

在200-250r/min。開啟電導(dǎo)儀總開關(guān)，按電導(dǎo)率儀使用說明書分別調(diào)節(jié)“調(diào)零”、調(diào)溫度和電極常數(shù)等。調(diào)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(shè)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(jié)束后，點擊“停止采集”，再保存曲線圖（注意：不能點擊“結(jié)束實驗”，否則

會丟失曲線圖）。

(5) 待測試完成，點擊“結(jié)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(fù)三、四次。

(2) 關(guān)閉各水閥門、電源開關(guān)，打開釜底排水閥，將水排空。

(3) 退出實驗程序，關(guān)閉計算機。

五、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理

1．實驗內(nèi)容

（1）用脈沖示蹤法測定釜式攪拌反應(yīng)器停留時間分布；

（2）改變水流量或示蹤劑加入量，觀察反應(yīng)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(xué)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(jié)果，檢驗是否已接近理想流動模型？

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