管式反应器流动特性测定.ppt

授课单位：石油化工学院主讲教师：李春雷授课时间：2013年秋季学期,化工综合专业实验,管式反应器流动特性测定,2,管式反应器流动特性测定,实验目的实验原理实验装置及流程操作步骤数据处理思考与讨论,3,1、实验目的,本实验通过管式循环反应器中停留时间分布的测定，通过数据处理用多釜串联模型来定量管式反应器不同循环比下的返混程度，认识限制返混的措施。本实验目的为：(1)握停留时间分布的测定方法；(2)了解连续均相管式循环反应器的返混特性；(3)分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征；(4)研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n。,4,2、实验原理,在连续均相管式循环反应器中，若循环流量等于零，则反应器的返混程度与平推流反应器相近，由于管内流体的速度分布和扩散，会造成较小的返混。若有循环操作，则反应器出口的流体被强制返回反应器入口，也就是返混。返混程度的大小与循环流量有关，通常定义循环比R为：,5,2、实验原理(续),循环比R是连续均相管式循环反应器的重要特征，可自零变至无穷大。当R=0时，相当于平推流管式反应器。当R=时，相当于全混流反应器。对于连续均相管式循环反应器，可以通过调节循环比R，得到不同返混程度的反应系统。一般情况下，循环比大于20时，系统的返混特性已经非常接近全混流反应器。,6,2、实验原理(续),返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。,7,2、实验原理(续),停留时间分布的测定方法有阶跃法、脉冲法等，常用的是脉冲法。脉冲法是当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪剂的浓度变化。由停留时间分布密度函数的物理含义，可知：,8,2、实验原理(续),由式可见，与示踪剂浓度成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和氯化钾溶液作示踪剂，在反应器出口检测溶液电导值。在一定范围内，浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系。所测系统的物料停留时间密度函数正比于系统出口处KCl水溶液的电导值。即，为t时刻的电导值，为水溶液无示踪剂时电导值。,9,2.实验原理(续),停留时间分布密度函数在概率论中有二个特征值，平均停留时间（数学期望）和方差。的表达式为：,采用离散形式表达，并取相同时间间隔则：,（4）,（5）,10,2、实验原理(续),的表达式为：,采用离散形式表达，并取相同时间间隔则：,（6）,（7）,11,2、实验原理(续),若用无因次对比时间来表示：,无因次方差：,在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。,12,2、实验原理(续),所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况与若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值,并不代表反应器个数，n称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无因次方差与模型参数n之间存在的关系。,13,2、实验原理(续),无因次方差与模型参数n之间存在的关系如下：,当，为全混釜特征；,（8）,当，为平推流特征；,当1，1，为实际反应器内的流动特征。这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于正整数。,14,3、预习与思考,脉冲示踪法对示踪剂的要求是什么？,示踪剂与流体互溶并且易于检测到。,若进口流量15升/小时，循环比要求0，3，5，则循环流量分别控制为多少？,循环流量分别控制为0，45，75升/小时。,返混的结果是什么？,改变了反应物的浓度分布，造成物料的停留时间分布。,15,3、预习与思考（续）,循环管式反应器中循环比与实验结果的关系是怎样的？,R越大，方差越大；R越小，模型参数越大。,在管式反应器中，减小返混的措施有哪些？,填充固体填料；提高高径比。,本实验采用哪个反应器模型描述返混程度？,多釜串联模型。,16,4、实验装置及流程,实验装置如图所示，由管式反应器和循环系统组成。循环泵开关在仪表屏上控制，流量和循环比由循环管阀门控制，流量直接由转子流量计读出，单位是：升/小时。实验时，进水从转子流量计调节流入系统，稳定后在系统的入口处（反应管下部进样口）快速注入示踪剂(2ml)，由系统出口处电导电极检测示踪剂浓度变化，并显示在电导仪上。实验装置图实验流程图,17,5、实验操作,5.1准备工作(1)配置饱和KCl液体；(2)连接好入水管线；(3)检查电极导线连接是否正确；(4)开启计算机；(5)将饱和KCl液体缓慢吸入示踪剂注射器内（避免产生气泡，吸入量1mL）。,18,5.2操作步骤,(1)通水，开启水源，让水注满反应管，并从塔顶稳定流出，调节进水流量为一稳定值（10L/H）。(2)通电，开启电源开关。(3)打开“管式循环反应器数据采集”软件，并填写有关数据；(4)循环时，开循环泵，用循环阀门调节流量；（R=3,0.5;R=6,1.0;R=9,1.5）不循环时，关泵，关紧循环阀门。,5、实验操作（续）,GMP=加仑/分钟LPM=1升/分钟=60升/小时,19,5.3进样操作,待系统稳定后，用注射器迅速注入示踪剂，同时点击软件上“开始”图标；观察电导率数据的变化；当电脑记录显示的曲线在1min内基本觉察不到变化时，即认为终点己到。点击“结束”，以组号作为文件名保存文件，打印实验数据。(5)改变条件采用不同循环比，重复上述步骤。,5、实验操作（续）,20,5.4实验操作注意事项,实验做两个不同循环比，注入示踪剂要小于2ml,本次实验确定为1mL；调节流量稳定后方可注入示踪剂，整个操作过程中注意观察和控制流量；抽取示踪剂时勿吸入底层晶体，以免堵塞；示踪剂要求一次迅速注入，若遇针头堵塞，不可强行推入，应拔出后重新操作；一旦失误，应等示踪剂出峰全部走平后，再重做。（先请示老师确定）。,5、实验操作（续）,21,1.选择一组实验数据，用离散方法计算平均停留时间、方差，从而计算无因次方差和模型参数，要求写清计算步骤；2.列出数据处理结果表。