连续流动反应器中的返混测定

连续流动反应器中的返混测定连续流动反应器中的返混测定 1153640 1153640 杨磊杨磊 F F 组组 一 实验目的一 实验目的 1 掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法 2 了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系 3 了解概率论建立数学模型的方法 了解参数 n 的物理意义及计算方法 4 借助完成实际反应器的单釜 多釜串联和管式固定床反应器的停留时间分布的测定 确定其返混程度 2 2 实验原理实验原理 1 数学模型概念与性质 分布函数 设 X 是一个随机变量 x 是任意实数 函数 F x P X x 称为 X 的分布函数 如果将 X 看成是数轴上的随机点的坐标 那分布函数 F x 在 x 处的函数值就表示 X 落在区 间 x 上的概率 分布密度 表示瞬时幅值落在某指定范围内的概率 也是指连续随机变量在某点处概率极 限值 其为分布函数的导数 数学期望 在概率论和统计学中 一个离散性随机变量的期望值是试验中每次可能结果的 概率乘以其结果的总和 期望值是随机试验在同样的机会下重复多次的结果计算出的等同 期望 的平均值 方差 方差是各个数据与平均数之差的平方的和的平均数 用字母 D 表示 方差用来度量 随机变量和其数学期望之间的偏离程度 2 化工过程原理 在连续流动的釜式反应器内 激烈的搅拌使得反应器内物料发生混合 反应器出口处的物 料会返回流动与进口处物料混合 形成空间上的返混 为限制空间返混的发生程度 通常 从几何空间上将一个反应釜分成多个反应釜 可以使返混程度降低 在连续流动的釜式反应器内 不同停留时间的物料之间的混合形成时间上的返混 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 停留时间分布的测定方法有脉冲法 阶跃法等 常用的是脉冲法 当系统达到稳定后 在 系统的入口处瞬间注入一定量 Q 的示踪物料 同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度 变化 3 模型建立与公式推导 由停留时间分布密度函数的物理含义及物料衡算 可知 Q f t dtV C t dt 1 示踪剂加入量符合 0 dttVCQ 2 由 1 与 2 可得停留时间分布密度函数 dttC tC dttVC tVC tf 00 3 由此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 tf tC 以饱和 KCl 作示踪剂 在反应器出口处检测溶液电导值 在一定范围内 KCl 浓度与电导 值L成正比 则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系 即 这里 tLtf 为t时刻的电导值 为无示踪剂时电导值 LLtL tt L L 停留时间分布密度函数在概率论中有二个特征值 即平均停留时间 数学期望 tf 和方差 与的表达式为 t 2 t t 2 t 0 0 0 dttC dtttC dtttft 4 2 0 2 0 2 2 tdttftdttftt t 5 采用离散形式表达 并取相同时间间隔则 t tL tLt ttC tttC t 6 2 2 2 2 2 t tL tLt t tC tCt t 7 若用无因次对比时间来表示 即 无因次方差 tt 222 t t 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 所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为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 2 参数 n 存在关系为 2 1 n 8 当 为全混釜特征 1 n1 2 当 为平推流特征 n0 2 这里 n 是模型参数 是个虚拟釜数 并不限于整数 3 3 实验装置实验装置 实验装置如图所示 由填料管式反应器与三釜串联二个系统组成 三釜串联反应器中每个釜的体积为 0 5L 用可控硅直流调速装置调速 可测定第一釜 和第三釜的停留时间分布 填料管式反应器系统由 40 5 长 700mm 有机玻璃管制成 内部填料为 5mm 的拉西环或 4 6mm 玻璃珠 该反应器设有产物循环通道 循环流用循 环比 R 表示 即循环体积流量和离开反应体积流量之比 可通过调节循环比 R 来改变填料 管式反应器内的返混程度 实验时 水分别从二个转子流量计流入二个系统 稳定后在二个系统的入口处分别快 速注入示踪剂 由每个反应釜出口处电导电极检测示踪剂浓度变化 并由记录仪自动录下 来 其他试剂和仪器 示踪剂饱和氯化钾溶液 400ml 以上 瓶装 500ml 烧杯 2 个 将瓶中饱和氯化钾上清液小心倒入烧杯中约 200ml 半杯 尽量防止倒 入氯化钾结晶 5ml 注射器 4 只 两用两备 7 号注射器针头 4 只 两用两备 4 4 实验操作与步骤实验操作与步骤 1 1 多釜串联操作 多釜串联操作 1 通水 开启水开关 让水注满反应釜 调节进水流量为 15 50L H 保持流量稳定 2 通电 开启电源开关 1 打开计算机数据采集系统 设定参数值 两个通道同时打开 2 开电导仪 调整好 以备测量 3 开动搅拌器 搅拌转速决定了混合状态 三釜转速处在 200 800 r min 3 待系统流量稳定后 用注射器迅速注入示踪剂 KCl 饱和溶液 同时按计算机数据采集 系统的 开始 键 记录电导率随时间变化轨迹 4 当计算机画面显示的电导率值呈直线 基本不变化时 即认为终点己到 按 结束 键 同时保存并打印结果 5 关闭仪器 电源 水源 排清釜中料液 实验结束 2 2 填料管式反应器操作 填料管式反应器操作 1 通水 开启水开关 让水注满反应釜 调节进水流量为 15 50L H 保持流量稳定 2 通电 开启电源开关 1 打开计算机数据采集系统 设定参数值 2 开电导仪 调整好 以备测量 3 关闭多釜串联阀 将电导开关按至管式 3 待系统流量稳定后 用注射器迅速注入示踪剂 KCl 饱和溶液 同时按计算机数据采集系 统的 开始 键 记录电导率随时间变化轨迹 4 当计算机画面显示的电导率值在 2min 内觉察不到变化时 即认为终点己到 按 结束 键 同时保存并打印结果 5 开启循环泵 调节循环流量 记录循环比 五 注意事项五 注意事项 1 整个实验过程 要注意控制流量稳定 2 示踪剂饱和 KCl 溶液需一次迅速注入 例如 1 3 秒之内 3 用注射器抽取饱和 KCl 溶液时 注意不要抽到底层 KCl 结晶 以免堵塞针头 如果针 头堵塞 切勿强推注入 而应拔出重做 4 一旦失误 应该等示踪剂出峰全部走平后重做 或在老师指导下 把水全部排放后置 换清水重做 6 实验数据记录与处理实验数据记录与处理 填料管式 无循环 20L h 1mlKCl 积分面积 9 217 对上图 分布密度函数 积分后得分布函数 t min t t t t 2 t 0 61420 0210 002 0 008 0 69723 090 335 1 502 0 780211 0961 204 6 754 0 863216 5471 795 12 329 0 946217 1831 864 15 384 1 029214 71 595 15 571 1 112211 2761 223 13 948 1 19527 9110 858 11 301 1 27825 3780 583 8 787 1 36123 4480 374 6 389 1 44422 2710 246 4 737 1 52721 4720 160 3 433 1 61020 9340 101 2 422 1 69320 6120 066 1 755 1 77620 4020 044 1 268 1 85920 250 027 0 864 1 94220 1530 017 0 577 2 02520 0860 009 0 353 2 10820 0370 004 0 164 2 19120 0040 000 0 019 求和 10 510 107 565 t 2 2N 0 871 8 918 0 08511 745 填料管式 无循环 30L h 1mlKCl 积分面积 6 674 t t t t t 2 t 0 39670 003 0 001 0 000 0 44650 395 0 176 0 079 0 49631 483 0 736 0 365 0 54612 315 1 264 0 690 0 59592 500 1 490 0 888 0 64582 209 1 426 0 921 0 69561 723 1 198 0 834 0 74541 239 0 923 0 688 0 79520 838 0 666 0 530 0 8450 527 0 445 0 376 0 89480 339 0 303 0 271 0 94460 229 0 217 0 205 0 99440 145 0 144 0 143 1 04420 092 0 096 0 100 1 0940 057 0 062 0 068 1 14380 036 0 041 0 047 1 19360 023 0 028 0 033 1 24340 015 0 018 0 022 1 29320 007 0 009 0 012 1 3430 001 0 002 0 002 求和 9 246 6 275 t 2 2N 0 459 0 311 0 676 1 479 填料管式 循环 20 30L h 循环比 R 3 1 1mlKCl 积分面积 7 487 t t t t t 2 t 0 36350 003 0 001 0 000 0 52951 903 1 008 0 534 0 69560 314 0 218 0 152 0 86160 035 0 030 0 026 1 02760 252 0 259 0 266 1 19360 662 0 790 0 942 1 35960 288 0 391 0 532 1 52560 072 0 110 0 167 1 69160 135 0 229 0 387 1 85760 230 0 427 0 793 2 02360 135 0 273 0 553 2 04020 122 0 250 0 509 2 18960 049 0 108 0 236 2 35560 055 0 130 0 306 2 52160 076 0 192 0 484 2 68760 051 0 136 0 367 2 85360 021 0 059 0 169 3 01960 016 0 049 0 147 3 18560 020 0 063 0 199 3 35160 012 0 040 0 135 3 51760 001 0 005 0 018 求和 4 766 6 922 t 2 2N 0 790 1 148 0 544 1 837 填料管式 循环 30 40L h 循环比 R 4 1 1mlKCl 积分面积 7 822 t t t t t 2 t 0 30210 021 0 006 0 002 0 46811 406 0 658 0 308 0 63410 165 0 104 0 066 0 80010 343 0 275 0 220 0 96610 697 0 673 0 651 1 13210 184 0 209 0 236 1 29810 228 0 296 0 385 1 46410 336 0 492 0 721 1 63010 142 0 231 0 376 1 79610 125 0 225 0 403 1 96220 156 0 305 0 599 2 12820 083 0 177 0 377 2 29420 064 0 146 0 335 2 46020 069 0 170 0 417 2 62620 041 0 107 0 281 2 79220 028 0 079 0 219 2 95820 026 0 078 0 230 3 12420 015 0 047 0 146 3 29020 008 0 026 0 084 3 45620 005 0 018 0 063 3 62220 000 0 001 0 005 4 323 6 126 t 2 2N 0 717 1 016 0 506 1 976 单釜 40L h 300r min 1mlKCl 积分面积 24 163 t t t t t 2 t 0 14280 001 0 000 0 000 0 39180 592 0 232 0 091 0 64080 476 0 305 0 195 0 88980 379 0 337 0 300 1 13880 300 0 341 0 389 1 38780 237 0 329 0 457 1 63680 188 0 307 0 503 1 80280 161 0 290 0 524 2 05180 127 0 260 0 534 2 30080 100 0 229 0 528 2 54980 079 0 201 0 513 2 79880 062 0 174 0 488 3 04780 049 0 149 0 454 3 29680 038 0 127 0 418 3 46280 033 0 115 0 397 3 71180 026 0 096 0 356 3 96080 020 0 080 0 316 4 20980 016 0 068 0 285 4 45880 013 0 056 0 250 4 70780 010 0 046 0 216 4 95680 007 0 037 0 183 5 12280 006 0 033 0 171 5 28880 006 0 029 0 154 5 62090 004 0 023 0 127 5 86990 003 0 018 0 104 求和 3 882 7 950 t 2 2N 0 966 1 979 0 472 2 120 单釜 30L h 500r min 1mlKCl 积分面积 33 085 t t t t t 2 t 0 11290 001 0 000 0 000 0 52790 427 0 226 0 119 0 94290 322 0 304 0 286 1 35790 242 0 328 0 445 1 77290 181 0 321 0 570 2 18790 135 0 296 0 648 2 60290 101 0 262 0 683 3 01790 075 0 227 0 686 3 43290 056 0 192 0 660 3 84790 041 0 159 0 611 4 26290 031 0 131 0 560 4 6780 023 0 106 0 497 5 0930 017 0 086 0 437 5 5080 012 0 068 0 373 5 9230 009 0 055 0 326 6 3380 007 0 043 0 272 6 7530 005 0 033 0 225 7 1680 004 0 027 0 194 7 5830 003 0 019 0 146 7 9980 002 0 016 0 128 8 4130 001 0 012 0 098 求和 2 912 7 964 t 2 2N 1 208 3 304 0 442 2 264 单釜 30L h 300r min 1mlKCl 积分面积 23 275 t minl mvt lT 2 L 0 757 9 581 7 253 1 156 1 421 4 986 7 085 0 500 2 085 2 550 5 317 2 452 2 749 1 301 3 576 3 519 3 413 0 656 2 239 3 496 4 077 0 329 1 341 2 907 4 741 0 178 0 844 2 354 5 405 0 101 0 546 1 868 6 069 0 071 0 431 1 750 6 733 0 049 0 330 1 552 7 397 0 047 0 348 1 861 8 061 0 046 0 371 2 226 8 725 0 050 0 436 2 904 9 389 0 044 0 413 3 020 10 053 0 043 0 432 3 443 10 717 0 040 0 429 3 696 11 381 0 034 0 387 3 591 12 045 0 035 0 422 4 190 12 709 0 044 0 559 5 926 12 958 0 035 0 454 4 918 s 33 212 57 330 23 275 平均时间1 104 方差 0 640 N1 563 三釜 40L h 300r min 1mlKCl 积分面积 25 730 t t t t t 2 t 0 3320 001 0 000 0 000 0 82670 051 0 043 0 035 1 32470 127 0 169 0 224 1 82270 178 0 325 0 593 2 32070 197 0 457 1 060 2 81870 191 0 539 1 519 3 31670 171 0 568 1 885 3 81470 145 0 553 2 108 4 31270 117 0 504 2 174 4 81080 091 0 440 2 116 5 30880 070 0 369 1 961 5 80680 051 0 298 1 732 6 30480 037 0 236 1 486 6 80280 027 0 181 1 234 7 30080 019 0 136 0 994 7 79880 013 0 102 0 794 8 29680 009 0 073 0 607 8 79480 006 0 052 0 457 9 29280 004 0 036 0 339 9 79080 003 0 025 0 250 求和 5 108 21 569 t 2 2N 2 543 10 738 0 602 1 661 三釜 30L h 500r min 1mlKCl 积分面积 35 523 t t t t t 2 t 0 51 0 00 0 00 0 00 1 17 0 05 0 06 0 07 1 83 0 11 0 20 0 36 2 50 0 14 0 35 0 87 3 16 0 15 0 47 1 49 3 83 0 14 0 54 2 08 4 49 0 13 0 56 2 53 5 15 0 10 0 54 2 79 5 82 0 08 0 49 2 86 6 48 0 07 0 43 2 77 7 15 0 05 0 36 2 56 7 81 0 04 0 29 2 28 8 47 0 03 0 23 1 96 9 14 0 02 0 18 1 65 9 80 0 01 0 14 1 35 10 47 0 01 0 10 1 07 11 13 0 01 0 07 0 83 11 79 0 00 0 05 0 62 12 46 0 00 0 04 0 45 13 12 0 00 0 02 0 31 13 79 0 00 0 01 0 20 求和 5 15 29 10 t 2 2N 3 42 19 32 0 60 1 65 三釜 30L h 300r min 1mlKCl 积分面积 24 996 t minL mvt LT t t1T 2 L 0 496 1 489 0 739 1 509 3 393 0 994 3 520 3 500 1 011 3 601 1 492 4 712 7 032 0 513 1 242 1 990 4 986 9 924 0 015 0 001 2 488 4 659 11 593 0 483 1 085 2 986 3 998 11 940 0 981 3 844 3 484 3 244 11 303 1 479 7 092 3 982 2 527 10 064 1 977 9 873 4 480 1 895 8 490 2 475 11 604 4 978 1 390 6 920 2 973 12 283 5 476 0 993 5 438 3 471 11 961 5 974 0 691 4 128 3 969 10 883 6 472 0 474 3 068 4 467 9 457 6 970 0 319 2 224 4 965 7 862 7 468 0 212 1 583 5 463 6 326 7 966 0 137 1 091 5 961 4 867 8 464 0 086 0 728 6 459 3 587 8 962 0 054 0 484 6 957 2 613 9 461 0 030 0 284 7 455 1 667 9 959 0 016 0 159 7 953 1 012 t L100 692 平均时间2 006 方差 0 569 N1 757 控制变量 表格分析 组别 t 2 2N 面积 lg 200 871 8 918 0 085 11 745 9 217 lg 300 459 0 311 0 676 1 479 6 674 lgxh 20 300 790 1 148 0 544 1 837 7 487 lgxh 30 400 717 1 016 0 506 1 976 7 822 df 30 3001 104 1 905 0 640 1 563 23 275 df 30 5001 208 3 304 0 442 2 264 33 085 df