化学反应工程实验2.doc

实验二 串联流动反应器停留时间分布的测定在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质有关外，还与反应物料在反应器中停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器开始，到其离开反应器为止的这一段时间。显然对流动反应器而言，停留时间不象间歇反应器那样是同一个值，而是存在一个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体的扩散，以及反应器内的死区等。停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。一 实验目的1通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。2掌握停留时间分布的统计特征值计算方法3学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。 二实验原理停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入的方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入主体流，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图2（a）形象地描述。 示踪剂检测 示踪剂加入 Q a 脉冲输入法 c0 c0 C C t=0 t t (b) 脉冲输入 (c) 出口响应 图2脉冲法测停留时间分布脉冲输入法测得的停留时间分布代表了物料在反应器中的停留时间分布密度即E(t)。若加入示踪剂后混合流体的流率为Q，出口处示踪剂浓度为C（t），在dt时间里示踪剂的流出量为Qc(t)dt，由E(t)定义知E(t)dt是出口物料中停留时间在t与t+dt之间示踪剂所占分率，若在反应器入口加入示踪剂总量为m 对反应器出口作示踪剂的物料衡算，即Qc(t)dt=mE(t)dt （）示踪剂的加入量可以用下式计算m= （）在值不变的情况下，由（）式和（）式求出：E(t)= （）关于停留时间的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t)，即F(t)= （）用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间，即 （）方差是和理想反应器模型关系密切的参数，它的定义是： 2 （）若采用无因次方差则有2对活塞流反应器,而对全混流反应器;对介于上述两种理想反应器之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜串联模型中的模型参数可以由实验数据处理得到的来计算。N= （）当为整数时，代表该非理想流动反应器可以用个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。三实验装置、流程及试剂 反应器为有机玻璃制成的搅拌釜。其有效体积为300ml。搅拌方式有磁力驱动的叶轮搅拌。1仪表柜面板布置及装置流程图四 操作步骤1. 准备工作（1）将饱和KNO3 液体注入标有KNO3的储瓶内，将水注入标有H2O的储瓶内。（2）连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。（3）检查电极导线连接是否正确。2. 操作（1）打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注水，将回流阀开到最大，启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门（注意！初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别是死角处）。调节水流量维持在20-30L/h之间某值，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流出。分别开启釜1、釜2、釜3搅拌马达开关，后再调节马达转速的旋钮，使三釜搅拌程度大致相同。开启电磁阀开关和电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节调温度电极常数和“调零”、等。调整完毕，备用。（ 电导仪的使用方法见该仪器使用说明书）（2）开启计算机电源，在桌面上双击“多釜返混实验”图标，在主画面上按下“实时采集”按钮，设置坐标，在操作员号框中输入自己对应号码，设置阀开时间。此时可进行数据的实时采集。待采集结束，按下“停止实验”按钮后，按下“保存数据”按钮保存数据文件。（3）分别测定a改变转数300、400、500r/min，流速不变25L/h；b 转数为400r/min，流速为20、30、40L/h下的模型参数N。3. 停车（1）实验完毕，将实验柜上三通阀转至“H2O”位置，将程序中“阀开时间”调到10秒左右，按“开始”按钮，冲洗电磁阀及管路。反复三、四次。（2）关闭各水阀门、电源开关，打开釜底部排水阀，将水排空。（3）退出实验程序，关闭计算机。五数据处理1由记录仪上记录的c(t)t关系曲线，首先求出不同时刻的E(t)值，然后求出平均停留时间和无因次方差，最后求出多釜串联模型参数。2分析不同操作条件下模型参数值的变化规律。六思考题1既然反应器的个数有3个，模型参数又代表了全混流反应器的个数。那么N值是否就应该是3，若不是，为什么？2全混流反应器应具有什么样的特征。如何用实验的方法判断搅拌釜完全达到全混流反应器的模型要求？如果尚未达到，如何挑选实验条件使其接近这一理想模型？3本实验系统中的所有连接管路应符合怎样的条件才能忽略其对反应器停留时间分布测定准确性的影响。如何利用本实验装置进行验证？七 维护及故障处理1.长时间不用该仪器应放置干燥的地方，还应定期进行仪器的开启并维持一定时间操作，以防止仪器受潮。2.