连续均相反应器的停留时间分布及其流动模型参数确定

1、装 订 线专业： 化学工程与工艺 姓名：学号：日期：地点：_实验报告课程名称： 化学反应过程远程实验 指导老师： 成绩：_实验名称： 连续均相反应器 实验类型：_同组学生姓名：_一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1. 了解连续均相流动反应器的非理想流动情况及产生返混的原因；2. 了解有效扩散模型及多级混合流动模型的建立，及应用停留时间分布的测定，确定其有关参数Ez及N；3. 掌握用阶跃示踪法测定停留时间分布的实验方法及数据处理。二、实验原理在实际连续操作反应

2、器内，由于短路、死区及漏液等原因，器内流体往往是偏离理想流动而造成不同程度的逆向混合（称返混）。使得一批同时进入反应器的流体，在反应器内的停留时间不同，形成一个停留时间分布，所以常常利用停留时间的测定来分析器内的返混程度。但应该指出，这两者并不一一对应的，即同样的停留时间分布可以由不同的流况而造成，因此不能把停留时间分布直接用于描述反应器内流况，而必须借助于较切合实际的流动模型，然后由停留时间分布的测定来确定其模型中的参数。众所周知，流体在反应器内的停留时间是个随机过程，而E(t)，F(t)是常用的两个函数，其定义参见教材。一般可用脉冲示踪法和阶跃示踪法求取：脉冲示踪法：(1)阶跃示踪法: (

3、2)式中： C(t)出口处示踪剂浓度 C1进口处示踪剂浓度由此可见，若用脉冲示踪法，测定出口浓度变化曲线，即可得到E(t)函数，而用阶跃示踪法测定出口浓度曲线，可得到F(t)函数，其两者的关系为：(3)为了进行定量比较，引入随机函数的两个特征值均值和方差。均值（平均停留时间）：(4)把式（3）、（2）带入（4），可得到：(5)方差（散度）：(6)把式（3）、（2）代入（6），可得到：(7)对于离散型函数(4)、(5)、(6)、(7)可改写成：(4)或(5)(6)或(7)令（无因次比），则相应的方差与的关系如下： （8）所以由实验测定停留时间分布曲线，由(4)、(7)式可计算平均停留时间和方差，

4、而的大小表征停留时间分布的分散程度。 本实验选用釜式、管式和塔式三种反应器来实验，由于管式反应器偏离理想平推流反应器不大，故可采用有效扩散模型对于闭式系统操作下 （9）式中：EZ轴向有效扩散系数Pe表征返混程度的彼克列准数当Pe>0时，EZ>全混釜流动。对于釜式反应器和塔式反应器，可采用多级混合模型导出：（10）式中：N>釜数（多级）因此，由测定的停留时间分布曲线，得到其特征值(或)后可求出有关流动模型中的参数Ez及N。三、实验装置示意图图1 实验装置示意图本装置由一个管式反应器、一个搅拌釜反应器和一个塔式搅拌反应器组成，每个反应器均可独立操作，管式反应器和釜式反应器还可以组

5、成两种串联组合式反应器进行工作。配套设备包括定量连续进料系统、示踪剂加料系统、搅拌控制系统、反应釜出口浓度检测系统，实验流程装置见图1。四、实验内容1、 釜式反应器流动特性的测定和模型；2、 管式反应器流动特性的测定和模型；3、 塔式反应器流动特性的测定和模型；4、 三种反应器流动特性的比较。五、实验步骤1、 釜式反应器流动特性测定实验釜式反应器流动模式实验的远程操作界面如图2所示。蠕动泵将储液槽中的水打入釜中，从反应器上部流出，通过电导槽后排出。反应釜带有可调速的搅拌电机，控制釜的搅拌强度，每个釜出口液体浓度由电导仪测定。图2 釜式反应器流动模式测定实验远程实验操作界面1) 打开均相反应过程

6、多功能实验装置下的釜式反应器流动特性测定实验可执行文件，利用分配到的实验预约号和注册的用户名及密码在客户端上登录，并且点击开始实验，打开总电源；2) 打开1的蠕动泵，设置其流量大小u，开始加水，水已满的判断标准是全混釜的电导率比实验开始的时候有相对大的变化；3) 搅拌桨的转速范围为100300rpm，设定搅拌桨的转速，使釜内能达到全混釜的状态，等待搅拌桨转速稳定；4) 关闭1蠕动泵，然后将通示踪剂的2蠕动泵的流量设定为u，开始阶跃法停留时间分布实验，记下此时刻t；5) 等待至电导率的曲线走平，此时釜内的水可以被认为被示踪剂替换完全；6) 在放大图上选择一区域，从t时刻开始，结束于在电导率曲线平

7、整的时候，在这样的一个区域内采集数据，并且将其组名保存为此反应器下的电导率值；7) 停止搅拌桨，停止蠕动泵，将釜内的溶液排空，关闭电源，结束实验。2、 管式反应器流动特性测定实验管式反应器流动模式实验的远程操作界面如图3所示。蠕动泵将储液槽中的水打入反应器中，从反应器上部流出，通过电导槽后排出。反应出口液体浓度由电导仪测定。图3 管式反应器流动模式测定实验远程实验操作界面1) 打开均相反应过程多功能实验装置下的管式反应器流动特性测定实验可执行文件，利用分配到的实验预约号和注册的用户名及密码在客户端上登录，并且点击开始实验，打开总电源；2) 打开1的蠕动泵，设置其流量大小u，开始灌水，水已满的判

8、断标准是反应器的电导率比实验开始的时候有相对大的变化；3) 关闭1蠕动泵，然后将通示踪剂的2蠕动泵的流量设定为u，开始阶跃法停留时间分布实验，记下此时刻t；4) 等待至电导率的曲线走平，此时釜内的水可以被认为被示踪剂替换完全；5) 在放大图上选择一区域，从t时刻开始，结束于在电导率曲线平整的时候，在这样的一个区域内采集数据，并且将其组名保存为此反应器下的电导率值；6) 停止蠕动泵，将管内的溶液排空，关闭电源，结束实验。六、数据记录及处理由实验得到的曲线任意取t(或等C)的浓度（或时间）数值，代入式(4) (7)，即可计算平均停留时间和方差等值，式中的浓度C可直接由电导率L的数值代入计算。1.

9、釜式反应器流动特性测定实验表1时间/s釜式反应器出口示踪剂浓度1号蠕动泵流量(rpm)2号蠕动泵流量釜式反应器搅拌浆转速(rpm)1号蠕动泵出口流量(ml/min)2号蠕动泵出口流量(ml/min)27450.6224420120.8605244.53711010028051.8267210120.8605248.78429010028653.0696520120.8605250.51634010029253.9676240120.8605249.02586010029854.7274720120.8605250.54997010030455.240370120.8605246.1812401

10、0031055.9007410120.8605257.62009010031656.4443860120.8605247.81958010032256.818790120.8605247.08478010032867.0588430120.8605257.86911010033467.3979640120.8605244.37888010034067.6565460120.8605247.25249010034667.8463950120.8605244.85645010035268.0540690120.8605247.22969010035868.0835650120.8605251.35

11、155010036468.465130120.8605251.86595010037068.3406180120.8605251.4091010037668.5088310120.8605247.80354010038268.771830120.8605255.41026010038868.7962780120.8605260.15405010039468.8237150120.8605242.88716010040068.9454880120.8605244.95596010040669.0329280120.8605255.85756010041269.014680120.8605257.

12、46439010041879.1114490120.8605249.25107010042478.9373460120.8605247.74408010043079.1022470120.8605254.25739010043679.0592240120.8605245.5434010044279.0092620120.8605246.29991010044879.2473890120.8605254.51942010045479.216780120.8605251.50734010046079.3152090120.8605251.10208010046679.2774310120.8605

13、245.44879010047279.1446240120.8605251.48804010047879.4264250120.8605250.63115010048479.3864650120.8605244.92749010049079.2772160120.8605249.44171010049679.3731230120.8605250.88841010050279.4944420120.8605255.97669010050879.4432250120.8605251.30167010051489.2282120120.8605255.47168010052089.310964012

14、0.8605255.32129010052689.5274720120.8605258.716640100出口示踪剂浓度-时间曲线：图4 釜式反应器阶跃示踪法的出口浓度曲线 2. 管式反应器流动特性测定实验表2时间/s管式反应器出口示踪剂电导率1号蠕动泵转速(rpm)2号蠕动泵转速(rpm)1号蠕动泵出口流量(ml/min)2号蠕动泵出口流量(ml/min)10160.90997126.0557120.860510010010364.57111126.0557120.860510010010565.509083126.0557120.860510010010765.938329126.0557

15、120.860510010010965.809171126.0557120.860510010011165.945014126.0557120.860510010011365.968193126.0557120.860510010011565.981565126.0557120.860510010011765.985577126.0557120.860510010011965.876371126.0557120.860510010012165.886177126.0557120.860510010012365.895092126.0557120.860510010012565.87548126

16、.0557120.860510010012765.872805126.0557120.860510010012965.872805126.0557120.860510010013165.87013126.0557120.860510010013365.873643126.0557120.860510010013565.869186126.0557120.860510010013765.861216126.0557120.860510010013965.866119126.0557120.860510010014175.974484126.0557120.860510010014375.8709

17、6126.0557120.860510010014575.749782126.0557120.860510010014775.979274126.0557120.860510010014975.862999126.0557120.860510010015175.862108126.0557120.860510010015375.861216126.0557120.860510010015575.864782126.0557120.860510010015775.863094126.0557120.860510010015975.863976126.0557120.860510010016175

18、.865674126.0557120.860510010016375.86389126.0557120.860510010016575.86389126.0557120.860510010016775.86389126.0557120.860510010016975.861216126.0557120.860510010017175.858662126.0557120.860510010017375.969976126.0557120.860510010017575.966856126.0557120.860510010017775.971232126.0557120.860510010017975.732843126.0557120.8605100100电导率时间图：图5 管式反应器阶跃示踪法的出口浓度曲线求解方程：得：Pe = 1.023七、结果分析与讨论1. 对于釜式反应器，其实验模型参数N=0.99786，理论值为N=1，两者非常接近，因此釜式反应器为全混流反应器。2. 对于管式反应器，比克列常数Pe=1.023，小于100，因此有较大的扩散和反混。对于理想的平推流反应器，Pe，因此管式反应器与理想平推流反应器有偏离。八、思考题1、 试讨论分析用示