连续流动反应器中的反混测定实验指导

连续流动反应器中返混测定-实验目的本实验通过三釜反应器中停留时间分布的测定，本实验目的为掌握停留时间分布的测定方法。掌握如何应用停留时间分布的测定来描述反应器中的逆向混合情况。了解模型参数n的物理意义及计算方法。二实验原理在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。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。物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数fQ和停留时间分布函数f(t)。停留时间分布密度函数fQ的物理意义是：同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到t+dt间的流体粒子所占的分率dNN为f(t)dt。停留时间分布函数F(t)的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。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。由停留时间分布密度函数的物理含义，可知TOC\o"1-5"\h\zf(t)dt=V-C(t*Q (1)Q=\^VC(t)dt (2)0所以\o"CurrentDocument"f(t)=rVC°=「C° ⑶\vc(t^t\c(t)7t0 0由此可见f(t)与示踪剂浓度C(t)成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KC/作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCI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，即fQgL(t)，这里Lt)=L—，匕为t时刻的电导值，L无示踪剂时电导值。停留时间分布密度函数f(t)在概率论中有二个特征值，平均停留时间(数学期望)t和方差a2。tr的表达式为：LcQdtt=}"tf(t)dt=00 Jc(t)dt0采用离散形式表达，并取相同时间间隔M则:(5)—_YtC(tNt_£t-L(t)=EC(tkt—ElQ(5)b2的表达式为：tTOC\o"1-5"\h\zb2=jX—t)2f(t)dt=』勺2f(t新-t2 (6)也用离散形式表达，并取相同At，则：£t2C(t)(_\ £t2L(t)_b2= —V力= —t2t £C3 £l3若用无因次对比时间0来表示，即0=t..H，无因次方差b2=b2/12。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反应器。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b2与模型参数n存在关系为01n=——b20(8)当n=1， b2=1，为全混釜特征；0当n*， b2t0， 为平推流特征；0

这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。三实验装置与流程实验装置如图1所示，为三釜串联系统。三釜串联反应器中每个釜的体积为1L；用调速装置调速。实验时，水经转子流量计进入系统。稳定后在第1釜上部由计算机控制电磁阀注入示踪剂（饱和的KNO3溶液），由每个反应釜出口处电导电极检测示踪剂浓度变化，由计算机进行数据采集并储存。HltjiSlOlPlOl电导率侦｝金峰电导率仪HltjiSlOlPlOl电导率侦｝金峰电导率仪3全混釜％'电导摩仪2金混条！电导率仪IYir）l冰储槽下水图1,实验装置流程图四实验步骤及方法（1） 通电，开启电源开关。（2） 开计算机，进入数据采集与分析处理系统。（3）通水，开启水开关，让水注满反应釜，调节进水流量为20Lh，保持流量稳定。（4）开动搅拌装置，转速应大于300rmin。（5） 待系统稳定后，迅速注入示踪剂，在计算机上开始数据采集。（6） 当计算机上显示的浓度在2min内觉察不到变化时，即认为终点己到。（7） 关闭仪器，电源，水源，排清釜中料液，实验结束。五实验数据处理这里需要得到的物理量为电导值L（对应了示踪剂浓度的变化）和测定的时间。然后用离散化方法，在曲线上相同时间间隔取点，一般可取20个数据点左右，再由公式（5），（7）分别计算出各自的商°2，及无因次方差°注g.."；2。通过多釜串联模型，利用公式（8）求出相应的模型参数n，随后根据n的数值大小，就可确定系统的返混程度大小。若采用微机数据采集与分析处理系统，则可直接由电导率仪输出信号至计算机，由计算机负责数据采集与分析，在显示器上画出停留时间分布动态曲线图，并在实验结束后自动计算平均停留时间、方差和模型参数。停留时间分布曲线图与相应数据均可方便地保存或打印输出，减少了手工计算的工作量。六结果与讨论（1）计算出三釜与管式反应器系统的平均停留时间r，并与理论值比较，分析偏差原因；计算模型参数n；讨论一下如何限制返混或加大返混程度。七主要符号说明C(t)