每个同学必须打印或复印一份并提前预习返混实验测定部分测定
一,连续流动反应器中得返混测定
A 实验目得
本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布得测定,将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度,从而认识限制返混得措施。本实验目得为
(1)掌握停留时间分布得测定方法。
(2)了解停留时间分布与多釜串联模型得关系。
(3)了解模型参数n得物理意义及计算方法。
B 实验原理
在连续流动得反应器内,不同停留时间得物料之间得混与称为返混。返混程度得大小,一般很难直接测定,通常就是利用物料停留时间分布得测定来研究。然而测定不同状态得反应器内停留时间分布时,我们可以发现,相同得停留时间分布可以有不同得返混情况,即返混与停留时间分布不存在一一对应得关系,因此不能用停留时间分布得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。
物料在反应器内得停留时间完全就是一个随机过程,须用概率分布方法来定量描述。所用得概率分布函数为停留时间分布密度函数f与停留时间分布函数F。停留时间分布密度函数f得物理意义就是:同时进入得N个流体粒子中,停留时间介于t到t+dt间得流体粒子所占得分率为fdt。停留时间分布函数F得物理意义就是:流过系统得物料中停留时间小于t得物料得分率。
停留时间分布得测定方法有脉冲法,阶跃法等,常用得就是脉冲法。当系统达到稳定后,在系统得入口处瞬间注入一定量Q得示踪物料,同时开始在出口流体中检测示踪物料得浓度变化。
由停留时间分布密度函数得物理含义,可知
(1)
(2)
所以(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得物料,以饱与作示踪
剂,在反应器出口处检测溶液电导值。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得停留时间变化关系,即,这里,为t时刻得电导值,为无示踪剂时电导值。
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)与方差。
得表达式为:
(4)
采用离散形式表达,并取相同时间间隔则:
(5)
得表达式为:
(6)
也用离散形式表达,并取相同,则:
(7)
若用无因次对比时间来表示,即,
无因次方差。
在测定了一个系统得停留时间分布后,如何来评介其返混程度,则需要用反应器模型来描述,这里我们采用得就是多釜串联模型。
所谓多釜串联模型就是将一个实际反应器中得返混情况作为与若干个全混釜串联时得返混程度等效。这里得若干个全混釜个数n就是虚拟值,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得停留时间分布函数关系,并得到无因次方差与模型参数n存在关系为
(8)
当, ,为全混釜特征;
当, , 为平推流特征;
这里n就是模型参数,就是个虚拟釜数,并不限于整数。
C 预习与思考
(1)为什么说返混与停留时间分布不就是一一对应得？为什么我们又可以通过测定停留时间分布来研究返混呢？
(2)测定停留时间分布得方法有哪些？本实验采用哪种方法？
(3)何谓返混？返混得起因就是什么？限制返混得措施有哪些？
(4) 何谓示踪剂？有何要求？本实验用什么作示踪剂？
(5) 模型参数与实验中反应釜得个数有何不同？为什么？
D 实验装置与流程
实验装置如图2–22所示,由单釜与三釜串联二个系统组成。三釜串联反应器中每个釜得体积为1L,单釜反应器体积为3L,用可控硅直流调速装置调速。实验时,水分别从二个转子流量计流入二个系统,稳定后在二个系统得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。
图2–22 连续流动反应器返混实验装置图
1–全混釜(3L);2、3、4–全混釜(1L); 5–转子流量计;6–电机;
7–电导率仪;8–电导电极;9–记录仪;10–四笔记录仪或微机
E 实验步骤及方法
(1)通水,开启水开关,让水注满反应釜,调节进水流量为20,保持流量稳定。
(2)通电,开启电源开关。
①开记录仪,记下走纸速度;
②开电导仪并调整好,以备测量;
③开动搅拌装置,转速应大于300。
(3)待系统稳定后,用注射器迅速注入示踪剂,在记录纸上作起始标记。
(4)当记录仪上显示得浓度在2min内觉察不到变化时,即认为终点己到。
(5)关闭仪器,电源,水源,排清釜中料液,实验结束。
F 实验数据处理
根据实验结果,我们可以得到单釜与三釜得停留时间分布曲线,这里得物理量- 电导值L对应了示踪剂浓度得变化;走纸得长度方向对应了测定得时间,可以由记录仪走纸速度换算出来。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)分别计算出各自得,及无因次方差。通过多釜串联模型,利用公式(8)求出相应得模型参数n,随后根据n得数值大小,就可确定单釜与三釜系统得两种返混程度大小。
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、方差与模型参数。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,减少了手工计算得工作量。
G 结果与讨论
(1)计算出单釜与三釜系统得平均停留时间,并与理论值比较,分析偏差原因;
(2)计算模型参数n,讨论二种系统得返混程度大小;
(3)讨论一下如何限制返混或加大返混程度。
H 主要符号说明
- t时刻反应器内示踪剂浓度;
- 停留时间分布密度;
- 停留时间分布函数;
- 液体得电导值;
n - 模型参数;
t - 时间;
v - 液体体积流量;
- 数学期望,或平均停留时间;
- 方差;
- 无因次时间。
参考文献
（1）陈甘棠主编、化学反应工程、北京:化学工业出版社,1981
（2）朱炳辰主编、化学反应工程、北京:化学工业出版社,1998
二,连续均相管式循环反应器中得返混实验
A、实验原理及要点
