实验阶跃示踪法测定连续搅拌釜式反应器的停留时间分布
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实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
一、实验目的 1、了解连续流动反应器内停留时间分布的 含义及其产生的原因； 2、加深对停留时间分布概念的理解； 3、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； 4、掌握停留时间分布的测试方法及其结果 的处理。
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
五、实验数据处理 l、对每一组实验数据，由公式(1)求出E（t）， 并作出E（t）-t图； 2 2 σ 2、计算t, t,σ及模拟级数m。 3、记录实验现象，讨论流量及搅拌器转速 对停留时间分布的影响。
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
2.
0
0
p
0
0
0
p
实验八 连续流动反应器停留时间分布的
2 t Et
Et
ˆ2 t
2 t (c)p
(c)
ˆ2 t
p
,
θ t ˆ t
σθ
2
σ t2 2 ˆ t
1 m 2 σ
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定 4.本实验用水作为连续流动的物料，以2％浓 度的高锰酸钾溶液作示踪剂，在反应器的出口 处用分光光度计（比色法）检测溶液的吸光度 值。 比色法测量浓度的基本原理是基于物质对光 的吸收效应，因此，在一定的波长下，吸收强 度随物质的浓度增加而增大，即物质的浓度与 光吸收程度是正比关系，由比尔定律知： A＝ K L C 标准曲线为：y=0.00448+0.1121x,其中x单位为 g/l
实验八 连续流动反应器停留时间分布的测定
实验1连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定
实验一 连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定一、 实验目的(1) 加深对停留时间分布概念的理解； (2) 掌握测定液相停留时间分布的方法； (3) 了解停留时间分布曲线的应用。
(4)了解停留时间分布于多釜串联模型的关系，了解模型参数N 的物理意义及计算方法。
(5) 了解物料流速及搅拌转速对停留时间分布的影响。
二、 实验原理 （1）停留时间分布当物料连续流经反应器时，停留时间及停留时间分布是重要概念。
停留时间分布和流动模型密切相关。
流动模型分平推流，全混流与非理想流动三种类型。
对于平推流，流体各质点在反应器内的停留时间均相等，对于全混流，流体各质点在反应器内的停留时间是不一的，在0～∞范围内变化。
对于非理想流动，流体各质点在反应器内的停留时间分布情况介乎于以上两种理想状态之间，总之，无论流动类型如何，都存在停留时间分布与停留时间分布的定量描述问题。
（2）停留时间分布密度函数E (t )停留时间分布密度函数E (t )的定义：当物料以稳定流速流入设备（但不发生化学变化）时，在时间t =0时，于瞬时间dt 进入设备的N 个流体微元中，具有停留时间为t 到(t +dt )之间的流体微元量dN 占当初流入量N 的分率为E (t )dt ，即()=dNE t dt N(1) E (t )定义为停留时间分布密度函数。
由于讨论的前提是稳定流动系统，因此，在不同瞬间同时进入系统的各批N 个流体微元均具有相同的停留时间分布密度，显然，流过系统的全部流体，物料停留时间分布密度为同一个E (t )所确定。
根据E (t )定义，它必然具有归一化性质：()1∞=⎰E t dt （2）不同流动类型的E (t )曲线形状如图1所示。
根据E (t )曲线形状，可以定性分析物料在反应器（设备）内停留时间分布。
平推流 全混流 非理想流动图1 各种流动的E (t )～t 关系曲线图（3）停留时间分布密度函数E (t )的测定停留时间分布密度函数E (t )的测定，常用的方法是脉冲法。
实验名称：连续均相反应器材停留时间分布的测定
式中：C(t)—示踪剂的出口浓度。
C o—示踪剂的入口浓度。
U—流体的流量Qλ—示踪剂的注入量。
由此可见，若采用阶跃示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，即可得到F（t）函数；而采用脉冲示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，就可得到E（t）函数。
三、实验装置和流程本实验采用脉冲示踪法分别测定三釜串联反应器的停留时间分布，测定是在不存在化学反应的情况下进行的。
实验流程见图1。
四、实验步骤测定三釜串联反应器的停留时间分布，按以下步骤操作：4.1打开高位槽（1）的上水阀，当高位槽出现溢流后打开各分阀及流量计（2）上的阀门，将流量调为20L/H，并使流量稳定；4.2打开搅拌器电源，慢速启动电机，将转速调至所需稳定值；4.3接通三台DDS—11A型电导率仪电源，并检查电极是否正常。
4.4检查数模转换器联线，接通电源。
若转换器显示值偏离零点较大，调节电导率仪的调零旋钮。
4.5启动计算机，在WindowsX桌面上双击图标启动本采集软件。
系统在采集前，先进行“系统整定”，正常后单击“测定操作”进入“实验记录”子窗体。
4.6用针筒在反应器的入口快速注入3mL1.7N的氯化钾溶液，同时单击“实验记录”子窗体上的“启动”按钮或按下功能键“F5”，此时由计算机实时采集数据/4.7待反应器浓度不再变化后，单击“停止”按钮或按下功能键“F9”以结束采集。
此时可由“视图”菜单选择显示分布函数和密度函数曲线。
按“保存”图标实验报告；单击“报告”按钮可浏览实验结果。
五、实验数据处理在一定的温度下，氯化钾水溶液的电导率×（微姆/厘米）或（毫姆/厘米）取决于它的浓度C，由实验可以确定电导率（或与之对应的数模转换器的毫伏数）—浓度的对应关系，因而测定溶液的电导率（或对应的毫伏数）就可求得浓度。
从我们实测的氯化钾水溶液（以自来水作为溶剂）的电导率（或对应的毫伏数）—浓度数据可以看出：当浓度很低时，在一定的温度下，它的电导率（扣除自来水电导率后的净值）较好地与浓度成正比，故在计算F（t）和E(t)时同样可用电导率（或对应的毫伏数）代替浓度进行计算。
化学反应工程基础连续流动反应器的停留时间分布
连续流动反应器的停留时间分布
1．阶跃示踪法
阶跃讯号响应曲线
待测定系统稳定后，将 原来反应器中流动的流休切 换为另一种含有示踪剂的流 体。一直保侍到实验结束， 并保诗切换而后流体流量不 变。
开始时，出口流体中有示踪剂流体的分率很小，随着时间的推延， 有示踪剂流体在出口流体中的分率不断增加，当t→∞时，分率趋于1。
，以C t v0
Q
对τ作图即可得停留时间分布密度函
数曲线。
▪ 脉冲示踪法要求进料瞬间完成，技术要求较高，可在生产中在线测定。
连续流动反应器的停留时间分布
停留时间分布的数字特征
由于停留时间分布密度函数E（t）对单个流体微元来讲， 就是随机变量——停留时间的概率密度函数，因此也可用 这些函数的特征值作为随机变量的比较基准来进行定量比 铰，而无需对分布曲线本身进行比较。
0
t
2
1
t
dt
2
0
2 2 2
2
无因次方差：
2
2
1
2
流动模型
理想混合流的E（t）和F（t）曲线图
t=0时，F（t）＝0，E（t）＝ 1 ；此时E（t）取得极大值。
t=τ时，F（τ）＝1－e-1 = 0.623
流动模型
非理想流动模型
1.多级理想混合模型 把实际反应器中无序的返混程度等效于N个等体积的理想混合流反
反应器内流体的返混 对化学反应的影响
和容积效率相关的因素： 1. 反应器的类型
对于同一简单反应，在相同的工艺条件下，为达到相同的转化率，平 推流反应器所需体积最小，理想混合流所需的反应器体积最大。
2. 化学反应的级数及化学反应控制的转化率 如实际反应器都选用理想混合反应器，不同反应级数的容积效率：
1．阶跃示踪法
阶跃讯号响应曲线
待测定系统稳定后，将 原来反应器中流动的流休切 换为另一种含有示踪剂的流 体。一直保侍到实验结束， 并保诗切换而后流体流量不 变。
开始时，出口流体中有示踪剂流体的分率很小，随着时间的推延， 有示踪剂流体在出口流体中的分率不断增加，当t→∞时，分率趋于1。
，以C t v0
Q
对τ作图即可得停留时间分布密度函
数曲线。
▪ 脉冲示踪法要求进料瞬间完成，技术要求较高，可在生产中在线测定。
连续流动反应器的停留时间分布
停留时间分布的数字特征
由于停留时间分布密度函数E（t）对单个流体微元来讲， 就是随机变量——停留时间的概率密度函数，因此也可用 这些函数的特征值作为随机变量的比较基准来进行定量比 铰，而无需对分布曲线本身进行比较。
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无因次方差：
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流动模型
理想混合流的E（t）和F（t）曲线图
t=0时，F（t）＝0，E（t）＝ 1 ；此时E（t）取得极大值。
t=τ时，F（τ）＝1－e-1 = 0.623
流动模型
非理想流动模型
1.多级理想混合模型 把实际反应器中无序的返混程度等效于N个等体积的理想混合流反
反应器内流体的返混 对化学反应的影响
和容积效率相关的因素： 1. 反应器的类型
对于同一简单反应，在相同的工艺条件下，为达到相同的转化率，平 推流反应器所需体积最小，理想混合流所需的反应器体积最大。
2. 化学反应的级数及化学反应控制的转化率 如实际反应器都选用理想混合反应器，不同反应级数的容积效率：
综合实验——停留时间分布综合实验报告
停留时间分布综合实验报告停留时间分布综合实验一、实验目的1.掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布及数据处理方法；2.了解和掌握停留时间分布函数的基本原理；3.了解停留时间分布与模型参数的关系；4.了解多级混本实验通过单釜、多釜及管式反应器中停留时间分布的测定， 将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的措施 和釜、管式反应器特性；5.了解和掌握模型参数N 的物理意义及计算方法。
二、实验原理在连续流动反应器中，由于反应物料的返混以及在反应器内出现的层流，死角，短路等现象，使得反应物料在反应器中的停留时间有长有短，即形成停留时间分布，影响反应进程和最终结果。
测定物料的停留时间分布是描述物料在反应器内的流动特性和进行反应器设计计算的内容之一。
停留时间分布可以用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来表示，这两种概率分布之间存在着对应关系，本实验只是用冲脉示踪法来测定E(t)，利用其对应关系也可以求出F(t)来。
函数E(t)的定义是：在某一瞬间加入系统一定量示踪物料，该物料中各流体粒子将经过不同的停留时间后依次流出，而停留时间在[t ，t+dt]间的物料占全部示踪物料的分率为E(t)dt 。
根据定义E(t)有归一化性质：0.1`)(0=⎰∞dt t E (1)E(t)可以用其他量表示为)()/()(0t c M Q t E ⋅=(2)其中：Q0主流体体积流量，M 为示踪物量，c(t)为t 时刻流出的示踪剂浓度。
对停留时间分布密度函数E(t)有两个重要概念，数学期望_t 和方差2t σ，它们分别定义为E(t)对原点的一次矩和二次矩。
当实验数据的数量大，且所获样品是瞬间样品，即相应于某时刻t 下的样品，则：∑∑∑∑====-∆∆=∆∆=Ni iAiNi iAii Ni iiN i iiit ct ct tt E t t E t t 1111)()((3)211221122)()(t t ct ct t t t E t t E tNi iAiNi iAii N i iiNi ii it -∆∆=-∆∆=∑∑∑∑====σ(4) 式中△ti 是两次取样时间，若等时间间隔取样，2112211t cct cct t Ni AiNi Aii t Ni AiNi Aii -==∑∑∑∑====-σ(5)对恒容稳定流动系统有：τ==-v V t R(6) 为了使用方便，常用对比时间τθt=来代换t ，经这样变换后，有以下关系：)()(t E E τθ=(7)222τσσθt =(8)对全混流12=θσ，对活塞流02=θσ，对一般情况102<<θσ。
实验一 多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定
实验一 多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定一、实验目的本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来描述返混程度，从而认识限制返混的措施。
1、掌握停留时间分布的测定方法；2、了解停留时间分布与多釜串联模型的关系；3、掌握多釜串联模型参数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。
然而在测定不同状态的反应器内停留时间分布时，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，而必须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E (t)和停留时间分布函数F (t)。
停留时间分布密度函数E (t )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dN/N 为E (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 的物料所占的分率。
停留时间分布的测定方法有脉冲输入法、阶跃输入法等，常用的是脉冲输入法。
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： E (t )dt ＝VC (t )/Q (1) ⎰∞=0)(dt t VC Q (2)所以 ⎰⎰∞∞==)()()()()(dtt C t C dtt VC t VC t E (3)由此可见E (t )与示踪剂浓度C (t )成正比。
本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl 作示踪剂，在反应器出口处检测溶液的电导值。
在一定范围内，KCl 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E (t )∝L (t )，这里L(t)＝L t －L ∞，L t 为t 时刻的电导值，L ∞为无示踪剂时电导值。
连续流动反应器停留时间分布的测定
连续流动反应器停留时间分布的测定一、实验目的1、了解连续流动反应器内停留时间分布的含义及其产生的原因；2、加深对停留时间分布概念的理解；3、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；4、掌握停留时间分布的测试方法及其结果的处理。
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注流体，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形象地描述。
图2 脉冲法测定停留时间分布示意图由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。
因此，E（t）dt就代表了流体粒子在反应器内停留时间介于t到t+dt之间的概率。
在反应器出口处测得的示踪剂浓度c(t)与时间t的关系曲线叫响应曲线。
由响应曲线就可以计算出E（t）与时间t的关系，并绘出E（t）～t关系曲线。
计算方法是对反应器作示踪剂的物料衡算，即Qc(t)dt=mE(t)dt（1）式中Q表示主流体的流量，m为示踪剂的加入量。
示踪剂的加入量可以用下式计算m=⎰∞)(dttQc（2）在Q值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：E（1）＝⎰∞0) () (dt tc tc（3）关于停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t),即F（t）＝dttE)(⎰∞（4）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t ,即⎰∞=⎰⎰=∞∞)()()(00dt t tE t dtt E dt t tE （5）方差是和理想反应器模型关系密切的参数。
实验十四连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布实验
实验十四 连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布实验一、实验目的1．了解连续流动的单级、二级串联获三级串联搅拌釜式反应器的结构、流程和操作方法；2．初步掌握液体连续流动搅拌釜式反应器的流动模型的检验和模型参数的测定方法；3．掌握一种测定停留时间分布的实验技术。
二、实验原理本实验采用的脉冲激发方法是在设备入口处，向主体流体瞬间注入少量示踪剂，与此同时在设备出口处检测示踪剂的浓度c(t)随时间t 的变化关系数据或变化关系曲线，该曲线可以直接转换为停留时间分布密度E(t)对时间t 的关系曲线。
从实验测得的E(t)---t 曲线的图像，可以判断流体流经反应器的流动状况。
由实验测得全混流反应器和多级串联全混流反应器的E(t)---t 曲线的典型图像如图1所示。
若各釜的有效体积分别为V 1、V 2、V 3，且V 1=V 2=V 3。
当单级、二级和三级全混流反应器的总有效体积保持相同，即V 1-cstr =V 2-cstr=V 3-csrt 时，则其E(t)---t 曲线的图像如1(a)所示；当各釜体积虽相同，但单釜、二釜串联和三釜串联的总有效体积又各不相同时，如单釜有效体积V 1-cstr =V 1，而双釜串联总有效体积V 2-cstr =V 1+V 2=2V 1，三釜串联的总有效体积V 3-cstr =V 1+V 2+V 3=3V 1，则其E(t)---t 的图像如图1(b)所示。
停留时间分布属于随机变量的分布，除了用上述直观图像加以描述外，通常还可采用一些特征数来表表征分布的特征。
概率论表征这种随机变量分布的数字特征主要是数学期望和方差。
（1）停留时间分布的数学期望：随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。
流体流经反应器的停留时间分布的数学期望定义式为：⎰⎰∞∞=0dtE(t)dt tE(t)t ˆ若取等时间间隔的离散数据，即Δt i 为定值，则：∑∑===n1i i n1i i i )E(t /)E(t t t ˆ本实验以水为主流流体，氯化钾饱和溶液为示踪剂。
停留时间分布的测定
• 2. 三釜串联实验
• 1) 将三釜串联的开关打开，大釜开关关闭，管式反应器开关关闭，将 示踪剂加料的三通阀调整到三釜的位置，打开泵回流开关。
• 2)
打开总电源开关，并打开泵开关，缓缓打开流量计调节阀，调到
适当的流量位置（若流量偏小可适当关闭泵回流阀）。
• 3)
缓缓调节各釜顶部放空阀，让水充满釜，打开搅拌开关，调节搅
E(t)dt
方差是和理想反应器模型关系密切的参数
t2 t2E(t)dtt2
2021/7/30
实验流程
2021/7/30
实验步骤
– 1. 准备工作：
– 1) 在室温下，配KCl饱和溶液500ml ，取100 ml。 从釜中拆下电极头，然后把电极头分别插入KCl饱和溶 液，把电导仪打到校正档调满刻度，进行电极校正，然 后装好电极。
– 2)
把料液槽中加满水，打开泵进口处阀门，关闭
流量计阀门，检查各阀门开关状况，调整到适当的位置
。
– 3)
取400 ml 饱和KCl溶液，加入示踪剂加料槽的
上层并封好加料口。
– 4)
检查各电路开关状况，设时间继电器时间为2s,
插上电源，连上计算机接口，打开计算机软件，待用。
2021/7/30
实验步骤
Vc(t)dt=QE(t)dt
V表示主流体的流量，Q为ห้องสมุดไป่ตู้踪剂的加入量。
Q=Vc(t)dt
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E(t) C (t)
C(t)dt
E(t)=
C(t)
c(t)
t
停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t)
F(t) = E(t) dt
数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间
实验一 多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定
实验一多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定一、实验目的本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来描述返混程度，从而认识限制返混的措施。
1、掌握停留时间分布的测定方法；2、了解停留时间分布与多釜串联模型的关系；3、掌握多釜串联模型参数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。
然而在测定不同状态的反应器内停留时间分布时，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，而必须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E(t)和停留时间分布函数F(t)。
停留时间分布密度函数E(t)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dN/N为E(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的物料所占的分率。
停留时间分布的测定方法有脉冲输入法、阶跃输入法等，常用的是脉冲输入法。
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：E(t)dt＝VC(t)/Q (1)⎰∞=)(dtt VCQ (2)所以 ⎰⎰∞∞==)()()()()(dtt C t C dtt VC t VC t E (3)由此可见E (t )与示踪剂浓度C (t )成正比。
本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl 作示踪剂，在反应器出口处检测溶液的电导值。
在一定范围内，KCl 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E (t )∝L (t )，这里L(t)＝L t －L ∞，L t 为t 时刻的电导值，L ∞为无示踪剂时电导值。
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1．在进行实验之前，如何调节水和 KCl 溶液的流量? 2．做好本实验应当注意哪些问题?
91
在一定的反应器内，物料作定常流动，则V和qV为定值，上式积分后可得
−
ln⎜⎜⎝⎛1 −
c(t) c0
⎟⎟⎠⎞
=
qV V
t
(2)
式中：t =V／qV为物料在反应器中的平均停留时间，故式(2)可写成
−
ln ⎜⎜⎝⎛ 1 −
c (t c0
)
⎟⎟⎠⎞
=
t t
(3)
根据停留时间分布函数的定义，上式中的无量纲对比浓度c(t)／c0=F(t)，故上式又可改写 为如下形式：
为放大过程中的一个关键问题。工业生产中，连续流动反应器内的流动现象一般是比较复杂 的，由于各种影响造成的涡流、短路、死区以及速度分布所产生的不同程度的逆向混合(或称 返混)，使得物料粒子流经反应器的停留时间不同，产生停留时间分布(RTD)，从而影响反应 的转化率。
物料粒子的返混程度是很难测定的，但是，一定的返混必然会造成一定的 RTD，因此， 目前判断返混的方法是测 RTD，即在反应器入口处输入一个信号，然后分析出口处信息的变 化，从而掌握设备的某些特性。
i =1 n
计算平均停留时间t ；
∑ ∆E(ti )
i =1
n
∑ 4．根据σ
2 t
=
ti 2∆F (ti )
i =1 n
−t2 和
σ
2 θ
=
σ
2 t
，计算σ
2 t
和σ
2 θ
；
∑ ∆F (ti )
t
i =1
5．根据
N=1/σ
2 θ
，计算模型参数
N
值；
6．根据上述结果，分析实验所采取用反应器的性能。
六、思考题
F (t) = c(t) = 1 − e−t / t
(4)
c0
式(4)即为全混流反应器的停留时间分布函数曲线的数学表达式。 由此可见，用阶跃示踪法测定反应器的 RTD，只要实验数据与数学表达式相吻合，亦即
−
ln⎜⎜⎝⎛1
−
c(t) c0
⎟⎟⎠⎞
与
t
呈线性关系，则就证明该反应器为全混流反应器。
本实验采用阶跃示踪法，其基本要点是，当系统内流动的物料达到定态流动后，将原来 在反应器内流动的物料从某一时刻开始，瞬间切换成另一种流量相同，流况不发生变化的含
Ⅰ—示踪剂输入的阶跃函数； Ⅱ—示踪剂输出(F—曲线) 89
三、实验设备及流程
1．釜式反应器(三颈瓶)一只，500ml 2．电动搅拌器一台，JB50-D 型 3．电导率仪一台，DDS-llA 型
图 2 阶跃实验装置流程示意图 1.自来水高位槽；2.开关活塞；3.调节活塞；4.搅拌器；5.反应器；6.电导电极；
停留时间分布的表示方法有两种，在反应器内物料粒子停留时间小于 t 的概率称为停留 时间分布函数 F(t)，其一阶导数
dF (t) = E(t)
(1)
dt
E(t)称为停留时间分布密度函数(其测定方法已在实验七中讨论过)，其物理意义是停留时
间在 t→t+dt 之间的概率为 E(t)dt，根据 E(t)的定义可以知道
7.电导率仪；8.测量杯；9.烧杯；10.恒温水槽；11. KCl 溶液高位槽
四、实验操作步骤
1 ．按装置图接好仪器； 2．缓慢打开自来水龙头，向高位槽注水，待溢流管中有水流出后，打开水槽出口活塞， 将水注入到搅拌釜式反应器中，缓慢启动搅拌器至不打击器壁，且釜内液体不飞溅。尽可能 形成理想搅拌，以使釜内浓度达到均匀一致，同时，控制水的流量在 100～130ml·min-1； 3．将KCl溶液流量用 10ml量筒和秒表调节到 4.5ml·min-1为宜，调节好后，即将该调节 活塞固定，同时关闭好开关活塞，使用时只需打开开关活塞即可； 4．接通已调节好的电导率仪，并将电极插入电导池中，打开电导率仪，记下水的电导 值； 5．待水的流量稳定后，打开 KCl 溶液开关活塞，同时记时，每间隔 1 分钟记录一次电 导值，直到电导值趋于不变为止； 6．停止搅拌，关闭水和 KCl 溶液的开关活塞，用虹吸方法吸出反应釜内之溶液，计量 即为反应器的有效体积 V； 7．小心将电极从电导池中取出洗净拭干，妥善收存，同时将反应釜和电导池中注入清 水清洗两次，排尽余水，整理仪器，清洁桌面。
设反应器体积为V，进入反应器物料的流量为qV，其中，示踪剂的浓度为c0，从加入示踪
88
剂的瞬间算起，经过时间t时，出口中物料中示踪剂的浓度为c(t)， 由物料衡算
qVc0dt=Vdc(t)+qVc(t)dt
将上式整理后，并分离变量积分可得
∫ ∫ c(t) dc(t) = t qV dt
0 c0 − c(t) 0 V
90
五、实验记录与数据处理
(一) 数据记录 水的流量： KCl溶液的流量：
ml·min-1 ml·min-1
反应器有效体积：
ml
记录表格式如下：
大气压：
kPa
室温
t
电导率
c(t)
min μs·cm-1 mol·l-1
F(t)
△F(t)
t△F(t)
t2△F(t)
℃ 备注
∑=
∑=
∑=
(二) 数据处理
∞
∫0 E(t)dt = 1
F(t)和 E(t)的测定比较容易，前者可用阶跃示踪法测定，后者可用脉冲示踪法测定，并且 可以根据式(1)互相转换。现在对全混流反应器的 RTD 进行讨论，以便得出全混流反应器的 RTD 曲线的数学表达式。假定反应器内的流体处于全混流状态，则反应器内的浓度处处相等， 且等于出口处物料的浓度。
实验七 阶跃示踪法测定连续搅拌釜式反应器的停留时间分布
一、实验目的
本实验采用阶跃示踪法测定物料在连续搅拌釜式反应器(CSTR)内的停留时间分布 (RTD)。
1．了解 CSTR 内返混的含义及其产生的原因； 2．掌握阶跃示踪法测定 CSTR 的 RTD 曲线的方法，了解返混与 RTD 之问的关系，以 及如何利用 RTD 测定来估计反应器的性能。
有示踪剂的物料(如第一种流料为水，以 A 表示，则第二种物料为含有示踪剂的水，以 B 表示，本实验以 KCl 为示踪剂)，从以 B 切换 A 开始的同一瞬间，开始记时，并在出 口处随时检测出口物料中示踪剂浓度的变 化。示踪剂浓度 时间曲线如图 1 所示。
图 1 以示踪剂的阶跃函数作为输入时的典型输出 响应曲线—F(t)～t 曲线
1．利用所测得的电导值，根据实验六所列的κ～c关系式，计算出相应温度下的c(t)值，
并按照c(t)/c0=F(t)，计算出F(t)值〔注意：c0即反应器出口流出最后不变的c(t)值〕；
2．取 F(t)为纵坐标， t 为横坐标，标绘出 F(t)～t 曲线；
n
∑ t∆F (ti )
3．根据实验六的式(5)和本实验式(1)的关系，用t =
二、实验原理
化学反应工程学的任务是着重研究各种宏观动力学因素对反应结果的影响，而宏观动力学就
是包罗了反应器内一切过程影响的物理因素，其中包括流体流动、传热、传质等。由于流体 流动是反应器放大过程中最不易确定的因素，大型生产装置和小型实验设备中的流动情况往
往会有较大出入，同时，在流体流动过程中又伴随着传热、传质过程，因此，流体流动便成
91
在一定的反应器内，物料作定常流动，则V和qV为定值，上式积分后可得
−
ln⎜⎜⎝⎛1 −
c(t) c0
⎟⎟⎠⎞
=
qV V
t
(2)
式中：t =V／qV为物料在反应器中的平均停留时间，故式(2)可写成
−
ln ⎜⎜⎝⎛ 1 −
c (t c0
)
⎟⎟⎠⎞
=
t t
(3)
根据停留时间分布函数的定义，上式中的无量纲对比浓度c(t)／c0=F(t)，故上式又可改写 为如下形式：
为放大过程中的一个关键问题。工业生产中，连续流动反应器内的流动现象一般是比较复杂 的，由于各种影响造成的涡流、短路、死区以及速度分布所产生的不同程度的逆向混合(或称 返混)，使得物料粒子流经反应器的停留时间不同，产生停留时间分布(RTD)，从而影响反应 的转化率。
物料粒子的返混程度是很难测定的，但是，一定的返混必然会造成一定的 RTD，因此， 目前判断返混的方法是测 RTD，即在反应器入口处输入一个信号，然后分析出口处信息的变 化，从而掌握设备的某些特性。
i =1 n
计算平均停留时间t ；
∑ ∆E(ti )
i =1
n
∑ 4．根据σ
2 t
=
ti 2∆F (ti )
i =1 n
−t2 和
σ
2 θ
=
σ
2 t
，计算σ
2 t
和σ
2 θ
；
∑ ∆F (ti )
t
i =1
5．根据
N=1/σ
2 θ
，计算模型参数
N
值；
6．根据上述结果，分析实验所采取用反应器的性能。
六、思考题
F (t) = c(t) = 1 − e−t / t
(4)
c0
式(4)即为全混流反应器的停留时间分布函数曲线的数学表达式。 由此可见，用阶跃示踪法测定反应器的 RTD，只要实验数据与数学表达式相吻合，亦即
−
ln⎜⎜⎝⎛1
−
c(t) c0
⎟⎟⎠⎞
与
t
呈线性关系，则就证明该反应器为全混流反应器。
本实验采用阶跃示踪法，其基本要点是，当系统内流动的物料达到定态流动后，将原来 在反应器内流动的物料从某一时刻开始，瞬间切换成另一种流量相同，流况不发生变化的含
Ⅰ—示踪剂输入的阶跃函数； Ⅱ—示踪剂输出(F—曲线) 89
三、实验设备及流程
1．釜式反应器(三颈瓶)一只，500ml 2．电动搅拌器一台，JB50-D 型 3．电导率仪一台，DDS-llA 型
图 2 阶跃实验装置流程示意图 1.自来水高位槽；2.开关活塞；3.调节活塞；4.搅拌器；5.反应器；6.电导电极；
停留时间分布的表示方法有两种，在反应器内物料粒子停留时间小于 t 的概率称为停留 时间分布函数 F(t)，其一阶导数
dF (t) = E(t)
(1)
dt
E(t)称为停留时间分布密度函数(其测定方法已在实验七中讨论过)，其物理意义是停留时
间在 t→t+dt 之间的概率为 E(t)dt，根据 E(t)的定义可以知道
7.电导率仪；8.测量杯；9.烧杯；10.恒温水槽；11. KCl 溶液高位槽
四、实验操作步骤
1 ．按装置图接好仪器； 2．缓慢打开自来水龙头，向高位槽注水，待溢流管中有水流出后，打开水槽出口活塞， 将水注入到搅拌釜式反应器中，缓慢启动搅拌器至不打击器壁，且釜内液体不飞溅。尽可能 形成理想搅拌，以使釜内浓度达到均匀一致，同时，控制水的流量在 100～130ml·min-1； 3．将KCl溶液流量用 10ml量筒和秒表调节到 4.5ml·min-1为宜，调节好后，即将该调节 活塞固定，同时关闭好开关活塞，使用时只需打开开关活塞即可； 4．接通已调节好的电导率仪，并将电极插入电导池中，打开电导率仪，记下水的电导 值； 5．待水的流量稳定后，打开 KCl 溶液开关活塞，同时记时，每间隔 1 分钟记录一次电 导值，直到电导值趋于不变为止； 6．停止搅拌，关闭水和 KCl 溶液的开关活塞，用虹吸方法吸出反应釜内之溶液，计量 即为反应器的有效体积 V； 7．小心将电极从电导池中取出洗净拭干，妥善收存，同时将反应釜和电导池中注入清 水清洗两次，排尽余水，整理仪器，清洁桌面。
设反应器体积为V，进入反应器物料的流量为qV，其中，示踪剂的浓度为c0，从加入示踪
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剂的瞬间算起，经过时间t时，出口中物料中示踪剂的浓度为c(t)， 由物料衡算
qVc0dt=Vdc(t)+qVc(t)dt
将上式整理后，并分离变量积分可得
∫ ∫ c(t) dc(t) = t qV dt
0 c0 − c(t) 0 V
90
五、实验记录与数据处理
(一) 数据记录 水的流量： KCl溶液的流量：
ml·min-1 ml·min-1
反应器有效体积：
ml
记录表格式如下：
大气压：
kPa
室温
t
电导率
c(t)
min μs·cm-1 mol·l-1
F(t)
△F(t)
t△F(t)
t2△F(t)
℃ 备注
∑=
∑=
∑=
(二) 数据处理
∞
∫0 E(t)dt = 1
F(t)和 E(t)的测定比较容易，前者可用阶跃示踪法测定，后者可用脉冲示踪法测定，并且 可以根据式(1)互相转换。现在对全混流反应器的 RTD 进行讨论，以便得出全混流反应器的 RTD 曲线的数学表达式。假定反应器内的流体处于全混流状态，则反应器内的浓度处处相等， 且等于出口处物料的浓度。
实验七 阶跃示踪法测定连续搅拌釜式反应器的停留时间分布
一、实验目的
本实验采用阶跃示踪法测定物料在连续搅拌釜式反应器(CSTR)内的停留时间分布 (RTD)。
1．了解 CSTR 内返混的含义及其产生的原因； 2．掌握阶跃示踪法测定 CSTR 的 RTD 曲线的方法，了解返混与 RTD 之问的关系，以 及如何利用 RTD 测定来估计反应器的性能。
有示踪剂的物料(如第一种流料为水，以 A 表示，则第二种物料为含有示踪剂的水，以 B 表示，本实验以 KCl 为示踪剂)，从以 B 切换 A 开始的同一瞬间，开始记时，并在出 口处随时检测出口物料中示踪剂浓度的变 化。示踪剂浓度 时间曲线如图 1 所示。
图 1 以示踪剂的阶跃函数作为输入时的典型输出 响应曲线—F(t)～t 曲线
1．利用所测得的电导值，根据实验六所列的κ～c关系式，计算出相应温度下的c(t)值，
并按照c(t)/c0=F(t)，计算出F(t)值〔注意：c0即反应器出口流出最后不变的c(t)值〕；
2．取 F(t)为纵坐标， t 为横坐标，标绘出 F(t)～t 曲线；
n
∑ t∆F (ti )
3．根据实验六的式(5)和本实验式(1)的关系，用t =
二、实验原理
化学反应工程学的任务是着重研究各种宏观动力学因素对反应结果的影响，而宏观动力学就
是包罗了反应器内一切过程影响的物理因素，其中包括流体流动、传热、传质等。由于流体 流动是反应器放大过程中最不易确定的因素，大型生产装置和小型实验设备中的流动情况往
往会有较大出入，同时，在流体流动过程中又伴随着传热、传质过程，因此，流体流动便成