实验七 管式循环反应器停留时间测定

实验七 管式循环反应器停留时间测定

1. 目的及任务

1.1. 实验目的

1. 了解连续均相管式循环反应器的返混特性；

2. 掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法；

3. 分析观察连续均相管式循环反应器的流动特性；

4. 研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n。

1.2. 实验任务

1. 用脉冲示踪法测定循环反应器停留时间分布；

2. 改变循环比，确定不同循环比下的系统返混程度；

3. 观察循环反应器的流动特征。

2. 基本原理

停留时间分布的实验在工业生产上，对某些反应为了控制反应物的合适浓度，以便控制温度、转化率和收率，同时需要使物料在反应器内有足够的停留时间，并具有一定的线速度，而将反应物的一部分物料返回到反应器进口，使其与新鲜的物料混合再进入反应器进行反应。在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。对于这种反应器循环与返混之间的关系，需要通过实验来测定。

在连续均相管式循环反应器中，若循环流量等于零，则反应器的返混程度与平推流反应器相近，由于管内流体的速度分布和扩散，会造成较小的返混。若有循环操作，则反应器出口的流体被强制返回反应器入口，也就是返混。返混程度的大小与循环流量有关，通常定义循环比R为：

循环比R是连续均相管式反应器的重要特征，可自零变至无穷大。

当R=0时，相当于平推流管式反应器。

当R=∞时，相当于全混流反应器。

因此，对于连续均相管式循环反应器，可以通过调节循环比R，得到不同返混程度的反应系统。一般情况下，循环比大于20时，系统的返混特性已经非常接近全混流反应器。

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。

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及物料衡算，可知

QftdtVCtdt (1)

示踪剂加入量符合

0dttVCQ (2)

由（1）与（2）可得停留时间分布密度函数

dttCtCdttVCtVCtf00 (3)

由此可见tf与示踪剂浓度tC成正比。因此，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电导值。在一定范围内，KCl浓度与电导值L成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即tLtf，这里LLtLt，tL为t时刻的电导值，∞L为无示踪剂时电导值。

停留时间分布密度函数tf在概率论中有二个特征值，即平均停留时间（数学期望）t和方差2t。t与2t的表达式为：

000dttCdtttCdtttft

(4)

202022tdttftdttfttt （5）

采用离散形式表达，并取相同时间间隔,t则：

tLtLtttCtttCt (6)

22222ttLtLtttCtCtt （7）

若用无因次对比时间来表示，即tt＝，无因次方差222tt＝ 。 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模型。

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2与模型参数n存在关系为

21n （8）

当 1n， 12 ，为全混釜特征；当n， 02， 为平推流特征；

这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。

3. 装置和流程

3.1. 装置流程

4. 操作要点

4.1. 准备工作

1. 示踪剂饱和氯化钾溶液400ml以上（瓶装）；

2. 500ml烧杯2个，将瓶中饱和氯化钾上清液小心倒入烧杯中约200ml（半杯），尽量防止倒入氯化钾结晶；

3. 5ml注射器4只，两用两备，7号注射器针头4只，两用两备；

4. 熟悉流量计与流量控制，熟悉循环泵与循环比的调节；

5. 熟悉注射器进样操作，使用清水模拟操作；

6. 熟悉“管式循环反应器”计算机数据采集系统的操作，演练“开始—结束—保存—打印”。

4.2. 实验步骤

1. 通水，开启水开关，使水充满反应管并从塔顶稳定流出，调节进水流量为15 L/H，保持流量稳定。

2. 通电，开启电源开关。

（1）打开计算机数据采集系统，设定参数值，进入预备状态界面；

（2）开电导仪，调整好，以备测量；

3. 不循环条件（R=0），待系统流量稳定后，用注射器迅速注入1ml示踪剂KCl饱和溶液，同时按计算机数据采集系统的“开始”键，记录电导率随时间变化轨迹；

4. 当计算机画面显示的电导率值在2min内觉察不到变化时，即认为终点己到，按“结束”键，同时保存并打印结果。

5. 打开循环泵，分别调节循环流量令R=5、10，待流量稳定后，重复3、4过程；

6. 关闭仪器，电源，水源，排清反应器中料液，实验结束。

4.3. 注意事项

1. 整个实验过程，要注意控制流量稳定；

2. 示踪剂饱和KCl溶液需一次迅速注入（例如1-3秒之内）；

3. 用注射器抽取饱和KCl溶液时，注意不要抽到底层KCl结晶，以免堵塞针头；如果针头堵塞，切勿强推注入，而应拔出重做；

4. 一旦失误，应该等示踪剂出峰全部走平后重做，或在老师指导下，把水全部排放后置换清水重做。 5. 实验数据与数据处理

5.1. 实验原始数据

5.2. 实验数据处理

序号 R=0 R=5 R=10

L1 t*L1 t^2*L1 L2 t*L2 t^2*L2 L3 t*L3 t^2*L3

1 0.000 0 0 0.000 0 0 2.399 33.586 470.204

2 0.002 0.016 0.128 0.000 0 0 4.111 119.219 3457.351

3 0.000 0 0 2.802 67.248 1613.952 0.658 28.952 1273.888

4 -0.001 -0.016 -0.256 2.989 95.648 3060.736 0.570 33.63 1984.17

5 0.000 0 0 0.209 8.36 334.4 1.708 124.684 9101.932

6 0.002 0.048 1.152 0.023 1.104 52.992 2.290 201.52 17733.76

7 0.000 0 0 0.056 3.136 175.616 1.529 157.487 16221.16 8 0.000 0 0 1.685 109.525 7119.125 0.821 96.057 11238.67

9 0.000 0 0 2.200 160.6 11723.8 1.109 146.388 19323.22

10 0.000 0 0 0.609 49.329 3995.649 1.469 215.943 31743.62

11 0.000 0 0 0.137 12.193 1085.177

1.251 201.411

32427.17

12 -0.001 -0.049 -2.401 0.142 13.774 1336.078 0.938 165.088

29055.49

13 -0.001 -0.053 -2.809 1.093 114.765 12050.33 0.852

162.732

31081.81

14 0.000 0 0 1.655 187.015 21132.7 0.970 198.85 40764.25

15 -0.001 -0.061 -3.721 0.790 96.38 11758.36 1.025 225.5 49610

16 0.006 0.438 31.974 1.090 161.32 23875.36 0.746 197.69 52387.85

17 0.415 35.275 2998.375 0.209 36.575 6400.625 0.705 219.255 68188.31

18 2.384 231.248 22431.06 0.655 132.31 26726.62 0.623 222.411 79400.73

19 3.372 370.92 40801.2 0.514 117.706 26954.67 0.545 219.09 88074.18

20 2.299 280.478 34218.32 0.235 60.16 15400.96 0.497 222.656 99749.89

21 1.150 154.1 20649.4 0.420 118.86 33637.38 0.456 224.808 110830.3

22 0.453 66.138 9656.148 0.279 86.49 26811.9 0.424 228.536 123180.9

23 0.194 30.652 4843.016 0.204 68.748 23168.08 0.369 215.865 126281

24 0.074 12.654 2163.834 0.252 91.476 33205.79 0.360 226.8 142884

25 0.034 6.222 1138.626 0.176 68.64 26769.6 0.342 231.192 156285.8

26 0.017 3.315 646.425 0.154 64.218 26778.91 0.331 238.651 172067.4

27 0.008 1.664 346.112 0.161 71.484 31738.9 0.322 246.974 189429.1

28 0.007 1.54 338.8 0.105 49.455 23293.31 0.311 252.843 205561.4

29 0.003 0.696 161.472 0.098 48.804 24304.39 0.307 263.406 226002.3

30 0.002 0.488 119.072 0.088 46.2 24255 0.302 273.008 246799.2

求和 10.418 1195.713 140535.9 19.030 2141.523 448760.4 28.340 5594.232 2382609

T平均 方差 无因次方差 N

R=0 114.774 316.706 0.0240 41.5938