停留时间实验

1实验8连续均相反应器停留时间分布的测定一、实验目的1．了解停留时间分布实验测定方法及数据的处理方法；2．通过脉冲示踪法测定实验反应器内示踪剂浓度隨时间的変化关系；3．求出停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）、停留时间分布数学特征值——数学期望和方差，并和多级混合模型或轴向扩散模型关联，确定模型参数——虚拟级数N或Pe。二、实验原理由于连续流动反应器内流体速度分布不均匀，或某些流体微元运动方向与主体流动方向相反及内部构件等原因，使反应器内流体流动产生不同程度的返混。在反应器设计、放大和操作时，往往需要知道反应器中返混程度的大小。通过停留时间分布测定能定量描述返混程度的大小。因此停留时间分布测定技术在化学反应工程领域中有一定的地位。停留时间分布可用分布函数F（t）和分布密度函数E（t）来表示，两者的关系为：tdttEtF0)()(（2-8-1）dttdFtE)()(（2-8-2）测定停留时间分布最常用的方法是阶跃示踪法和脉冲示踪法。阶跃法：（2-8-3）脉冲法：（2-8-4）式中：C(t)—时间t时反应器出口的示踪剂浓度。Co—阶跃示踪时反应器入口的示踪剂浓度。U—流体的流量Qλ—脉冲示踪瞬间注入的示踪剂量。0)()(CtCtF)()(tCQUtE2由此可见，若采用阶跃示踪法，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单釜与三釜串联反应器、管式反应器、滴流床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2-8-1、图2-8-2和图2-8-3。图2-8-1三釜串联实验流程图图2-8-2单釜与三釜串联实验流程图3图2-8-3管式反应器和滴流床反应器图2-8-4连续均相反应器停留时间分布实验计算机界面图14图2-8-5停留时间分布测定实验装置图2-8-6停留时间分布测定实验装置5四、实验步骤1．开启高位槽的上水阀，当高位槽出现溢流后再开启各组实验装置分阀及流量计上的阀门，并将流量调为规定值，保持高位槽溢流状态，使流量稳定；2．接通搅拌器电源，慢速启动电机，将转速调至所需稳定值；3．接通各电导率仪电源，调整电极常数与电极上标出的数值一致；4．检查数模转换器联线，接通电源；5．启动计算机，在Windows桌面上双击图标启动本采集软件，计算机界面图见图2-8-4。6．用针筒在反应器的入口快速注入一定量的1.7N的氯化钾溶液，同时单击“开始实验”,此时由计算机实时采集数据；7．待反应器浓度不再变化后，单击“退出”以结束采集。接着退出“组态环境”进入数据计算与分析”，可浏览实验结果，最后可打印出计算结果与图形。五、实验数据记录实验数据列于表8-2-1和表8-2-2。表8-2-1实验条件反应器类型流量（L/m）示踪剂注入体积（ml）反应器装水体积（ml）单釜与三釜串联反应器三釜串联反应器管式反应器滴流床反应器注：每人做一种类型实验6表8-2-2采集的实验数据时间t（秒）浓度C（t）ttC0)(E（t）F（t）六、实验数据处理在一定的温度和浓度范围，氯化钾水溶液的电导率与浓度C成正比，由实验测定反应器出口流体的电导率（或与之对应的数模转换器的毫伏数）就可求得示踪剂浓度。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)时也可用电导率（或对应的毫伏数）代替浓度进行计算。按式（2-8-5）、（2-8-6）、（2-8-7）、（2-8-8）、（2-8-9）和（2-8-10）计算实验结果。(1)停留时间分布函数：（2-8-5）(2)停留时间分布密度函数：（2-8-6）式中，△t为采样时间间隔。00)()()(tCtCtFt0)()()(tCttCtE7(3)平均停留时间：（2-8-7）(4)方差：（2-8-8）（2-8-9）(5)多数混合模型的虚拟级数：（2-8-10）七、实验结果和讨论1．将单釜、三釜、管式反应器和滴流床反应器的实验结果列于表2-8-3。表2-8-3不同类型反应器实验结果反应器τ2tσ2N单釜釜A釜B釜C管式反应器滴流床反应器2．思考题（1）示踪剂输入的方法有几种？为什么脉冲示踪法应该瞬间注入示踪剂？00)()(tCtCtt20022)()(ttCtCtt21N222t8（2）为什么要在流量U、转速n稳定一段时间后才能开始实验？（3）把脉冲法所得出口示踪剂浓度对时间作图，试问曲线下面积为何意义？（4）改变流量对平均停留时间有什么影响？八．实验注意事项1、实验过程中应始终保持水流量U和转速n不变，否则流型将发生变化，水流量的变动还将引起示踪剂物料衡算的误差。2、示踪剂应尽可能快速注入，否则E（t）将不与出口示踪剂浓度成正比，同时数学期望和方差也将出现较大的偏差。3、为准确可靠起见，应做2～3次平行实验。九．参考文献1、化学反应工程（浙江大学、华东化工学院合编）