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文檔簡介
1、串聯(lián)流動反應(yīng)器停留時間分布測定實驗制訂:津大北洋修訂:曾宏1實驗目的1. 通過實驗了解:利用 電導率測定停留時間分布的基本原理和實驗方法。2. 掌握停留時間分布的 統(tǒng)計特征值的計算方法。3. 學會用理想反應(yīng)器串聯(lián)模型 來描述實驗系統(tǒng)的流動特性。4. 了解微機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方法。2實驗原理本實驗停留時間分布測定所采用的主要是 示蹤響應(yīng)法。它的原理是:在反應(yīng)器入口用電 磁閥控制的方式加入一定量的 示蹤劑KN0 3,通過電導率儀測量反應(yīng)器出口處水溶液電導率 * 的變化,間接的描述反應(yīng)器流體的停留時間。常用的示蹤劑加入方式有脈沖輸入,階躍輸入 和周期輸入等。本實驗選用脈沖輸入法。脈沖輸入法是在較短的時
2、間內(nèi)(0.11.0秒),向設(shè)備內(nèi)一次注入一定量的示蹤劑,同時 開始計時并不斷分析出口示蹤物料的濃度c(t)隨時間的變化。由概率論知識, 概率分布密度E(t)就是系統(tǒng)的停留時間分布密度函數(shù)。因此,E(t)dt就代表了流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間 介于t-dt間的概率。在反應(yīng)器出口處測得的示蹤計濃度 c(t)與時間t的關(guān)系曲線叫響應(yīng)曲線。由響應(yīng)曲線可以 計算出E(t)與時間t的關(guān)系,并繪出E(t)t關(guān)系曲線。計算方法是對反應(yīng)器作示蹤劑的物料 衡算,即:(1)Qc t dt =mE(t)dt式中Q表示主流體的流量,m為示蹤劑的加入量,示蹤劑的加入量可以用下式計算:m=;0Qc(t)dt(2)在Q值不變
3、的情況下,由(1)式和(2)式求出:E(t)二(3)c(t)qQ0 c(t)dt關(guān)于停留時間分布的另一個統(tǒng)計函數(shù)是停留時間分布函數(shù)F(t),即: (4)用停留時間分布密度函數(shù)E(t)和停留時間分布函數(shù)F(t)來描述系統(tǒng)的停留時間,給出了很 好的統(tǒng)計分布規(guī)律。但是為了比較不同停留時間分布之間的差異,還需引進兩個統(tǒng)計特征, 即數(shù)學期望和方差。數(shù)學期望對停留時間分布而言就是 平均停留時間t,即-0tE(t)dtt =閃=0 tE(t)dt(5)o E(t)dt 方差是和理想反應(yīng)器模型關(guān)系密切的參數(shù)。它的定義是:+ 二 :t2E(t)dt -占(6)對活塞流反應(yīng)器二2 = 0;而對全混流反應(yīng)器匚;=t
4、2 ;的二2來計算。t2N 2(7)當N為整數(shù)時代表該非理想流動反應(yīng)器可用N個等體積的全混流反應(yīng)器的串聯(lián)來建立模型當N為非整數(shù)時??梢杂盟纳嵛迦氲姆椒ń铺幚硪部梢杂貌坏润w積的全混流反應(yīng)器串聯(lián) 模型。3裝置、流程及試劑3.1裝置流程反應(yīng)器為有機玻璃制成的攪拌釜。其有效容積為1000ml。攪拌方式為葉輪攪拌。流程中配有四個這樣的攪拌釜。示蹤劑是通過一個電磁閥瞬時注入反應(yīng)器。示蹤劑KNO3在不同時刻濃度c(t)的檢測通過電導率儀完成。圖1:數(shù)據(jù)采集原理方框圖電導率儀的傳感為鉑電極,當含有KNO3的水溶液通過安裝在釜內(nèi)液相出口處鉑電極時, 電導率儀將濃度c(t)轉(zhuǎn)化為毫伏級的直流電壓信號,該信號經(jīng)放
5、大器與A/D轉(zhuǎn)機卡處理后,由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該代表濃度c(t)的數(shù)字信號在微機內(nèi)用預先輸入的程序進行數(shù)據(jù) 處理并計算出每釜平均停留時間和方差以及 N后,由打印機輸出。3.2實驗儀器反應(yīng)器為有機玻璃制成的攪拌釜(1000ml)D 7401型電動攪拌器DDS 11C型電導率儀3個LZB型轉(zhuǎn)子流量計(DN = 10mm, L = 101001/h)1個DF2 3 電磁閥(PN0.8MPa 220V)1 個壓力表(量程0l.6MPa 精度1.5級)3個數(shù)據(jù)采集與A / D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)1套控制與數(shù)據(jù)處理微型計算機1臺打印機1臺3.3試劑主流體自來水示蹤劑KNO3飽和溶液4實驗步驟1. 打開系統(tǒng)電源,
6、使 電導率預熱20分鐘。2. 打開自來水閥門向貯水槽進水,開動離心泵,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計的流量,待各釜內(nèi)充 滿水后將流量調(diào)至90L/h,打開各釜放空閥,排凈反應(yīng)器內(nèi)殘留的空氣。3. 將預先配制好的飽和KNO 3溶液加入示蹤劑瓶內(nèi)調(diào)整水的閥門使瓶內(nèi)壓強調(diào)至適當數(shù)值(0.030.05MPa)。4. 觀察各釜的電導率值,并 逐個調(diào)零和滿量程,各釜所測定值應(yīng)基本相同。5. 啟動計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),使其處于正常工作狀態(tài)。6. 鍵入實驗條件:將進水流量、攪拌轉(zhuǎn)速、進水溫度、室內(nèi)溫度分別輸入微機內(nèi),并 打印輸出。7. 在同一個水流量條件下,分別進行 2個攪拌轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集;也可以在相同轉(zhuǎn)速下 改變液體流量,依次
7、完成所有條件下的數(shù)據(jù)采集。8. 選擇進樣時間為0.11.0秒,按“開始”鍵自動進行數(shù)據(jù)采集每次采集時間約需 35 40分鐘。結(jié)束時按“停止”鍵,并立即按“保存數(shù)據(jù)”鍵存儲數(shù)據(jù)。9. 數(shù)據(jù)采集后對曲線圖進行分析時每次終止時間應(yīng)相同,以免對實驗結(jié)果造成誤差,應(yīng)注意相鄰兩釜之差小于1,且釜數(shù)N小于實際釜數(shù)。10. 結(jié)束實驗:先關(guān)閉自來水閥門,再依次關(guān)閉水泵和攪拌器、電導率儀、總電源 ;關(guān) 閉計算機。將儀器復原。5數(shù)據(jù)處理以進水流量為50升/小時的附圖為例,取第三釜曲線,取 20個點,計算多釜串聯(lián)中的模型參數(shù)N,由附圖可以直接讀出時間及電導率的數(shù)值 (由于電導率與濃度之間存在線性關(guān)系, 故可以直接對電
8、導率進行復化辛普森積分,求出平均停留時間和方差,并以此可以求出模型 參數(shù)N。用復化辛普森公式求積分:廣f (t)dt = I f (a) +4Z1 f (x打)+ 2扌 f (Xk) + f (b) I1067 選 7h=596/10=59.6n=10閃h _991C(t)dt= |C0 +4送 CCk +C10 =59.6/60.05+4 (0.192857+1.292857+1.735714106心k42心+1.478571+1.05+0.692857+0.478571+0.292857+0.192857+0.121429)+2(0.692857+1.621429+1.65+1.22142
9、9+0.85+0.55+0.364286+0.264286+0.164286)+0.05=446.7162E(t)=C(t)QO0C(t)t = 0 tE (t)dt 二h99=59.6/60+4 013937+0.2802-tEo(t) 4、tEk 1(t)2、tEk(t) tE10(t)6 |kz0k 2kz082+0.627151+0.747935+0.682898+0.550757+0.449587+0.317447+0.236924+0.166724)+20.100 X138+0.468686+0.715416+0.706125+0.614246+0.476944+0.368548+
10、0.305575+0.213696)+0.0722 64=241.4354:20t2E(t)dt=59.6/60+4 (0.415313+25.0= hk2E(t)+4 t2Ek(t)+2f t2Ek(t) + t2E1(t)6k=02k=05723+93.44547+156.0193+183.1531+180.5382+174.17+141.8987+120.0255+94.39915)+25.968 X204+55.86731+127.9165+168.3403+183.0454+170.5553+153.7582+145.698+114.6264)+43.06952=69246.352
11、2 -2s2 = 0 t2E(t)dtt 2=10955.3N =打=5.320811t/sc(t)e(t)tE(t)t*2E(t)00.050.0001210029.80.1928570.0004680.0139370.41531359.60.6928570.001680.1001385.96820489.41.2928570.0031350.28028225.05723119.21.6214290.0039320.46868655.867311491.7357140.0042090.62715193.44547178.81.650.0040010.715416127.9165208.61.
12、4785710.0035860.747935156.0193238.41.2214290.0029620.706125168.3403268.21.050.0025460.682898183.15312980.850.0020610.614246183.0454327.80.6928570.001680.550757180.5382357.60.550.0013340.476944170.5553387.40.4785710.0011610.449587174.17417.20.3642860.0008830.368548153.75824470.2928570.000710.31744714
13、1.8987476.80.2642860.0006410.305575145.698506.60.1928570.0004680.236924120.0255536.40.1642860.0003980.213696114.6264566.20.1214290.0002940.16672494.399155960.050.0001210.07226443.069526思考題1. 既然反應(yīng)器的個數(shù)是4個,模型參數(shù)N又代表全混流反應(yīng)器的個數(shù),那么N就是應(yīng)該4,若不是,為什么?答:不是,全混流反應(yīng)器是一種反混為無限大的理想化的流動反應(yīng)器,實驗中用的反應(yīng)器在實驗條件下無法達到全混流反應(yīng)器的返混程度,所以即使是4個反應(yīng)器串聯(lián)N值也小于4。2. 全混流反應(yīng)器具有什么特征,如何利用實驗方法判斷攪拌釜是否達到全混流反應(yīng)器的模型要求?如果尚未達到,如何調(diào)整實驗條件使其接近這一理想模型?答:全混流反應(yīng)器是一種返混為無限大的理想比的流動反應(yīng)器,其特征是物料進入反應(yīng)器的瞬時即與反應(yīng)器內(nèi)的原有物料完全混合,反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度處處相等且等于反應(yīng)器出口處的物料的組成和溫度。可利用本實驗所用的脈沖法測量攪拌釜的停留時間分布,通過計算停留時間分布的無因次方差,若攪拌釜達到全混流反應(yīng),則方差為1。加強攪拌,攪拌良好且流體粘度不大的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器,當反應(yīng)不是很快,停留
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