多釜串聯(lián)實驗講義(1)

1、實驗十四連續(xù)流動反應器中的返混測定A實驗目的本實驗通過單釜與三釜反應器中停留時間分布的測定，將數(shù)據(jù)計算結(jié)果用多釜串聯(lián)模型來定量返混程度，從而認識限制返混的措施。本實驗目的為(1) 掌握停留時間分布的測定方法。(2) 了解停留時間分布與多釜串聯(lián)模型的關系。(3) 了解模型參數(shù)n的物理意義及計算方法。B實驗原理在連續(xù)流動的反應器內(nèi)，不同停留時間的物料之間的混和稱為返混。返混程度的大小，一般很難直接測定，通常是利用物料停留時間分布的測定來研究。然而測定不同狀態(tài)的反應器內(nèi)停留時間分布時，我們可以發(fā)現(xiàn)，相同的停留時間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時間分布不存在一一對應的關系，因此不能用停留時間分

2、布的實驗測定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而要借助于反應器數(shù)學模型來間接表達。物料在反應器內(nèi)的停留時間完全是一個隨機過程，須用概率分布方法來定量描述。所用的概率分布函數(shù)為停留時間分布密度函數(shù)fC)和停留時間分布函數(shù)FC)。停留時間分布密度函數(shù)fC)的物理意義是：同時進入的N個流體粒子中，停留時間介于t到t+dt間的流體粒子所占的分率dNN為f(t)dt。停留時間分布函數(shù)FQ的物理意義是：流過系統(tǒng)的物料中停留時間小于t的物料的分率。停留時間分布的測定方法有脈沖法，階躍法等，常用的是脈沖法。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，在系統(tǒng)的入口處瞬間注入一定量Q的示蹤物料，同時開始在出口流體中檢測示蹤物料的濃度變化。由停留時間分

3、布密度函數(shù)的物理含義，可知(1)(2)所以fC)_VC(t)_C(t)Jvc(tbTCW00(3)由此可見fC)與示蹤劑濃度cC)成正比。因此，本實驗中用水作為連續(xù)流動的物料，以飽和KCl作示蹤劑，在反應器出口處檢測溶液電導值。在一定范圍內(nèi)，KCl濃度與電導值成正比，則可用電導值來表達物料的停留時間變化關系，即fC)*L()，這里L(t)_L-L，L為t時刻的電導值，L為無示蹤劑時電導值。tgt8停留時間分布密度函數(shù)fC)在概率論中有二個特征值，平均停留時間(數(shù)學期望)；和方差b2。tt的表達式為八be()dt(4)-_Jf(t)dt_0-0Je(t)dt0采用離散形式表達，并取相同時間間隔A

4、t,則：-_DC(tkt_Et-_YC(、A_EL(t)(5)b2的表達式為：tb2_Jg(t-t)2f()dt_jg12f(tMt-t2t00也用離散形式表達，并取相同At，貝y：(7)Et2C(t)()Et2L(t)b2_T2_t2tECVt)EL(t)若用無因次對比時間0來表示，即0=t/1，在測定了一個系統(tǒng)的停留時間分布后，如何來評介其返混程度，則需要用反應器模型來描述，這里我們采用的是多釜串聯(lián)模型。所謂多釜串聯(lián)模型是將一個實際反應器中的返混情況作為與若干個全混釜串聯(lián)時的返混程度等效。這里的若干個全混釜個數(shù)n是虛擬值，并不代表反應器個數(shù),n稱為模型參數(shù)。多釜串聯(lián)模型假定每個反應器為全混

5、釜，反應器之間無返混，每個全混釜體積相同，則可以推導得到多釜串聯(lián)反應器的停留時間分布函數(shù)關系，并得到無因次方裁u與模型參數(shù)n存在關系為1n=c（8）b2U當n二1，ou=1，為全混釜特征；當nfg，02t0，為平推流特征；這里n是模型參數(shù)，是個虛擬釜數(shù)，并不限于整數(shù)。C預習與思考（1）為什么說返混與停留時間分布不是一一對應的？為什么我們又可以通過測定停留時間分布來研究返混呢？（2）測定停留時間分布的方法有哪些？本實驗采用哪種方法？（3）何謂返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有哪些？（4）何謂示蹤劑？有何要求？本實驗用什么作示蹤劑？（5）模型參數(shù)與實驗中反應釜的個數(shù)有何不同？為什么？D實驗裝

6、置與流程實驗裝置如圖2-22所示，由單釜與三釜串聯(lián)二個系統(tǒng)組成。三釜串聯(lián)反應器中每個釜的體積為1L，單釜反應器體積為3L,用可控硅直流調(diào)速裝置調(diào)速。實驗時，水分別從二個轉(zhuǎn)子流量計流入二個系統(tǒng)，穩(wěn)定后在二個系統(tǒng)的入口處分別快速注入示蹤劑，由每個反應釜出口處電導電極檢測示蹤劑濃度變化，并由記錄儀自動錄下來。圖2-22連續(xù)流動反應器返混實驗裝置圖1-全混釜(3L)；2、3、4-全混釜(1L)；5-轉(zhuǎn)子流量計；6-電機;7-電導率儀；8-電導電極；9-記錄儀；10-四筆記錄儀或微機E實驗步驟及方法(1) 通水，開啟水開關，讓水注滿反應釜，調(diào)節(jié)進水流量為20Lh，保持流量穩(wěn)定。(2) 通電，開啟電源開關

7、。 開記錄儀，記下走紙速度; 開電導儀并調(diào)整好，以備測量； 開動攪拌裝置，轉(zhuǎn)速應大于300rmino(3) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，用注射器迅速注入示蹤劑，在記錄紙上作起始標記。(4) 當記錄儀上顯示的濃度在2min內(nèi)覺察不到變化時，即認為終點己到。(5) 關閉儀器，電源，水源，排清釜中料液，實驗結(jié)束。F實驗數(shù)據(jù)處理根據(jù)實驗結(jié)果，我們可以得到單釜與三釜的停留時間分布曲線，這里的物理量-電導值L對應了示蹤劑濃度的變化；走紙的長度方向?qū)藴y定的時間，可以由記錄儀走紙速度換算出來。然后用離散化方法，在曲線上相同時間間隔取點，一般可取20個數(shù)據(jù)點左右，再由公式(5)，(7)分別計算出各自的和b2，及無因次方差

8、玄=2片。通過多釜串tUt聯(lián)模型，利用公式(8)求出相應的模型參數(shù)n,隨后根據(jù)n的數(shù)值大小，就可確定單釜和三釜系統(tǒng)的兩種返混程度大小。若采用微機數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，則可直接由電導率儀輸出信號至計算機，由計算機負責數(shù)據(jù)采集與分析，在顯示器上畫出停留時間分布動態(tài)曲線圖，并在實驗結(jié)束后自動計算平均停留時間、方差和模型參數(shù)。停留時間分布曲線圖與相應數(shù)據(jù)均可方便地保存或打印輸出，減少了手工計算的工作量。G結(jié)果與討論(1) 計算出單釜與三釜系統(tǒng)的平均停留時間i，并與理論值比較，分析偏差原因；(2) 計算模型參數(shù)n討論二種系統(tǒng)的返混程度大??；(3)討論一下如何限制返混或加大返混程度。H主要符號說明CC)-t時刻反應器內(nèi)示蹤劑濃度；fC)-停留時間分布密度；FC)-停留時間分布函數(shù)；L,L,L(t)-