連續(xù)流動反應(yīng)器中的反混測定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

連續(xù)流動反應(yīng)器中返混測定-實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)通過三釜反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的測定，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑檎莆胀Ａ魰r(shí)間分布的測定方法。掌握如何應(yīng)用停留時(shí)間分布的測定來描述反應(yīng)器中的逆向混合情況。了解模型參數(shù)n的物理意義及計(jì)算方法。二實(shí)驗(yàn)原理在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)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(shí)間分布的測定來研究。然而測定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，相同的停留時(shí)間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時(shí)間分布不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此不能用停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而要借助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型來間接表達(dá)。物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間完全是一個(gè)隨機(jī)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(shí)間分布密度函數(shù)fQ和停留時(shí)間分布函數(shù)f(t)。停留時(shí)間分布密度函數(shù)fQ的物理意義是：同時(shí)進(jìn)入的N個(gè)流體粒子中，停留時(shí)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(shí)間分布函數(shù)F(t)的物理意義是：流過系統(tǒng)的物料中停留時(shí)間小于t的物料的分率。停留時(shí)間分布的測定方法有脈沖法，階躍法等，常用的是脈沖法。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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(shí)開始在出口流體中檢測示蹤物料的濃度變化。由停留時(shí)間分布密度函數(shù)的物理含義，可知TOC\o"1-5"\h\zf(t)dt=V-C(t*Q (1)Q=\^VC(t)dt (2)0所以\o"CurrentDocument"f(t)=rVC°=「C° ⑶\vc(t^t\c(t)7t0 0由此可見f(t)與示蹤劑濃度C(t)成正比。因此，本實(shí)驗(yàn)中用水作為連續(xù)流動的物料，以飽和KC/作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測溶液電導(dǎo)值。在一定范圍內(nèi)，KCI濃度與電導(dǎo)值成正比，則可用電導(dǎo)值來表達(dá)物料的停留時(shí)間變化關(guān)系，即fQgL(t)，這里L(fēng)t)=L—，匕為t時(shí)刻的電導(dǎo)值，L無示蹤劑時(shí)電導(dǎo)值。停留時(shí)間分布密度函數(shù)f(t)在概率論中有二個(gè)特征值，平均停留時(shí)間(數(shù)學(xué)期望)t和方差a2。tr的表達(dá)式為：LcQdtt=}"tf(t)dt=00 Jc(t)dt0采用離散形式表達(dá)，并取相同時(shí)間間隔M則:(5)—_YtC(tNt_￡t-L(t)=EC(tkt—ElQ(5)b2的表達(dá)式為：tTOC\o"1-5"\h\zb2=jX—t)2f(t)dt=』勺2f(t新-t2 (6)也用離散形式表達(dá)，并取相同At，則：￡t2C(t)(_\ ￡t2L(t)_b2= —V力= —t2t ￡C3 ￡l3若用無因次對比時(shí)間0來表示，即0=t..H，無因次方差b2=b2/12。在測定了一個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間分布后，如何來評介其返混程度，則需要用反應(yīng)器模型來描述，這里我們采用的是多釜串聯(lián)反應(yīng)器。所謂多釜串聯(lián)模型是將一個(gè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混情況作為與若干個(gè)全混釜串聯(lián)時(shí)的返混程度等效。這里的若干個(gè)全混釜個(gè)數(shù)n是虛擬值，并不代表反應(yīng)器個(gè)數(shù)，n稱為模型參數(shù)。多釜串聯(lián)模型假定每個(gè)反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無返混，每個(gè)全混釜體積相同，則可以推導(dǎo)得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)關(guān)系，并得到無因次方差b2與模型參數(shù)n存在關(guān)系為01n=——b20(8)當(dāng)n=1， b2=1，為全混釜特征；0當(dāng)n*， b2t0， 為平推流特征；0

這里n是模型參數(shù)，是個(gè)虛擬釜數(shù)，并不限于整數(shù)。三實(shí)驗(yàn)裝置與流程實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，為三釜串聯(lián)系統(tǒng)。三釜串聯(lián)反應(yīng)器中每個(gè)釜的體積為1L；用調(diào)速裝置調(diào)速。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入系統(tǒng)。穩(wěn)定后在第1釜上部由計(jì)算機(jī)控制電磁閥注入示蹤劑（飽和的KNO3溶液），由每個(gè)反應(yīng)釜出口處電導(dǎo)電極檢測示蹤劑濃度變化，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并儲存。HltjiSlOlPlOl電導(dǎo)率偵｝金峰電導(dǎo)率儀HltjiSlOlPlOl電導(dǎo)率偵｝金峰電導(dǎo)率儀3全混釜％'電導(dǎo)摩儀2金混條！電導(dǎo)率儀IYir）l冰儲槽下水圖1,實(shí)驗(yàn)裝置流程圖四實(shí)驗(yàn)步驟及方法（1） 通電，開啟電源開關(guān)。（2） 開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)。（3）通水，開啟水開關(guān)，讓水注滿反應(yīng)釜，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量為20Lh，保持流量穩(wěn)定。（4）開動攪拌裝置，轉(zhuǎn)速應(yīng)大于300rmin。（5） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，迅速注入示蹤劑，在計(jì)算機(jī)上開始數(shù)據(jù)采集。（6） 當(dāng)計(jì)算機(jī)上顯示的濃度在2min內(nèi)覺察不到變化時(shí)，即認(rèn)為終點(diǎn)己到。（7） 關(guān)閉儀器，電源，水源，排清釜中料液，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理這里需要得到的物理量為電導(dǎo)值L（對應(yīng)了示蹤劑濃度的變化）和測定的時(shí)間。然后用離散化方法，在曲線上相同時(shí)間間隔取點(diǎn)，一般可取20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右，再由公式（5），（7）分別計(jì)算出各自的商°2，及無因次方差°注g.."；2。通過多釜串聯(lián)模型，利用公式（8）求出相應(yīng)的模型參數(shù)n，隨后根據(jù)n的數(shù)值大小，就可確定系統(tǒng)的返混程度大小。若采用微機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，則可直接由電導(dǎo)率儀輸出信號至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與分析，在顯示器上畫出停留時(shí)間分布動態(tài)曲線圖，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后自動計(jì)算平均停留時(shí)間、方差和模型參數(shù)。停留時(shí)間分布曲線圖與相應(yīng)數(shù)據(jù)均可方便地保存或打印輸出，減少了手工計(jì)算的工作量。六結(jié)果與討論（1）計(jì)算出三釜與管式反應(yīng)器系統(tǒng)的平均停留時(shí)間r，并與理論值比較，分析偏差原因；計(jì)算模型參數(shù)n；討論一下如何限制返混或加大返混程度。七主要符號說明C(t)