實驗八-連續(xù)流動反應器中的返混測定

實驗八連續(xù)流動反應器中的返混測定目的及任務(wù)實驗目的了解全混釜和多釜串聯(lián)反應器的返混特性；掌握利用電導率測定停留時間分布的基本原理和實驗方法；了解停留時間分布與多釜串聯(lián)模型的關(guān)系；了解模型參數(shù)n的物理意義及計算方法。實驗任務(wù)用脈沖示蹤法測定單反應釜停留時間分布，確定返混程度；用脈沖示蹤法測定三反應釜串聯(lián)系統(tǒng)的停留時間分布，確定返混程度；基本原理在連續(xù)流動的釜式反應器內(nèi)，激烈的攪拌使得反應器內(nèi)物料發(fā)生混合，反應器出口處的物料會返回流動與進口處物料混合，形成空間上的返混；為限制空間返混的發(fā)生程度，通常從幾何空間上將一個反應釜分成多個反應釜，可以使返混程度降低。在連續(xù)流動的釜式反應器內(nèi)，不同停留時間的物料之間的混合形成時間上的返混。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(guān)系，因此不能用停留時間分布的實驗測定數(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。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。由停留時間分布密度函數(shù)的物理含義及物料衡算，可知(1)示蹤劑加入量符合(2)由（1）與（2）可得停留時間分布密度函數(shù)(3)由此可見與示蹤劑濃度成正比。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L成正比，則可用電導值來表達物料的停留時間變化關(guān)系，即，這里，為t時刻的電導值，為無示蹤劑時電導值。停留時間分布密度函數(shù)在概率論中有二個特征值，即平均停留時間（數(shù)學期望）和方差。與的表達式為：(4)（5）采用離散形式表達，并取相同時間間隔則：(6)（7）若用無因次對比時間來表示，即，無因次方差。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(guān)系，并得到無因次方差與模型參數(shù)n存在關(guān)系為（8）當，，為全混釜特征；數(shù)據(jù)處理結(jié)果序號三釜單釜T*L1T*L2T*L3T2*L1T2*L2T2*L3T*LT2*L140.6031.5010.076771.45728.5191.44415.232258.944271.70614.9720.572724.828568.93621.6630.3451062.075394.6234.5993.5915393.341972.143204.68742.9002230.8004112.57457.44211.8588668.1984423.034913.06656.0003920.0005122.68882.65621.40811778.057934.9762055.16866.2945767.5786127.65104.76535.99514679.7512047.984139.42577.1758103.3757129.176126.6355.20817309.5816968.427397.87283.69210210.4248129.591145.96272.82819827.4222332.1911142.6890.86012720.4009125.388162.5497.69621566.7427956.8816803.7196.71215183.78410121.92178.176120.19223408.6434209.7923076.86105.00018375.00011114.995189.056139.68224263.9539890.8229472.9110.78421270.52812110.17198.95161.6925339.145758.537188.7114.45024034.50013103.584205.923180.52525792.4251274.8344950.73118.72126949.6671493.8209.844203.94825138.456238.1954658.06118.82529112.1251586.674205.205222.99924875.4458893.8464000.71120.78231644.8841671.829199.872265.80224924.6669355.5892233.29125.37039491.5501752.096177.452282.86521203.0772222.96115126.1130.25748064.8331842.964162.516294.2120064.1975894.97137396.1125.33452890.9481937.944133.858292.48519996.4970543.17154139.6117.80055955.0002030.524116.813272.36817917.5968569.23159880112.67759606.1332124.624100.44255.9615956.3565085.12165862.1104.17860631.5962224.07283.544228.68417042.9859149.15161908.3104.77566532.1252319.256.832204.28814745.643646.98156893.299.90568834.5452415.73245.54171.39613026.137707.12141915.992.75068820.5002513.3232.856153.62411828.1629176.13136418.187.56069697.760264.7425.596131.7724493.5224265.01124919.985.74972800.901276.04823.184120.966096.38423369.47121927.775.76868342.736283.20416.0279.0323421.87217109.3684406.1854.49252094.352294.5127.89662.045089.5368906.68869981.1248.43248867.888302.3768.31646.3322822.6889879.40855042.4241.41843985.916SUM1938.3243108.9564190.084450166.5105537921740782654.2371087460.867T平均方差無因次方差N單釜210.8441929.30.943241.06018三釜1125.02913405.140.8575311.166138三釜2225.499125699.040.5053911.978667三釜3368.100155495.650.4095692.441592數(shù)據(jù)計算（以單釜數(shù)據(jù)計算為例）計算基準：1.102L=V-1.102平均停留時間：=2654.237/12.589=210.84S方差：=1087460.867/12.589-210.842=41929.3無因此方差：=41929.3/210.842=0.94324模型參數(shù)N：=1/0.94324=1.06018實驗結(jié)果討論計算出單釜與三釜系統(tǒng)平均停留時間，并與理論值比較，分析偏差原因；計算T平均理論T單釜210.84307釜一125.029151釜二225.4991299釜三368.1001464由上表所示，可以看出由離散法計算出的結(jié)果與計算機給出的結(jié)果有較大偏差。主要原因有兩個：其一是算法所致。計算機計算所用方法近似為積分法，而數(shù)據(jù)處理所用為離散法；其二是所用數(shù)據(jù)選取間隔較大，數(shù)據(jù)波動值同樣較大，同時數(shù)據(jù)點未能準確標出峰值。計算模型參數(shù)n，討論二種系統(tǒng)的返混程度大小，并比較與實際反應釜級數(shù)的差異；計算模型參數(shù)理論模型參數(shù)單釜1.060181.50三釜11.1661381.15三釜21.9786672.28三釜32.4415923.69由上表可知，單釜模擬參數(shù)計算值小于理論值，三釜1模擬參數(shù)計算值大于理論值，三釜2、三釜3小于理論值。思考題何謂返混？返混的起因是什么？答：返混是指在裝置內(nèi)向某一方向流動的流體收到某種影響（如擋板或攪拌器的作用）后，其中一部分流體發(fā)生反向流動并在流道橫截面上充分混合的現(xiàn)象。返混的起因：返混產(chǎn)生的原因有兩點(1)反應器內(nèi)的環(huán)流運動物料在連續(xù)反