实验八连续流动反应器中的返混测定讲解.docx
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实验八连续流动反应器中的返混测定讲解
北京化工大学
实验八连续流动反应器中的返混测定
班级：
化工1206
姓名：
刘亚茹
学号：
2012011164
实验时间：
2015年10月29日
目的及任务
实验目的
1.了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性；
2.掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法；
3.了解停留时间分布与多釜串联模型的关系；
4.了解模型参数n的物理意义及计算方法。
实验任务
1.用脉冲示踪法测定单反应釜停留时间分布，确定返混程度；
2.用脉冲示踪法测定三反应釜串联系统的停留时间分布，确定返混程度；
基本原理
在连续流动的釜式反应器内，激烈的搅拌使得反应器内物料发生混合，反应器出口处的物料会返回流动与进口处物料混合，形成空间上的返混；为限制空间返混的发生程度，通常从几何空间上将一个反应釜分成多个反应釜，可以使返混程度降低。
在连续流动的釜式反应器内，不同停留时间的物料之间的混合形成时间上的返混。
返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。
然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。
停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。
当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。
由停留时间分布密度函数的物理含义及物料衡算，可知
（1）
示踪剂加入量符合
（2）
由
（1）与
（2）可得停留时间分布密度函数
（3）
由此可见
与示踪剂浓度
成正比。
因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。
在一定范围内，KCl浓度与电导值L成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即
，这里
，
为t时刻的电导值，
为无示踪剂时电导值。
停留时间分布密度函数
在概率论中有二个特征值，即平均停留时间（数学期望）
和方差
。
与
的表达式为：
（4）
（5）
采用离散形式表达，并取相同时间间隔
则：
（6）
（7）
若用无因次对比时间
来表示，即
，无因次方差
。
在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。
所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个全混釜串联时的返混程度等效。
这里的若干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反应器个数，n称为模型参数。
多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无因次方差
与模型参数n存在关系为
（8）
当
，
，为全混釜特征；
当
，
，为平推流特征；
这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。
装置和流程
实验装置
显示开关
电源开关
电导率显示屏
搅拌器速率旋钮及速率指示
示踪剂注入口
流量调节旋钮钮及流量指示
示踪剂注入口
装置流程
操作要点
准备工作
1.示踪剂饱和氯化钾溶液400ml以上（瓶装）；
2.500ml烧杯2个，将瓶中饱和氯化钾上清液小心倒入烧杯中约200ml（半杯），尽量防止倒入氯化钾结晶；
3.5ml注射器4只，两用两备，7号注射器针头4只，两用两备；
4.熟悉流量计与流量控制，搅拌器与转速调节操作；
5.熟悉注射器进样操作，使用清水模拟操作；
6.熟悉“单釜”与“三釜”计算机数据采集系统的操作，演练“开始—结束—保存—打印”。
实验步骤
1.通水，开启水开关，让水注满反应釜，调节进水流量为15L/H，保持流量稳定。
2.通电，开启电源开关。
（1）打开计算机数据采集系统，设定参数值，通过点击图形区域，可进行“单釜”与“三釜”显示页面的切换；
（2）开电导仪，调整好，以备测量；
（3）开动搅拌器，搅拌转速决定了混合状态，单釜转速应控制在150r/min左右，三釜转速应大于300r/min左右。
3.待系统流量稳定后，用注射器迅速注入示踪剂KCl饱和溶液，同时按计算机数据采集系统的“开始”键，记录电导率随时间变化轨迹；
4.当计算机画面显示的电导率值在2min内觉察不到变化时，即认为终点己到，按“结束”键，同时保存并打印结果。
5.关闭仪器，电源，水源，排清釜中料液，实验结束。
注意事项
1.整个实验过程，要注意控制流量稳定；
2.示踪剂饱和KCl溶液需一次迅速注入（例如1-3秒之内）；
3.用注射器抽取饱和KCl溶液时，注意不要抽到底层KCl结晶，以免堵塞针头；如果针头堵塞，切勿强推注入，而应拔出重做；
4.一旦失误，应该等示踪剂出峰全部走平后重做，或在老师指导下，把水全部排放后置换清水重做。
实验数据处理与结果讨论
5.1数据处理
（1）下面以单釜数据为例进行计算（使用离散法进行计算）：
计算基准：
1.014
Lt=V-1.014
i
t
v
L（t）
t*l（t）
t2*l（t）
1
26
4.525
3.511
91.286
2373.436
2
51
4.288
3.274
166.974
8515.674
3
77
4.067
3.053
235.081
18101.237
4
103
3.864
2.85
293.55
30235.65
5
129
3.67
2.656
342.624
44198.496
6
155
3.502
2.488
385.64
59774.2
7
180
3.346
2.332
419.76
75556.8
8
206
3.183
2.169
446.814
92043.684
9
232
3.03
2.016
467.712
108509.184
10
258
2.908
1.894
488.652
126072.216
11
284
2.776
1.762
500.408
142115.872
12
310
2.653
1.639
508.09
157507.9
13
336
2.552
1.538
516.768
173634.048
14
361
2.435
1.421
512.981
185186.141
15
387
2.435
1.421
549.927
212821.749
16
466
2.088
1.074
500.484
233225.544
17
546
1.881
0.867
473.382
258466.572
18
625
1.713
0.699
436.875
273046.875
19
704
1.574
0.56
394.24
277544.96
20
783
1.481
0.467
365.661
286312.563
21
862
1.394
0.38
327.56
282356.72
22
941
1.313
0.299
281.359
264758.819
23
1021
1.269
0.255
260.355
265822.455
24
1100
1.222
0.208
228.8
251680
25
1179
1.187
0.173
203.967
240477.093
26
1258
1.146
0.132
166.056
208898.448
27
1338
1.12
0.106
141.828
189765.864
28
1417
1.101
0.087
123.279
174686.343
29
1496
1.087
0.073
109.208
163375.168
30
1575
1.076
0.062
97.65
153798.75
39.466
10036.971
4960862.461
计算结果：
t平均
方差
无因此方差
模型参数
254.3194395
61021.27456
0.943457104
1.059931602
同理三釜釜一，计算基准：
1.039，数据处理结果如下表：
i
t
v1
L（t）
t*l（t）
t2*l（t）
1
20
5.884
4.845
96.9
1938
2
41
5.224
4.185
171.585
7034.985
3
62
4.617
3.578
221.836
13753.832
4
83
4.079
3.04
252.32
20942.56
5
104
3.625
2.586
268.944
27970.176
6
125
3.249
2.21
276.25
34531.25
7
145
2.828
1.789
259.405
37613.725
8
166
2.649
1.61
267.26
44365.16
9
187
2.395
1.356
253.572
47417.964
10
208
2.207
1.168
242.944
50532.352
11
229
2.034
0.995
227.855
52178.795
12
250
1.89
0.851
212.75
53187.5
13
270
1.751
0.712
192.24
51904.8
14
291
1.663
0.624
181.584
52840.944
15
312
1.561
0.522
162.864
50813.568
16
375
1.357
0.318
119.25
44718.75
17
439
1.245
0.206
90.434
39700.526
18
502
1.153
0.114
57.228
28728.456
19
565
1.117
0.078
44.07
24899.55
20
629
1.087
0.048
30.192
18990.768
21
692
1.068
0.029
20.068
13887.056
22
755
1.058
0.019
14.345
10830.475
23
819
1.048
0.009
7.371
6036.849
24
882
1.048
0.009
7.938
7001.316
25
945
1.043
0.004
3.78
3572.1
26
1000
1.043
0.004
4
4000
27
1072
1.038
-0.001
-1.072
-1149.184
28
1135
1.038
-0.001
-1.135
-1288.225
29
1199
1.038
-0.001
-1.199
-1437.601
30.906
3683.579
745516.447
计算结果：
t平均
方差
无因此方差
模型参数
119.1865334
9916.632228
0.698087451
1.432485284
同理三釜釜二，计算基准：
0.916，数据处理结果如下表：
i
t
v2
L（t）
t*l（t）
t2*l（t）
1
20
1.411
0.495
9.9
198
2
41
2.242
1.326
54.366
2229.006
3
62
2.774
1.858
115.196
7142.152
4
83
3.116
2.2
182.6
15155.8
5
104
3.292
2.376
247.104
25698.816
6
125
3.373
2.457
307.125
38390.625
7
145
3.368
2.452
355.54
51553.3
8
166
3.307
2.391
396.906
65886.396
9
187
3.193
2.277
425.799
79624.413
10
208
3.082
2.166
450.528
93709.824
11
229
2.937
2.021
462.809
105983.261
12
250
2.778
1.862
465.5
116375
13
270
2.64
1.724
465.48
125679.6
14
291
2.484
1.568
456.288
132779.808
15
312
2.328
1.412
440.544
137449.728
16
375
1.943
1.027
385.125
144421.875
17
439
1.644
0.728
319.592
140300.888
18
502
1.418
0.502
252.004
126506.008
19
565
1.249
0.333
188.145
106301.925
20
629
1.151
0.235
147.815
92975.635
21
692
1.062
0.146
101.032
69914.144
22
755
1.01
0.094
70.97
53582.35
23
819
0.986
0.07
57.33
46953.27
24
882
0.964
0.048
42.336
37340.352
25
945
0.95
0.034
32.13
30362.85
26
1000
0.935
0.019
19
19000
27
1072
0.929
0.013
13.936
14939.392
28
1135
0.927
0.011
12.485
14170.475
29
1199
0.924
0.008
9.592
11500.808
31.853
6487.177
1906125.701
计算结果：
t平均
方差
无因此方差
模型参数
203.6598437
18363.99232
0.442747676
2.258622809
同理三釜釜三，计算基准：
1.029，数据处理结果如下表：
i
t
v3
L（t）
t*l（t）
t2*l（t）
1
20
1.051
0.022
0.44
8.8
2
41
1.142
0.113
4.633
189.953
3
62
1.351
0.322
19.964
1237.768
4
83
1.592
0.563
46.729
3878.507
5
104
1.824
0.795
82.68
8598.72
6
125
2.071
1.042
130.25
16281.25
7
145
2.29
1.261
182.845
26512.525
8
166
2.471
1.442
239.372
39735.752
9
187
2.55
1.521
284.427
53187.849
10
208
2.624
1.595
331.76
69006.08
11
229
2.698
1.669
382.201
87524.029
12
250
2.741
1.712
428
107000
13
270
2.766
1.737
468.99
126627.3
14
291
2.775
1.746
508.086
147853.026
15
312
2.753
1.724
537.888
167821.056
16
375
2.525
1.496
561
210375
17
439
2.24
1.211
531.629
233385.131
18
502
1.968
0.939
471.378
236631.756
19
565
1.77
0.741
418.665
236545.725
20
629
1.551
0.522
328.338
206524.602
21
692
1.412
0.383
265.036
183404.912
22
755
1.301
0.272
205.36
155046.8
23
819
1.192
0.163
133.497
109334.043
24
882
1.146
0.117
103.194
91017.108
25
945
1.115
0.086
81.27
76800.15
26
1000
1.103
0.074
74
74000
27
1072
1.067
0.038
40.736
43668.992
28
1135
1.054
0.025
28.375
32205.625
29
1199
1.046
0.017
20.383
24439.217
23.348
6911.126
2768841.676
计算结果：
t平均
方差
无因此方差
模型参数
296.005054
30971.10893
0.353474837
2.829055691
实验结果讨论
1.计算出单釜与三釜系统平均停留时间，并与理论值比较，分析偏差原因；
计算t平均
理论t平均
单釜
254.3194395
358
三釜釜一
119.1865334
134
三釜釜二
203.6598437
257
三釜釜三
296.005054
380
由上表所示，可以看出由离散法计算出的结果与计算机给出的结果有较大偏差。
主要原因有两个：
其一是算法所致。
计算机计算所用方法近似为积分法，而数据处理所用为离散法；其二是所用数据选取间隔较大，数据波动值同样较大，同时数据点未能准确标出峰值。
2.计算模型参数n，讨论二种系统的返混程度大小，并比较与实际反应釜级数的差异；
计算模型参数
理论模型参数
单釜
1.059931602
1.24
三釜釜一
1.432485284
1.21
三釜釜二
2.258622809
2.19
三釜釜三
2.829055691
3.52
由上表可知，单釜模拟参数计算值小于理论值，三釜一三釜二模拟参数计算值大于理论值，三釜三小于理论值。
思考题
1.何谓返混？
返混的起因是什么？
答：
返混是指在装置内向某一方向流动的流体收到某种影响（如挡板或搅拌器的作用）后，其中一部分流体发生反向流动并在流道横截面上充分混合的现象。
返混的起因：
返混产生的原因有两点
（1）反应器内的环流运动物料在连续反应器中的反向运动造成返混如循环反应器中的循环流连续流动塔式反应器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅拌作用
（2）反应器内物料的流速分布不均匀当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以改变反应器内的浓度分布造成返混。
2.限制或加大返混的措施有哪些？
如何限制返混？
如何加大返混？
答：
改变物料流量和搅拌速度可以影响返混。
具体的减小物料流量和加大搅拌速度可以加大返混，增大物料流量和减小搅拌速度可以限制返混。
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