停留时间分布综合实验化工1001班第四小组.docx
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停留时间分布综合实验化工1001班第四小组
停留时间分布综合实验报告
]
指导老师:
刘秀军
实验成员:
王刚罗丹叶佳义王凯王静邓超超
实验地点:
实训中心D310
试验时间:
一、实验目的
1.掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布及数据处理方法;
2.了解和掌握停留时间分布函数的基本原理;
3.了解停留时间分布与模型参数的关系;
4.了解多级混本实验通过单釜、多釜及管式反应器中停留时间分布的测定,将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度,从而认识限制返混的措施和釜、管式反应器特性;
5.了解和掌握模型参数N的物理意义及计算方法。
二、实验原理
`
在连续流动反应器中,由于反应物料的返混以及在反应器内出现的层流,死角,短
路等现象,使得反应物料在反应器中的停留时间有长有短,即形成停留时间分布,影响
反应进程和最终结果。
测定物料的停留时间分布是描述物料在反应器内的流动特性和进
行反应器设计计算的内容之一。
停留时间分布可以用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来表示,
这两种概率分布之间存在着对应关系,本实验只是用冲脉示踪法来测定E(t),利用其对
应关系也可以求出F(t)来。
函数E(t)的定义是:
在某一瞬间加入系统一定量示踪物料,
该物料中各流体粒子将经过不同的停留时间后依次流出,而停留时间在[t,t+dt]间的物
料占全部示踪物料的分率为E(t)dt。
根据定义,E(t)有归一化性质:
(1)
E(t)可以用其他量表示为
(
(2)
其中:
Q0主流体体积流量,M为示踪物量,c(t)为t时刻流出的示踪剂浓度。
对停留时间分布密度函数E(t)有两个重要概念,数学期望
和方差
,它们分别定义为E(t)对原点的一次矩和二次矩。
当实验数据的数量大,且所获样品是瞬间样品,即相应于某时刻t下的样品,则:
(3)
(4)
式中△ti是两次取样时间,若等时间间隔取样,
(5)
对恒容稳定流动系统有:
(6)
为了使用方便,常用对比时间
来代换t,经这样变换后,有以下关系:
(7)
}
(8)
对全混流
,对活塞流
,对一般情况
。
用无因次
来评价反应器内的流动状态比较方便,一般可将实际反应器当做多级串联釜式反应器加以描述,并认为每级为全混流反应釜,各级存料量相等,级间无返混。
对多级全混釜有(N为串联全混釜的个数):
(9)
三、实验仪器、设备和试剂
釜式反应器(两个)、管式反应器、水泵、转子流量计,阀门,管线若干,电导率仪三台,分析天平;KCl。
四、实验装置原理图
【
.
1-水槽;2-磁力泵;3-调节阀;4-三通阀;5-注射器;6、10、11、16-球阀;
7、8-反应釜;9、12、13-电导率仪;14-转子流量计;15-废液槽
五、实验内容
时间
实验内容
2013.
:
上午
依照实验讲义自行设计组装实验装置
下午
调试实验装置,对不足之处进行改进
2013.
上午
选取水的流量Q=2L/h,将平均停留时间保持在10-20min,注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜不同时间的电导率值
下午
】
选取水的流量Q=2L/h,将平均停留时间保持在10-20min,先注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜在不同时间的电导率值,隔一段时间,再次注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜在不同时间的电导率值
上午
两釜串联,选定水的流量Q=4L/h,转子的转速取适当小。
将平均停留时间保持在10-20min,注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜在不同时间的电导率值
下午
两釜串联,选定水的流量Q=4L/h,转子的转速取适当大。
将平均停留时间保持在10-20min,注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜在不同时间的电导率值
上午
两釜并联:
1.选定水的流量Q=4L/h,转子的转速取适当大。
将平均停留时间保持在10-20min,注入饱和KCl溶液示踪剂2ml,记录单釜在不同时间的电导率值,2.保持1中水的流量不变,调小转子的转速,在进行一次记录
《
下午
3.保持2中转子的转速不变,将水的流量调为Q=6L/h,在进行一次记录。
管式测量:
选定水的流量Q=4L/h,将平均停留时间保持在10-20min,注入饱和KCl溶液示踪剂,记录管中在不同时间的电导率值
六、数据处理:
将所得结果分成若干段,每段时间间隔相同,将实验结果整理并计算平均停留时间,无因次方差,用多釜串联模型回归模型参数N。
公式的换算:
当实验数据的数量大,且所获样品是瞬间样品,即相应于某时刻T下的样品,则:
(1)
(2)
式中△ti是两次取样时间,若等时间间隔取样,
&
(3)
对恒容稳定流动系统有:
(4)
为了使用方便,常用对比时间
来代换T,经这样变换后,有以下关系:
(5)
(6)
对全混流
,对活塞流
,对一般情况
。
用无因次
来评价反应器内的流动状态比较方便,一般可将实际反应器当做多级串联釜式反应器加以描述,并认为每级为全混流反应釜,各级存料量相等,级间无返混。
对多级全混釜有(N为串联全混釜的个数):
(7)
1.标准组实验数据及处理:
质量浓度
电导率κ(μS/cm)
~
W
C/(mmol/L)
1/6%
3150
1/12%
1853
1/24%
1188
1/48%
854
1/96%
687
$
1/192%
600
1/384%
556
1/718%
538
^
"
由数据做c~κ图:
由图得出:
A=B=
2.单釜实验数据处理
(1)单釜单峰
实验条件:
Q=2L/h饱和KCl溶液示踪剂V=
时间
t/min
电导率
κ/μS
c(t)
/(g/m³)
$
tc(t)/
[min(g/m³)]
t²c(t)/
[min²(g/m³)]
0
518
574
>
1
928
1234
}
2
1387
1415
3
-
1401
1378
4
1353
—
1327
5
1301
<
1276
6
1248
\
1223
7
1199
$
1173
8
1149
%
1120
9
1104
1081
】
10
1059
1041
;
11
1021
1003
|
12
986
970
&
13
953
935
14
}
920
905
15
900
《
877
16
833
¥
814
17
797
}
786
18
777
、
768
19
758
#
750
20
734
719
<
21
705
692
~
22
682
23
672
<
24
662
25
653
,
26
644
27
636
28
~
628
29
620
30
612
%
31
604
32
597
)
33
590
34
583
:
35
576
36
569
、
37
562
38
556
、
根据实验数据作反应釜的t-c(t)图、作t-tc(t)图、作t-t2c(t)图
t-c(t)图图形积分面积S1=t-tc(t)图图形积分面积S2=
t-t2c(t)图
图形积分面积S3=1490010
…
则
≈2
(2)单釜双峰
实验条件:
流量Q=2L/h,饱和KCl溶液示踪剂V=
时间
t/min
电导率
κ/μS
—
c(t)
/(g/m³)
tc(t)/
[min(g/m³)]
t²c(t)/
[min²(g/m³)]
0
516
651
`
1
1093
1225
~
2
1239
1230
—
3
1214
1193
4
|
1172
1152
5
1130
》
1109
6
1088
%
1069
7
1050
:
1031
8
1013
?
996
9
975
#
962
10
945
932
(
11
917
903
.
12
891
878
》
13
865
852
#
14
841
830
15
|
819
808
16
798
?
788
17
778
~
769
18
761
(
752
19
744
】
736
20
728
:
721
21
714
707
,
22
701
694
$
23
687
682
)
24
676
671
$
25
666
661
26
?
656
651
27
650
|
649
28
658
。
722
29
848
:
949
30
1025
%
1071
31
1093
%
1098
32
1096
1089
,
33
1078
1067
{
34
1053
1037
;
35
1021
1007
:
36
991
974
37
"
961
947
38
933
·
920
39
907
,
894
40
882
》
871
41
858
.
848
42
837
-
826
43
817
808
)
44
798
789
*
45
781
773
(
46
765
757
-
47
750
743
48
)
736
49
723
50
711
¥
51
699
52
689
。
53
679
54
669
(
55
661
56
653
/
57
645
58
639
59
!
633
60
627
根据实验数据作反应釜的的t-c(t)图、作t-tc(t)图、作t-t2c(t)图
;
>
t-c图,图形积分面积S1=t-tc图,图形积分面积S2=
t-t2c图,图形积分面积S3=
【
则
≈3
3.串联釜实验数据处理
(1)实验条件:
流量Q=4L/h,饱和KCl溶液示踪剂V=转子转速较大
时间
t/s
电导率
κ1/μS
、
c(t)
/(g/m³)
tc(t)/
[s(g/m³)]
t²c(t)/
[s²(g/m³)]
电导率
κ2/μS
c(t)
/(g/m³)
tc(t)/
[s(g/m³)]
t²c(t)/
[s²(g/m³)]
0
527
~
584
10
529
584
·
20
776
584
~
30
880
584
40
—
907
588
50
909
#
597
60
906
(
606
70
900
616
…
80
893
626
>
90
885
635
100
878
$
644
110
870
-
652
120
862
661
…
130
853
669
?
140
846
675
150
\
838
682
160
831
\
688
170
823
¥
694
180
816
700
}
210
794
715
(
240
774
727
270
757
—
.93
737
300
769
%
.16
744
.50
330
724
.39
751
"
.72
360
709
.18
754
~
.06
390
695
.33
756
.78
420
—
681
.41
758
.27
450
670
}
.66
758
.50
480
658
.30
》
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.45
510
648
.48
755
;
.67
540
639
.85
753
.93
%
570
630
.81
750
.71
600
622
?
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.70
630
615
&
.53
742
.88
660
608
.67
738
\
.95
690
601
.63
734
!
.98
720
595
.48
730
.96
750
:
590
.40
725
.71
780
585
#
.53
720
.58
810
580
.09
、
715
.79
840
576
.44
710
¥
.57
870
572
.01
705
.17
~
900
568
.79
700
.80
930
565
]
.11
695
.70
960
562
?
.43
691
.39
990
559
.49
686
.
1020
556
.02
682
!
1050
554
.29
677
1080
"
551
.24
673
1110
549
;
.08
668
1140
547
.78
|
664
1170
545
.82
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{
1200
544
.33
656
;
1230
542
.73
652
1260
540
·
.53
649
1290
539
^
.14
645
1320
537
.18
642
^
1350
536
.03
638
;
1380
535
.04
635
1410
(
534
.46
632
1440
533
—
.53
629
1470
532
.50
,
626
1500
531
.61
623
|
1530
531
.80
621
?
1560
530
.55
619
1590
529
:
.77
616
1620
529
】
.94
614
1650
528
.20
612
¥
1680
528
.79
610
`
1710
527
.40
608
1740
$
527
.07
606
根据实验数据分别作反应釜1和反应釜2的t-c(t)图、作t-tc(t)图、作t-t2c(t)图
^
¥
反应釜1t-c图,图形积分面积S1=反应釜1t-tc图,图形积分面积S2=×107
#
反应釜1t-t2c图,图形积分面积S3=×1010反应釜2t-c图,,图形积分面积S1=
~
反应釜2t-tc图,图形积分面积S2=×108反应釜2t-t2c图,图形积分面S3=×1011
则对于反应釜1
:
≈2
对于反应釜2
≈4
(2)实验条件:
流量Q=4L/h,饱和KCl溶液示踪剂V=转子转速较小
时间
t/s
电导率
κ1/μS
c(t)
/(g/m³)
tc(t)/
[s(g/m³)]
t²c(t)/
[s²(g/m³)]
电导率
κ2/μS
c(t)
/(g/m³)
tc(t)/
[s(g/m³)]
t²c(t)/
[s²(g/m³)]
0
526
:
581
10
526
580
~
20
802
580
)
30
908
580