停留时间分布综合实验 化工1001班第四小组教材.docx
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停留时间分布综合实验化工1001班第四小组教材
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：
2013.10.14-10.18
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
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.
10.14
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.
10.16
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1.5ml，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1.5ml,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1.5ml，记录单釜在不同时间的电导率值
2013.10.17
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1.5ml,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1.5ml,记录单釜在不同时间的电导率值
2013.10.18
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1.5ml,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
0.1667
1666.6667
1/12%
1853
0.0833
833.3333
1/24%
1188
0.0417
416.6667
1/48%
854
0.0208
208.3333
1/96%
687
0.0104
104.1667
1/192%
600
0.0052
52.0833
1/384%
556
0.0026
26.0417
1/718%
538
0.0014
13.9276
由数据做c~κ图：
由图得出：
A=521.3514B=1.5823
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=1.5ml
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
-1.90
0.00
0.00
0.5
574
33.50
16.75
8.37
1
928
257.22
257.22
257.22
1.5
1234
450.61
675.91
1013.87
2
1387
547.30
1094.61
2189.22
2.5
1415
565.00
1412.50
3531.25
3
1401
556.15
1668.46
5005.37
3.5
1378
541.62
1895.66
6634.80
4
1353
525.82
2103.27
8413.07
4.5
1327
509.39
2292.23
10315.05
5
1301
492.95
2464.77
12323.83
5.5
1276
477.15
2624.34
14433.89
6
1248
459.46
2756.75
16540.48
6.5
1223
443.66
2883.78
18744.55
7
1199
428.49
2999.43
20996.02
7.5
1173
412.06
3090.44
23178.28
8
1149
396.89
3175.12
25401.00
8.5
1120
378.56
3217.78
27351.17
9
1104
368.45
3316.06
29844.53
9.5
1081
353.92
3362.19
31940.85
10
1059
340.01
3400.11
34001.14
10.5
1041
328.64
3450.67
36232.07
11
1021
316.00
3475.95
38235.48
11.5
1003
304.62
3503.13
40285.98
12
986
293.88
3526.51
42318.14
12.5
970
283.76
3547.05
44338.15
13
953
273.02
3549.26
46140.43
13.5
935
261.64
3532.20
47684.70
14
920
252.16
3530.30
49424.26
14.5
905
242.68
3518.93
51024.46
15
900
239.52
3592.87
53893.07
15.5
877
224.99
3487.33
54053.59
16
833
197.18
3154.90
50478.42
16.5
814
185.17
3055.36
50413.48
17
797
174.43
2965.30
50410.16
17.5
786
167.48
2930.86
51290.05
18
777
161.79
2912.22
52419.90
18.5
768
156.10
2887.88
53425.87
19
758
149.78
2845.86
54071.29
19.5
750
144.73
2822.16
55032.07
20
734
134.61
2692.28
53845.67
20.5
719
125.13
2565.25
52587.69
21
705
116.29
2442.01
51282.31
21.5
692
108.07
2323.52
49955.60
22
682
101.75
2238.51
49247.30
23
672
95.43
2194.91
50482.84
24
662
89.11
2138.66
51327.81
25
653
83.42
2085.57
52139.29
26
644
77.73
2021.11
52548.82
27
636
72.68
1962.33
52983.00
28
628
67.62
1893.45
53016.49
29
620
62.57
1814.45
52618.97
30
612
57.51
1725.34
51760.10
31
604
52.46
1626.11
50409.53
32
597
48.03
1537.00
49184.10
33
590
43.61
1439.04
47488.47
34
583
39.18
1332.24
45296.09
35
576
34.76
1216.58
42580.42
36
569
30.34
1092.08
39314.92
37
562
25.91
958.73
35473.05
38
556
22.12
840.55
31940.85
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=7657.1975t-tc（t）图图形积分面积S2=85646.3475
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=1.5ml
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
-3.16
0.00
0.00
0.5
651
82.16
41.08
20.54
1
1093
361.50
361.50
361.50
1.5
1225
444.92
667.38
1001.07
2
1239
453.77
907.54
1815.08
2.5
1230
448.08
1120.20
2800.51
3
1214
437.97
1313.91
3941.73
3.5
1193
424.70
1486.44
5202.55
4
1172
411.43
1645.71
6582.82
4.5
1152
398.79
1794.54
8075.43
5
1130
384.88
1924.41
9622.07
5.5
1109
371.61
2043.86
11241.23
6
1088
358.34
2150.03
12900.21
6.5
1069
346.33
2251.15
14632.50
7
1050
334.32
2340.26
16381.85
7.5
1031
322.32
2417.37
18130.25
8
1013
310.94
2487.52
19900.15
8.5
996
300.20
2551.67
21689.16
9
975
286.92
2582.32
23240.85
9.5
962
278.71
2647.73
25153.42
10
945
267.96
2679.64
26796.44
10.5
932
259.75
2727.36
28637.27
11
917
250.27
2752.95
30282.50
11.5
903
241.42
2776.34
31927.89
12
891
233.84
2806.04
33672.50
12.5
878
225.62
2820.26
35253.27
13
865
217.41
2826.27
36741.45
13.5
852
209.19
2824.05
38124.72
14
841
202.24
2831.32
39638.50
14.5
830
195.29
2831.64
41058.74
15
819
188.33
2825.00
42375.02
15.5
808
181.38
2811.41
43576.91
16
798
175.06
2800.99
44815.77
16.5
788
168.74
2784.24
45939.93
17
778
162.42
2761.17
46939.90
17.5
769
156.73
2742.84
47999.75
18
761
151.68
2730.20
49143.65
18.5
752
145.99
2700.82
49965.08
19
744
140.93
2677.75
50877.20
19.5
736
135.88
2649.62
51667.67
20
728
130.82
2616.44
52328.89
20.5
721
126.40
2591.16
53118.88
21
714
121.97
2561.46
53790.68
21.5
707
117.55
2527.33
54337.67
22
701
113.76
2502.69
55059.09
22.5
694
109.33
2460.03
55350.60
23
687
104.91
2412.94
55497.69
23.5
682
101.75
2391.14
56191.78
24
676
97.96
2351.01
56424.19
24.5
671
94.80
2322.57
56902.93
25
666
91.64
2290.97
57274.22
25.5
661
88.48
2256.21
57533.34
26
656
85.32
2218.29
57675.54
26.5
651
82.16
2177.21
57696.08
27
650
81.53
2201.23
59433.10
27.5
649
80.89
2224.61
61176.77
28
658
86.58
2424.32
67880.93
28.5
722
127.03
3620.36
103180.34
29
848
206.66
5993.17
173802.06
29.5
949
270.49
7979.52
235395.94
30
1025
318.52
9555.71
286671.30
30.5
1071
347.60
10601.66
323350.50
31
1093
361.50
11206.47
347400.62
31.5
1098
364.66
11486.76
361832.93
32
1096
363.40
11628.64
372116.54
32.5
1089
358.97
11666.56
379163.24
33
1078
352.02
11616.63
383348.92
33.5
1067
345.07
11559.75
387251.79
34
1053
336.22
11431.46
388669.66
34.5
1037
326.11
11250.71
388149.53
35
1021
316.00
11059.85
387094.74
35.5
1007
307.15
10903.75
387083.04
36
991
297.04
10693.29
384958.60
36.5
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