连续流动反应器中的返混测定.docx
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连续流动反应器中的返混测定
化工专业实验报告
连续流动反响器
中的返混测定
一、目的及任务
1、实验目的
1.了解全混釜和多釜串联反响器的返混特性；
2.掌握利用电导率测定停留时间分布的根本原理和实验方法；
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。
2、实验任务
1.用脉冲示踪法测定单反响釜停留时间分布，确定返混程度；
2.用脉冲示踪法测定三反响釜串联系统的停留时间分布，确定返混程度；
二、根本原理
在连续流动的釜式反响器内，剧烈的搅拌使得反响器内物料发生混合，反响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响釜分成多个反响釜，可以使返混程度降低。
在连续流动的釜式反响器内，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响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，而要借助于反响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。
当系统到达稳定后，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）
示踪剂参加量符合
（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，在反响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，那么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
那么：
（6）
〔7〕
假设用无因次比照时间
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，那么需要用反响器模型来描述，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响器中的返混情况作为与假设干个全混釜串联时的返混程度等效。
这里的假设干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反响器个数，n称为模型参数。
多釜串联模型假定每个反响器为全混釜，反响器之间无返混，每个全混釜体积相同，那么可以推导得到多釜串联反响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。
三、装置和流程
1、实验装置
2、装置流程
四、操作要点
1、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；
“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〞。
2、实验步骤
1.通水，开启水开关，让水注满反响釜，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〕翻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。
3、考前须知
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。
五、数据处理
1、单釜反响器
根据实验数据，进行计算
根据推倒可知分布函数为
那么平均停留时间表达式为
其中L（t）=Lt-L0
t=27s时Lt=5.029，L0
那么
L（27s）=Lt-L0
同理求得其他时间的L（t），列于表中
同理求得其他时间的t*L（t）值，列于表中
t2
同理求得其他时间t2*L（t）的值，列于表中
经处理求和得到
因此，平均停留时间
方差
无因次方差
因此模型参数
根据以上计算得到数据结果汇总表如下
单釜实验数据处理结果汇总表
1
27
2
54
3
80
19424
4
107
5
134
6
160
7
187
8
214
9
240
10
267
11
294
12
320
13
347
14
374
15
401
16
483
17
566
18
648
19
731
20
813
21
896
22
978
23
1061
24
1143
25
1226
26
1308
27
1391
28
1473
29
1556
30
1638
和值
停留时间
324s
方差
46951
模型参数
比照计算结果，计算机处理停留时间比计算结果时间长，可能是由于计算基准的选择不同，造成不同的计算结果。
同时在时间点的选取上也可能造成误差，如时间间隔的选取不同，可能造成计算上的误差。
2、三釜串联反响器
根据相同计算方法，得到各反响釜测得实验数据得到下面结果
〔1〕三釜串联第一釜实验数据处理结果
搅拌机速率：
303.1计算基准：
1.485
序号
T（s）
V（mv）
L（t）
t*L（t）
t*t*L（t）
1
26
2
53
3
80
4
106
5
133
6
160
3
38784
7
186
8
213
9
240
10
266
11
293
12
320
39424
13
346
14
373
15
400
86
34400
16
480
17
560
18816
18
640
19
720
20
800
4480
21
880
22
960
23
1040
24
1120
25
1200
2880
26
1280
0
0
0
27
1360
28
1440
20736
29
1520
30
1600
56320
和值
停留时间：
126s方差：
15152无因次方差：
0.955模型参数：
1.046
〔2〕三釜串联第二釜处理结果
序号
T（s）
V（mv）
L（t）
t*L（t）
t*t*L（t）
1
26
2
53
3
80
4
106
5
133
6
160
7
186
8
213
9
240
10
266
11
293
12
320
13
346
14
373
15
400
212640
16
480
17
560
217952
18
640
19
720
20
800
160
128000
21
880
110
96800
22
960
23
1040
24
1120
25
1200
10080
26
1280
27
1360
9248
28
1440
29
1520
30
1600
-2560
和值
〔3〕三釜串联第三釜处理结果
序号
T（s）
V（mv）
L（t）
t*L（t）
t*t*L（t）
1
26
2
53
3
80
4
106
5
133
6
160
7
186
8
213
9
240
10
266
11
293
12
320
13
346
14
373
15
400
212640
16
480
17
560
217952
18
640
19
720
20
800
160
128000
21
880
110
96800
22
960
23
1040
24
1120
25
1200
10080
26
1280
27
1360
9248
28
1440
29
1520
30
1600
-2560
和值
3、结果分析
根据以上计算结果有：
停留时间
方差
无因次方差
模型参数
单釜反响器
46951
釜一
15152
釜二
18583
釜三
26101
从上表分析可知，在三釜串联反响器中的停留时间比在单釜中的停留时间长，随着串联级数的增加，反响器越接近于平推流反响器。
从单釜反响器和三釜串联第一釜的模型参数可知，反响器体积减小，搅拌速率提高，增加物料的混合程度，反响器内物料状态越接近于全混流反响器。
六、思考题
1、何谓返混？
返混的起因是什么？
答：
返混是指不同的停留时间的微团之间的混合，原因是反响器内反响流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等。
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？
限制返混的方法可以使用平推流反响器，以减少不同停留时间物料的混合，同时减少物料的湍动程度，以减少返混，全混流反响器可以使用多釜串连，增加串联级数。
限制返混，可以使用全推流反响器，同时增加湍动程度，加大搅拌速率等。
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