综合实验停留时间分布综合实验报告.docx
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综合实验停留时间分布综合实验报告
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综合实验停留时间分布综合实验报告
停留时间分布综合实验报告
停留时间分布综合实验
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
实验仪器与设备：
釜式反应器（两个）、管式反应器（一个）、水泵（一个）、转子流量计，阀门，管线若干，电导率仪三台，分析天平；
实验试剂：
饱和KCl溶液。
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、实验安排
实验内容
1、安装实验装置。
2、测定不同浓度下KCl电导率的标准曲线（最大值为2mS）。
计算对示踪剂注入量，并根据反应器体积计算KCl溶液的浓度范围是否在可测量范围。
3、选择合适的流量，将平均停留时间保持在10－20min，注入适量的示踪剂，测定单釜不同时间的电导率值，绘制单釜停留时间与电导关系曲线，计算停留时间分布函数及停留时间分布密度函数。
4、选择合适流量，将平均停留时间保持在10－20min，注入适量的示踪剂，测定两釜并联条件下的电导率值，计算并绘制单釜及两釜并联的停留时间与电导关系曲线，计算停留时间分布函数及停留时间分布密度函数。
5、按4进行两釜串联实验。
6、测定釜式、管式反应器串联的停留时间分布曲线，并计算停留时间分布函数及密度分布函数。
7、大型智能仪器的操作使用，用其测量釜式反应器串联的停留时间分布曲线，并计算停留时间分布函数及密度分布函数。
实验安排
时间
实验内容
2015.
上午
指导老师讲解实验原理，安排实验时间，自行组装实验装置；
单釜不转，水流量Q=4L/h,平均停留时间保持在20-40min，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
单釜中转，水流量Q=4、6L/h,平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂，分别记录单釜不同时间的电导率值；
2013.
上午
休息
下午
单釜、中转，水流量Q=8L/h,平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂,记录单釜在不同时间的电导率值；
双釜串联、双釜都不转，水流量Q=4L/h平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂,记录双釜串联在不同时间的电导率值；
上午
两釜串联、一釜中转，一釜大转，水流量Q=2、4、6L/h，平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂,记录双釜串联在不同时间的电导率值；
下午
两釜并联、一釜中转，一釜大转，水流量Q=2、4、6L/h，和两釜不转，水流量Q=4L/h平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂,记录双釜并联在不同时间的电导率值；
上午
休息
下午
管釜串联，釜式反应器转速中等。
选定水的流量Q=4和6L/h。
将平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂,记录管釜串联在不同时间的电导率值
2015.
上
午
真实设备测量电导率确定停留时间
下
午
处理实验报告
六、数据处理
电导率的标准曲线
电导率（uS/cm）
147
1413
2767
6668
12900
浓度（mol/L）
由origin作图，可得到如下：
经过线性模拟，我们得到其电导率和浓度之间是线性关系，其相关的数值如下表：
从上表中，我们不难发现，电导率和浓度之间的关系的线性关系很强，得到：
单釜、不转、流量Q=4L/h
时间（s）
电导率（μS/cm）
浓度（mol/L）
tc（t）[s（mol/L）]
t2c（t）[s2（mol/L）]
0
270
0
0
5
270
10
270
15
368
20
406
25
397
30
383
35
413
40
441
45
445
50
445
55
467
60
461
65
463
70
480
75
488
80
479
85
468
90
465
95
476
100
470
105
469
110
463
115
466
120
459
125
460
130
454
135
464
140
463
145
465
150
474
155
489
160
483
165
472
170
484
175
477
180
463
185
482
190
479
195
470
200
466
205
462
210
455
215
469
220
464
225
472
230
482
235
473
240
462
245
469
250
471
255
467
260
481
265
467
270
463
275
458
280
453
285
460
290
461
295
455
300
458
305
453
310
454
315
456
320
467
325
469
330
456
335
451
340
458
345
450
350
451
355
453
360
453
365
447
370
440
375
437
380
442
385
448
390
446
395
434
400
435
405
440
410
431
415
437
420
439
425
432
430
436
435
430
440
428
445
429
450
425
455
429
460
428
465
436
470
429
475
426
480
427
485
423
490
422
495
426
500
414
510
408
520
413
530
410
540
415
550
402
560
403
570
399
580
397
590
398
600
399
610
395
620
400
630
391
640
385
650
390
660
387
670
381
680
377
690
376
700
376
720
371
740
368
760
364
780
364
800
357
820
357
840
352
860
348
880
349
900
345
920
344
940
340
960
338
980
335
1000
332
1020
330
1040
332
1060
333
1080
326
1100
324
1120
324
1140
323
1170
321
1200
319
1230
318
1260
316
1290
311
1320
311
1350
307
1380
307
1410
304
1440
302
1470
301
1500
300
1560
298
1620
296
1680
292
1740
290
1800
289
1860
287
1920
285
1980
285
由origin作图得到，时间与浓度之间的关系如下图：
由上表中的数据，用origin作图并模拟积分得：
单釜、中转、流量Q=4L/h
时间/s
电导率μS/cm
浓度（mol/L）
tc（t）[s（mol/L）]
t2c（t）[s2（mol/L）]
0
284
0
0
5
382
10
900
15
982
20
998
25
99
30
94
35
986
40
981
45
974
50
966
55
956
60
950
65
942
70
933
75
925
80
917
85
909
90
900
95
891
100
884
105
875
110
867
115
859
120
851
125
842
130
834
135
827
140
819
145
811
150
805
155
797
160
788
165
781
170
775
175
767
180
761
190
748
200
734
210
721
220
710
230
697
240
687
250
676
260
666
270
655
280
645
290
634
300
626
310
616
320
606
330
597
340
588
350
580
360
572
380
557
400
542
420
528
440
515
460
502
480
491
500
480
520
469
540
459
560
449
580
441
600
433
630
421
660
411
690
401
720
391
750
383
780
375
810
368
840
361
900
351
960
342
1020
334
1080
328
1140
322
1200
317
1320
310
1440
303
1560
299
1680
296
1800
293
1920
291
2040
289
2160
289
2280
289
2400
289
由origin作图得到，时间与浓度之间的关系如下图：
单釜、中转、流量Q=6L/h
时间/s
电导率μS/cm
浓度（mol/L）
tc（t）[s（mol/L）]
t2c（t）[s2（mol/L）]
0
307
0
0
5
1817
10
1772
15
1733
20
1692
25
1638
30
1603
35
1560
40
1520
45
1477
50
1437
55
1402
60
1370
65
1333
70
1300
75
1271
80
1242
85
1202
90
1172
95
1148
100
1124
105
1093
110
1078
115
1047
120
1022
125
991
130
979
135
954
140
936
145
915
150
903
155
883
160
871
165
860
170
855
175
832
180
821
190
802
200
780
210
764
220
746
230
722
240
702
250
692
260
649
270
638
280
623
290
610
300
598
310
584
320
572
330
560
340
549
350
538
360
527
370
516
380
508
390
505
400
495
410
487
420
479
440
462
460
433
480
421
500
411
520
401
540
391
560
375
580
366
600
361
620
355
640
349
660
345
680
341
700
337
720
334
740
329
760
327
780
324
800
322
830
320
860
318
890
317
920
316
由origin作图得到，时间与浓度之间的关系如下图：
单釜、中转、流量Q=8L/h
时间/s
电导率μS/cm
浓度（mol/L）
tc（t）[s（mol/L）]
t2c（t）[s2（mol/L）]
0
285
0
0
5
395
10
1500
15
1700
20
1947
25
2000
80
1947
85
1877
90
1841
95
1813
100
1786
105
1752
110
1716
115
1677
120
1647
125
1613
130
1581
135
1546
140
1514
145
1482
150
1453
160
1405
170
1364
175
1313
180
1281
185
1265
190
1234
195
1214
200
1191
205
1162
210
1142
215
1122
220
1101
225
1080
230
1060
235
1038
240
1020
245
1000
250
980
255
962
260
945
265
932
270
916
275
900
280
881
285
869
290
852
295
835
300
821
305
808
310
796
315
782
320
768
325
754
330
746
335
734
340
722
345
711
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