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实验2 全混流反应器返混性能测试
实验2 全混流反应器返混性能测试
一. 实验目的
1. 通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。
2. 掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。
3. 学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。
二. 实验原理
在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质有关以外，还与反应物料在反应器内停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器时开始，到其离开反应器为止的这一段时间。显然对流动反应器而言，停留时间不像间歇反应器那样是同一个值，而是存在着一个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体的扩散，以及反应器内的死区等。
停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。
停留时间分布测定所采www.unjs.com用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。
脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图1形象地描述。
由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此，
E（t）dt就代表了流体粒子在反应器内停留时间介于t到t+dt之间的概率。
在反应器出口处测得的示踪剂浓度c(t)与时间t的关系曲线叫响应曲线。由响应曲线就可以计算出E（t）与时间t的关系，并绘出E（t）～t关系曲线。计算方法是对反应器作示踪剂的物料衡算，即
Qc(t)dt=mE(t)dt （1） 式中Q表示主流体的流量，m为示踪剂的加入量。示踪剂的加入量可以用下式计算 m=?Qc(t)dt 0∞ （2）
在Q值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：
E(t)=c(t)
?0
∞∞c(t)dt （3） 关于停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t),即 F(t)=?0 E(t)dt （4）
用停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）来描述系统的停留时
间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。 数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间t,即
∞?0tE(t)dt
?0E(t)dt∞t==?0tE(t)dt （5）
方差是和理想反应器模型关系密切的参数。它的定义是：
σt2=?0t2E(t)dt-t2 （6）
222对活塞流反应器σt=0；而对全混流反应器σt=t；对介于上述两种理想反应器∞
之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜串联模型中的模型参数N可以由实验数据处理得到的σt来计算。
N=σ2322 （7）
当N为整数时，代表该非理想流动反应器可以用N个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当N为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。
三. 实验装置
1. 实验流程示意图
2. 装置技术指标及流程示意图
(1) 釜式反应器1.5L，直径110mm，高120mm，有机玻璃制成，3个。釜式反应器 直径160mm，
高120mm，有机玻璃制成，1个。
(2) 搅拌马达25W，转数90-1400转/分，无级变速调节。
(3) 液体(水)流量0-100L/h。
(4) 电磁阀控制示踪剂进入量5-10毫升/次。
四. 操作步骤
1. 准备工作
(1) 将饱和KCl液体注入标有KCl的储瓶内。
(2) 连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。
(3) 检查电极导线连接是否正确。
2. 实验操作
(1) 打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注水，启动水泵，慢慢打开进水转子流量
计的阀门(注意：初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别是死角处)。调节水流量维持在20-60L/h之间某值，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流出。
(2) 分别开启釜1或（釜2、釜3和釜4）搅拌开关，后再调节转速的旋钮，使搅拌速度
在200-250r/min。开启电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。调整完毕，备用。
(3) 开启计算机电源，打开“多釜串联返混程序”。首先进行“参数设定”，然后选择“单
釜实验”或“多釜实验”。待实验系统运行稳定，点击“开始实验”，开始采集数据。
(4) 实验结束后，点击“停止采集”，再保存曲线图（注意：不能点击“结束实验”，否则
会丢失曲线图）。
(5) 待测试完成，点击“结束实验”按钮。
3. 停车
(1) 实验完毕，排出KCl溶液，并用水冲洗电磁阀及管路，反复三、四次。
(2) 关闭各水阀门、电源开关，打开釜底排水阀，将水排空。
(3) 退出实验程序，关闭计算机。
五、实验内容与数据处理
1．实验内容
（1）用脉冲示踪法测定釜式搅拌反应器停留时间分布；
（2）改变水流量或示踪剂加入量，观察反应器中的返混程度。
2. 实验数据处理
根据实验数据计算停留时间的主要数字特征和模型参数。
平均停留时间 /s 停留时间的数学期望 /s 停留时间分布的方差 σt2 /s2
停留时间分布的无因次方差 σθ2
多级全混流模型参数 N /
六、思考题
1．加入示踪剂时有哪些注意事项？
2．本实验中影响模型参数的主要因素有哪些？
3. 根据实验结果，检验是否已接近理想流动模型？
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