连续均相反应器停留时间分布的测定实验报告

实验日期 2015.5.29 成绩
同组人×××（2）、×××（3）、×××（4）、×××（5）、×××（6）闽南师范大学应用化学专业实验报告题目：连续均相反应器停留时间分布的测定
12应化1 ××12060001××B1组
0 前言
实验目的：1,、了解管式反应器的特点和原理；2、掌握脉冲示踪法测定管式反应器和釜式反应器内物料停留时间分布测定和数据处理方法；3、掌握活塞管式反应器和全混流反应器内物料的停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)的特点及其数学特征；4、学会用理想反应器的串联模型来描述实验的流动性。

[1]
实验原理：由于反应器内流体速度分布不均匀，或某些流体微元运动方向与主体流动方向相反，因此使反应器内流体流动产生不同程度的返混。

在反应器设计、放大和操作时，往往需要知道反应器中返混程度的大小。

停留时间分布能定量描述返混程度的大小，而且能够直接测定。

因此停留时间分布测定技术在化学反应工程领域中有一定的地位。

停留时间分布可用分布函数F（t）和分布密度E（t）来表示，两者的关系为：
测定停留时间分布最常用的方法是阶跃示踪法和脉冲示踪法。

阶跃法：
脉冲法：
式中：C(t)——示踪剂的出口浓度。

Co——示踪剂的入口浓度。

[2]
Vs———流体的流量Qλ——示踪剂的注入量。

由此可见，若采用阶跃示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，即可得到F（t）函数；而采用脉冲示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，就可得到E（t）函数。

1 实验方案
1.1 实验材料
三釜串联反应器
1.2 实验流程与步骤
实验流程图：
实验步骤：
（1）准备工作
②饱和KNO3液体注入标有KNO3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查电极导线是否正确。

（2）操作
①打开总电源开关，，开启水阀门，向朝内注水，将回流阀开到最大，启动水泵，慢慢打开进水转子阀门通过“管式/釜式”阀门转向“釜式”一侧，直管坏了，只做三釜串联反应实验，调节水流量维持在30-40L/h之间的某值，直至釜1内有少量水，并能正常流出。

②开启电磁阀开关和电导仪总开关。

③“示踪剂/清洗水”阀门转向示踪剂一侧。

④开启计算机电源，在桌面上双击“多釜反混实验”图标，在主桌面上按下“工艺流程”按钮，使显示值为实际实验值。

⑤按下“实时采集”按钮，出现“趋势图”。

调节“阀开时间”为60秒，按下开始按钮，开始采集数据，清洗管道。

观察电导率-时间曲线，当电导率数值与初始自来水电导率数值相接近时，按下“Stop”按钮，停止采集数据。

反复二、三次。

⑥调节水流量在30-40L/h之间的某值，直至各釜充满水，并能从最后一级正常地流出。

分别开启釜1、釜2、釜3搅拌马达开关后再调节马达转速的旋钮，使三釜搅拌程度大致相同。

⑦在操作员框中输入自己的学号。

调节“阀开时间”，使显示值为实验所需值（B1组为11s），按下开始按钮，开始采集数据，观察电导率-时间曲线，当电导率数值与初始自来水电导率数值相接近时，停止采集数据。

按下“Stop”按钮，停止采集数据。

按下“保存数据”按钮保存数据文件。

（3）停车
①实验完毕，将实验柜台上三通阀转至“H2O”位置，将程序中“阀开时间”调到30s 左右，按“开始”按钮，冲洗电磁阀及管路。

反复三、四次。

②关闭各水阀门、电源开关，打开釜底反应器底部排水阀，将水排空。

退出实验程序，关闭计算机。

1.3 分析条件与方法
本实验采用的是脉冲示踪法，即在设备入口处，向主体流体瞬时注入少量示踪剂硝酸钾饱和溶液，与此同时在设备出口处检测示踪剂的浓度C（t）。

在一定的温度和浓度范围，硝酸钾水溶液的电导率与浓度C成正比，由实验测定反应器出口流体的电导率就可求得浓度。

从实测的硝酸钾水溶液（以自来水作为溶剂）的电导率-浓度数据可以看出：在一定的温度下，当浓度很低时，它的电导率（扣除自来水电导率后的净值）较好地与浓度成正比，故在计算F（t）和E（t）时也可用电导率代替浓度进行计算。

计算如下：（1）停留时间分布函数：
（2）停留时间分布密度函数：
式中，△t为采样时间间隔。

（3）平均停留时间：
（4）方差：
（5）多数混合模型的虚拟级数：
N的数值可检测理想流动反应器和度量非理想流动反应器的反混程度。

当实验测得模型参数N值与实际反应器的釜数相近时，则该反应器达到了理想的全混流模型。

若实际反应器的流动状况偏离了理想流动模型，则可用多级全混流模型来模拟其反混情况，用其模型参数N值来定量表征反混程度。

2 实验数据处理
2.1 原始数据
三釜串联反应器原始数据记录
搅拌速度（r/min）：n
釜1= 840（有问题）n
釜2
= 220 n
釜3
= 100（有问题）
流量（L/h ）：Q v串=30.0
示踪剂注入的质量流量（g/s ）：Q m示，直=13.0
示踪剂注入时间（s ）：t 示，直=11.0
2.2 数据处理过程
釜1的数据为例，进行计算：（在一定温度下，当浓度很低时，硝酸钾的电导率较好的与浓度成正比，故在计算时可用电导率代替浓度进行计算。

）
表1的数据计算以序号为1的数据为例：t=1.45s L=0.048 Vs=30.0L/h ①t*L(t)=1.45*0.048=0.0696 ② t 2
*L(t)=1.45^2*0.048=0.10 ③ 0028.0048.03600
1000
0.11/0.13/0.30)()(=⨯⨯⨯==
s s g h L t L Q V t E s λ ④ 0208.0049
.0051.0074.0048.0048
.0)
t ()t ()t (00=++⋅⋅⋅++=
∑∑=
∞
L L F t
按照以上四步，可根据t 和L 的值求出t*L(t)；t 2
*L(t)；E(t)；F(t)的值，
所以可求得表1，表2，表3中的数据。

利用表1的E(t)和t 可作图得出图1 釜1的E(t)-t 关系图 利用表1的F(t)和t 可作图得出图2 釜1的F(t)-t 关系图
由此利用表2的数据可得出图3的釜2 E(t)-t 关系图和图4的釜2 F(t)-t 关系图，利用表3的数据可得出图5的釜3 E(t)-t 关系图和图6的釜3 F(t)-t 关系图
表4的数据计算，以釜1数据为例： ① 计算平均停留时间τ：
s t L t L t t 07.131049
.0051.0048.0049
.094.850051.059.649048.045.1)
()
(0
=++⋅⋅⋅+⨯+⨯+⋅⋅⋅+⨯=
∑⋅∑=
=∞
∞
∧
τ
② 算方差σ2
t 和σ
2
4
.3628807.131049
.0051.0048.0049.094.850051.059.649048.045.1)
()
(22222
^0
202=-++⋅⋅⋅+⨯+⨯+⋅⋅⋅+⨯=-∑⋅∑=
∞
∞
t t L t L t t
σ
11.207
.1314.362882
222
===τσσt ③ 计算多级混合模型的虚拟级数N ：
47.011
.21
1
2
==
=
σN 同理可求出表4中釜2和釜3的τ；σ2
t ；σ2
和N 的数据。

2.3 数据处理结果汇总
釜1：
表1 釜1数据处理
序号 t/s L t*L(t) t 2
*L(t) E(t) F(t) 1 1.45 0.048 0.0696 0.10 0.0028 0.0208 2 5.64 0.074 0.4174 2.35 0.0043 0.0529 3 7.73 0.130 1.0049 7.77 0.0076 0.1092 4 9.83 0.213 2.0938 20.58 0.0124 0.2015 5 14.02 0.303 4.2481 59.56 0.0177 0.3328 6 21.34 0.405 8.6427 184.44 0.0236 0.5082 7 59.73 0.317 18.9344 1130.95 0.0185 0.6456 8 135.92 0.197 26.7762 3639.43 0.0115 0.7309 9 179.44 0.153 27.4543 4926.40 0.0089 0.7972 10 254.30 0.106 26.9558 6854.86 0.0062 0.8432 11 318.94 0.083 26.4720 8442.99 0.0048 0.8791 12 389.55 0.068 26.4894 10318.95 0.0040 0.9086 13 468.64 0.059 27.6498 12957.78 0.0034 0.9341 14 585.97 0.052 30.4704 17854.76 0.0030 0.9567 15 649.59 0.051 33.1291 21520.33 0.0030 0.9788 16
850.94
0.049
41.6961
35480.85
0.0029
1.0000
釜2：
表2 釜2数据处理 序号 t/s L t*L(t) t2*L(t) E(t)
F(t) 1 1.45 0.046 0.0667 0.10 0.0027 0.0264 2 60.78 0.158 9.6032 583.68 0.0092 0.1171 3 116.02 0.204 23.6681 2745.97 0.0119 0.2342 4 141.16 0.207 29.2201 4124.71 0.0121 0.3530 5 183.63 0.199 36.5424 6710.28 0.0116 0.4673 6 240.44 0.177 42.5579 10232.62 0.0103 0.5689 7 322.08 0.141 45.4133 14626.71 0.0082 0.6498 8 398.97 0.110 43.8867 17509.48 0.0064 0.7130 9 448.02 0.095 42.5619 19068.58 0.0055 0.7675 10 520.02 0.078 40.5616 21092.82 0.0045 0.8123 11 585.97 0.068 39.8460 23348.54 0.0040 0.8513 12 637.00 0.062
39.4940 25157.68
0.0036 0.8869
0.0000
0.00500.01000.0150
0.02000.02500.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
E (t )
t 图1 釜1 E(t)-t 关系图
0.0000
0.20000.40000.60000.8000
1.00001.20000.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
F (t )
t 图2 釜1 F(t)-t 关系图
13 717.16 0.055 39.4438 28287.52 0.0032 0.9185 14 863.13 0.049 42.2934 36504.68 0.0029 0.9466 15 919.78 0.047 43.2297 39761.78 0.0027 0.9736 16 1023.38 0.046 47.0755 48176.10 0.0027 1.0000
釜3：
表3 釜3数据处理 序号 t/s L t*L(t) t2*L(t) E(t)
F(t) 1 1.45 0.044 0.0638 0.09 0.0026 0.0293 2 57.64 0.056 3.2278 186.05 0.0033 0.0665 3 122.30 0.101 12.3523 1510.69 0.0059 0.1337 4 187.75 0.138 25.9095 4864.51 0.0080 0.2255 5 261.98 0.155 40.6069 10638.20 0.0090 0.3287 6 318.94 0.154 49.1168 15665.30 0.0090 0.4311 7 383.27 0.143 54.8076 21006.11 0.0083 0.5263 8 446.97 0.129
57.6591 25771.90
0.0075 0.6121
0.0000
0.00200.00400.00600.00800.0100
0.01200.01400.00
200.00
400.00
600.00800.00
1000.00
1200.00
E （t ）
t
图3 釜2 E(t)-t 关系图
0.0000
0.20000.40000.60000.8000
1.00001.20000.00
200.00
400.00
600.00800.00
1000.00
1200.00
F (t )
t
图4 釜2 F(t)-t 关系图
9 516.52 0.110 56.8172 29347.22 0.0064 0.6853 10 595.39 0.093 55.3713 32967.50 0.0054 0.7472 11 649.59 0.083 53.9160 35023.27 0.0048 0.8024 12 724.34 0.072 52.1525 37776.13 0.0042 0.8503 13 792.20 0.063 49.9086 39537.59 0.0037 0.8922 14 862.08 0.058 50.0006 43104.55 0.0034 0.9308 15 919.78 0.054 49.6681 45683.74 0.0031 0.9667 16 1001.34 0.050 50.0670 50134.09 0.0029 1.0000
表4 釜式反应器实验结果
釜式反应器
τ σ2
t σ2
N
釜1 131.07 36288.40 2.11 0.47 釜2 324.61 65659.00 0.62 1.60 釜3
440.22
67831.00
0.35 2.86
3 结果分析与讨论
0.0000
0.00200.00400.0060
0.00800.01000.00
200.00
400.00
600.00800.00
1000.00
1200.00
E (t )
t
图5 釜3 E(t)-t 关系图
0.0000
0.20000.40000.60000.8000
1.00001.20000.00
200.00
400.00
600.00800.00
1000.00
1200.00
F (t )
t
图6 釜3 F(t)-t 关系图
3.1实验结果
由表4可知，釜1，釜2，釜3的平均停留时间依次变长，σ2
t依次增大，而σ
2
的值
却依次减小，多级混合模型的虚拟级数N也依次增大。

釜1到釜3的E(t)-t关系图中的曲线都是先增大到一个最大值，后逐渐减小。

而F(t)-t关系图中的曲线则是一直在增长，先急剧增长，后缓慢增长到1.
3.1误差分析
釜1和釜3的搅拌有点问题，釜1的搅拌转速需达到七八百才能和釜2的速度大致相同，釜3的搅拌速度很快，开到100就接近釜2的两百多的转速。

这里造成一定的误差。

釜3的液位不好调，一不小心就会使液体充满釜3，所以我们给它开了两个液体出口，这对机器测定电导率可能造成一定的影响。

实验的数据很多，我们只取了其中的16点进行数据计算，也造成了一定的误差。

4 对本实验的建议
4.1实验过程中应始终保持水流量U和转速n不变，否则流型将发生变化，水流量的变动还将引起示踪剂物料衡算的误差。

4.2为准确可靠起见，应做2～3次平行实验。

4.3实验结束应及时清理水箱中的水。

5 思考题
（1）示踪剂的输入的方法有几种？这些方法有何区别？
答：有两种，分别是阶跃法和脉冲法。

若采用阶跃示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，即可得到F（t）函数；而采用脉冲示踪法，则测定出口示踪物浓度变化，就可得到E（t）函数。

（2）请分析多釜串联实际反应器偏离理想流动模型的原因。

答：由于分子扩散、涡流扩散和流速分布等原因，实际反应器中的流动情况常常要偏离理想流动，需用流动模型来描述。

（3）如何判断进入管式反应器中的示踪剂浓度已稳定？如何判断示踪剂已基本离开反应器？
答：当注入2-3次示踪剂浓度，在出口检测电导率值，当这几次注入的物料停留时间变化基本相同时，则判断示踪剂浓度以稳定。

当电脑记录的曲线在1min内察觉不到变化时，曲线的末端的数值和初始数据相差不多时，即认为示踪剂以
基本离开反应器。

参考文献：
[1] 应用化学专业实验指导书（上）吴文炳张婷编
[2] 化学反应工程（浙江大学、华东化工学院合编）。