反应器返混性能综合实验

与模型参数N存在关系为：
当N=1，=1，为全混流特征。 当
，
（10）
，为活塞流特征。 这里N是模型参数，是指串联的级数，是个虚拟釜数，并不限于整
数。N只是来表示反应器中物料返混的程度，N越大返混程度越小，而 反应器本身并不一定是用多级全混流反应器串联而成的。
本实验中用水作为连续流动的物料，以KCl溶液作示踪剂，在反应器 出口处检测溶液的电导值。由于加入KCl的量少，则流体为很稀的KCl 溶液，此时KCl浓度与溶液的电导率值成正比，则可用电导率值来表达 物料的停留时间变化关系，即E(t)∝ L(t)，这里L(t)=Lt－L，Lt为t时刻溶
线。实验时，测出电导率只，通过查标准工作曲线就可知KCl的浓度。
2．回归法
由于KCl的浓度和电导率之间的关系并不完全是线性关系，因此可以
可以将两者的关系用二次曲线表示：
c＝aL+bL2
(3-15-13)
在实验温度发生变化时，溶液的电导率会发生变化，因此，系数a、b和
温度的关系可以表达为：
a＝d+eT
（1）将KCl溶液注入标有KCl的储瓶内，将水注入标有H2O的储瓶 内。
（2）连接好入水管线，打开自来水阀门，使高位水槽有水溢出。 （3）检查电极导线连接是否正确。 2：操作 （1）慢慢打开进入转子流量计的阀门（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30升/时，同时 打开釜式反应器的入水阀，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流 出。 （2）打开总电源开关，分别开启釜1、釜2、釜3的搅拌马达开关， 后再旋转调节马达转速的旋钮，使三釜搅拌程度大致相同（电流表指示 小于20V）。开启电磁阀开关和电导仪总开关，再分别开启三个电导仪 开关，将量程拨钮调到合适量程段后，将拨钮扳至“校正”位置，调节下 方电位器使电导仪表针指示为满刻度1.0。至此，调整完毕。将拨钮板 至“测量”位置，准备测量。 （3）开启计算机电源，在桌面上双击“多釜串联”图标，在主画面上 按下“实验流程”按钮，调节“示踪剂量”，“进水流量”，使显示值为实际 实验值，在操作员号框中输入自己姓名或学号。 （4）按下“趋势图”按钮，调节“实验周期”、“阀开时间”使显示值为 实验所需值（推荐实验周期1800秒，10mv，阀开时间1～2秒），按下 开始按钮，开始采集数据。 （5）待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮（数据 保存位置因程序安装路径不同而不同，如D:\Program Files\BYCIC\多釜 串联\data\*.XXX，其中“*”为实验日期与时间，“XXX”为姓名或学号的 前三位）。 （6）关闭釜式反应器的进水阀，打开管式反应器的进水阀，将水导 入管式及应器，重复步骤（3）~（5）。 注意：调节水流量60升/小时（推荐实验周期300秒，5mv，阀开时间 0.2秒）。
一个化学反应进行的程度是受温度、物料的浓度（即微观化学反应 动力学规律）和反应时间控制的，而这些条件又主要受反应器内物料的 流动情况影响，因为物料的流动情况是决定反应器内传热和传质情况的 首要因素。在实验室进行化学反应时，由于各种操作都很理想，反应情 况一般都比较好。当随着化学反应器尺寸的放大，化学反应进行的情况 经常就和实验室结果相差很大。其原因是反应器内物料的流动情况和未 放大前不一样，引起化学反应的各种环境条件都会发生变化，其中突出 的变化是物料的温度、浓度和反应时间等反应条件产生的不均匀问题。 物料的流动情况不仅对反应器中的化学反应有很大影响，而且对换热器 的效果和分离设备的操作情况都有很大影响。因此，在对反应器、换热 器和分离操作设备进行设计、放大和操作时，都需要了解物料在预期的 设备内的流动特性。以下，就以连续流动反应器为例进行说明。
液的电导率值，L为无示踪剂时溶液的电导率值。相应的平均停留时间 （数学期望） 和方差
可以写为：
（11）
（12）
三、实验装置及流程 实验装置如图1、2所示，由管式反应器与三釜串联二个系统组成。
三釜串联反应器中每个釜的体级为1.5L，用可控硅直流调速装置调速， 水经转子流量计可分别流入二个系统。稳定后在二个系统的入口处分别 快速注入示踪剂，由釜式和管式反应器流出口测定示踪剂浓度随时间变 化关系的曲线，再通过数据处理得以证明返混对管式和釜式反应器的影 响，并能通过计算机得到停留时间分布密度函数及多釜串联流动模型的 关系。
图2 管式反应器装置示意图 釜式反应器1.5L，直径110mm，高120mm，有机玻璃制成。
管式反应器内径8mm，长度5m。
搅拌马达60w，转数0~100%转/分，无级变速调节。 液体（水）流量0~60升/时。 电磁阀控制示踪剂进入量5~10毫升/次。
图3 控制面板示意图 四、操作步骤 1．准备工作
此曲线下的面积有何意义？ 5． 在多釜串联实验中，为什么要在流体流量和转速稳定一段时间后
才能开始实验？ 八、参考文献
1. 武汉大学主编. 化学工程基础. 北京：高等教育出版社，2001 2. 刘光永主编. 化工开发实验技术. 天津：天津大学出版社，1994，
p217. 3. 魏飞，胡永琪，赖志平等. 石油化工，1998，24(4)：276 4. 刘跃进. 石油化工，1995，34(6)：405 5. 崔波，方晨昭，金青等. 青岛化工学院学报，2000，21(3)：196
、方差
、无量纲方差
和虚拟釜数N。
六、注意事项
本实验中，KCl的浓度和电导率之间的关系并是以线性关系处理的。
实际上，KCl浓度只是在0～3 mol·L-1的范围内，浓度和电导率之间的关
系才近似为线性关系。为了得到精确的实验结果，对KCl浓度和电导率
之间的关系可以作如下处理：
1．标准工作曲线法
在实验温度下，测出不同浓度KCl的电导率，然后作c～L标准工作曲
（1）
由于 ，故有
（2）
写成离散形式为：
（3）
（4）
由此可见E（t）与示踪剂浓度c（t）成正比。当在反应器出口测定的 不是示踪剂的浓度，而是其他物理量，如电导率、毫伏信号等，只要这 些物理量和浓度呈线性关系，就可以将这些物理量的值直接带入式 （3）、（4）进行计算，其结果和与用浓度计算的相同。当这些物理量 和浓度不呈线性关系时，需要根据这些物理量与浓度的关系将其值转化 为浓度值，然后进行计算。
停留时间分布密度函数E（t）在概率论中有两个特征值：平均停留 时间（数学期望）
和方差。
的表达式为：
采用离散形式表达，并取相同时间间隔 t，则：
的表达式为：
也用离散形式表达，并取相同 t，则：
（5） （6） （7）
若用无量纲的对比时间来表示，即
， 无量纲方差
（8）
（9） 在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评价其返混程度，则 需要用反应器模型来描述。最常用的是多釜串联模型。 所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个 全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值， 并不代表反应器个数，n称为模型参数。多釜串联摸型假定每个反应器 为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到 多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无量纲方差
［参考资料］
反应器返混性能综合实验
一、实验目的 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。
1、了解和掌握停留时间分布函数的基本原理； 2、掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布及数据处理方法； 2、了解停留时间分布与模型参数的关系； 3、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
3．停车： （1）实验完毕，将实验柜上三通阀转至“H2O”位置，将程序中“阀开
时间”调到最大，按“开始”按钮，冲洗电磁阀。反复多次。 （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、数据处理 1． 使用软件，计算虚拟釜数N。 2． 自己参照第一章中讲述的“excel在化工实验中的应用”的内容，使 用“excel”计算出平均停留时间
流体微元在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，可以用概率 分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数 E（t）和停留时间分布函数F（t）。停留时间分布密度函数E（t）的物
理意义是：同时进入系统的N个流体微元中，停留时间介于t到t+dt间的 流体微元所占的分率dN/N为E（t）dt。停留时间分布函数F（t）的物理 意义是：流动系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。
过测定溶液的电导率值和实验温度，就可以通过式（3-15-16）求出溶液 KCl的浓度c。 七、思考题
1． 测定停留时间分布函数的方法有哪几种？本实验采用哪种方法？ 2． 模型参数与实验中反应釜的个数有何不同？为什么？ 3． 如何测定KCl浓度和电导率之间的关系？ 4． 实验中可以测得的反应器出口示踪剂浓度和时间的关系图，试问
1. 来自百度文库水瓶；2. 三通阀；3. KCl溶液储液瓶；4. 高位水槽；5. 电磁阀； 6. 截止阀；7. 三通；8. 流量计；9. 电导电极；10. 釜；11. 螺旋桨搅拌
器； 12. 排放阀；13. 搅拌马达 图1 多釜串连装置示意图
1～11同图1；12. 电磁阀；13. 搅拌马达；14. 管式反应器；15. 计算机
由于各种反应器内物料的流动状态，都有其独自的停留时间分布函 数关系，因此可以用停留时间分布函数来定量描述反应器内物料的返混 程度。
停留时间分布函数的测定一般是在生产装置上用水或空气代替反应 物料进行“冷模”试验的方式进行，有时也可以在模拟装置上进行。测定 方法主要是示踪响应法，就是在反应器的入口以一定的方式加入示踪 剂，同时通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接的描述反应器 内物料的停留时间。常用的示踪剂的加入方法有脉冲输入法、阶梯输入 法等。脉冲输入法是指在极短的时间内，将示踪剂从反应器的入口注入 物料的主流体，在不影响主流体流动特性的情况下随之进入反应器，与 此同时，检测任意时刻t从出口在反应器出口流出示踪剂的浓度c（t）， 从而得到示踪剂浓度c（t）随时间t变化的关系。设qV为物料的体积流 量，M0为注入示踪剂的总量，根据停留时间分布密度函数的物理意 义，可知：
在连续流动的反应器内，物料的流动情况很复杂，可以用返混的概 念来描述物料的流动形式和采用流动模型的方法进行处理。为了便于研 究，一般都将流体看作是由许多独立存在的流体单元所组成的连续体， 并称这些单元为“流体微元”。流体微元可以是分子（微观流体），也可 以是由很多分子集聚而成的分子团或分子束（宏观流体）。流体微元从 进入反应器到离开反应器的时间称为该物料微团的停留时间。在连续流 动反应器内，由于搅拌和扩散等原因，使具有不同停留时间的流体微元 之间会发生混合，称这种混合为“返混”。返混程度的大小，很难直接测 定，一般只能直接测定物料的停留时间。
(3-15-14)
b=f+gT
(3-15-15)
即 c＝（d+eT）L+（f+gT）L2
(3-15-16)
因此，可以先测出一组浓度c及其对应的电导率L，采用最小二乘法求出
式（3-15-13）中的系数a、b值，然后通过实验测出一组温度T及其对应
的a、b值，进行线性回归得到温度常数d、e、f、g。这样在实验中，通