实验预习讲义

实验一连续流动反应器的返混测定

A实验目的

本实验通过三釜反应器与平推流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。

⑴掌握停留时间分布的测定方法。

⑵了解停留时间分布与多釜串联模型地关系。

⑶了解模型参数n的物理意义及计算方法。

B实验原理

在本实验通过三釜反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称之返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常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应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关系，因此不能用停留时间分布的实验数据直接表示返混程度，而要借助数学模型来间接表达。

物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须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ƒ(t)和停留时间分布函数F(t)。停留时间分布密度函数ƒ(t)物理意义是：同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到t＋d t间的流体粒子所占的分率d N/N为ƒ(t)d t。停留时间分布函数F(t)物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。

停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等。当系统达到稳定后，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物料浓度变化。

停留时间分布密度函数ƒ(t)物理含义，可知

ƒ(t)dt=V·C(t)d t/Q ⑴ Q=⎰∞0V C(t)dt⑵

所以ƒ(t)dt=

⎰∞0VC(t)dt

VC(t)

＝

⎰∞0)(

)(

t

d

t

C

t

C

⑶

由此可见ƒ(t)与示踪剂浓度C(t)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，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl浓度与电导成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即ƒ(t) ∝L(t)，这里L(t)＝L t-L

∞

，L(t)为t 时刻的电导值，L ∞为无示踪剂时的电导值。

停留时间分布密度函数ƒ(t)在概率论中有两个特征值，平均停留时间（数学期望）t 和

方差

σ

2t

。

t 的表达式为：

t ＝⎰∞0

t ƒ(t)dt ＝

⎰⎰∞∞

00)()(dt

t C dt t tC ⑷ 采用离散形式表达，并取相同时间间隔△t,则：

t ＝

t t c t t tc ∆∑∆∑)()(＝)

()

(t L t tL ∑∑ ⑸

σ2t 的表达式为： σ

2t

＝

20

220

)()()()(t dt t f t dt t f t t -=-⎰⎰

∞

∞

⑹

也用离散形式表达，并取相同时间间隔△t,则：

σ

2t

＝

222

2)()

()()()()(t t L t L t t t c t c t -∑∑=-∑∑ ⑺ 若用无量纲对比时间θ来表示，即t

t

=

θ ⑻ 无量纲方差

2

22

)

(t t σ

σ

θ

=

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。这里我们采用多釜串联模型。

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多釜串联的返混程度等效。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 称模型参数。多釜串联模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σ

θ

2

与模型参数n 存在

关系为：

σ

θ

2

1

=

n

当n ＝1，

12

=σ

θ

，为全混釜特征；

当n →∞，

02

→σ

θ

，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。

C 预习与思考

⑴为什么返混与停留时间分布不是一一对应的？为什么又可通过测定停留时间分布来研究返混呢？

⑵测定停留时间分布方法有那些？本实验采用哪种方法？ ⑶何谓返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有那些？ ⑷何谓示踪剂？有何要求？本实验用什么作示踪剂？ ⑸模型参数与实验中反应釜个数有何不同？为什么？

E 实验仪器使用方法

（1） 打开总电源开关，打开水位控制开关，开启入水阀门。当水位指示绿灯亮后，关小

入水阀门，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30升/时，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、釜2、釜3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（电流表指示在35—40V 之间）。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，将拨钮扳至“测量”位置，准备测量。（ 电导仪的使用方法见该仪器使用说明书）

（3） 开启计算机电源，在桌面上双击“多釜返混实验FH-3”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对应号码（前三位必须是英文字母或数字）。

（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25—30分钟，阀开时间1.6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，待按钮抬起后，将该

数据文件（路径为 D ：/FH-3/DATA/*.XXX ，其中“XXX ”为操作员号中的前三位）