实验七管式循环反应器停留时间测定讲解

北京化工大学

实验七管式循环反应器停留时间测定

班级：化工1206

姓名：刘亚茹

学号：2012011164

实验时间：2015年10月29日

1.目的及任务

1.1.实验目的

1.了解连续均相管式循环反应器的返混特性；

2.掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法；

3.分析观察连续均相管式循环反应器的流动特性；

4.研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n。

1.2.实验任务

1.用脉冲示踪法测定循环反应器停留时间分布；

2.改变循环比，确定不同循环比下的系统返混程度；

3.观察循环反应器的流动特征。

2.基本原理

停留时间分布的实验在工业生产上，对某些反应为了控制反应物的合适浓度，以便控制温度、转化率和收率，同时需要使物料在反应器内有足够的停留时间，并具有一定的线速度，而将反应物的一部分物料返回到反应器进口，使其与新鲜的物料混合再进入反应器进行反应。在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。对于这种反应器循环与返混之间的关系，需要通过实验来测定。

在连续均相管式循环反应器中，若循环流量等于零，则反应器的返混程度与平推流反应器相近，由于管内流体的速度分布和扩散，会造成较小的返混。若有循环操作，则反应器出口的流体被强制返回反应器入口，也就是返混。返混程度的大小与循环流量有关，通常定义循环比R为：

循环比R是连续均相管式反应器的重要特征，可自零变至无穷大。

当R=0时，相当于平推流管式反应器。

当R=∞时，相当于全混流反应器。

因此，对于连续均相管式循环反应器，可以通过调节循环比R，得到不同返混程度的反应系统。一般情况下，循环比大于20时，系统的返混特性已经非常接近全混流反应器。

返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是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的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。

停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。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示踪物料的浓度变化。

由停留时间分布密度函数的物理含义及物料衡算，可知

()()Q f t dt V C t dt ⋅=⋅

(1)

示踪剂加入量符合

()⎰

∞

=

dt t VC Q

(2)

由（1）与（2）可得停留时间分布密度函数

()()

()()

()dt

t C t C dt

t VC t VC t f ⎰⎰∞

∞

=

=

(3)

由此可见()t f 与示踪剂浓度()t C 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 浓度与电导值

L 成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即()()t L t f ∝，这里()∞-=L L t L t ，t L 为t 时刻的电导值，∞L 为无示踪剂时电导值。

停留时间分布密度函数()t f 在概率论中有二个特征值，即平均停留时间（数学期望）t 和方差2

t σ

。

-

t 与2t σ的表达式为：

()()()⎰⎰⎰∞∞

∞-

=

=0

00

dt

t C dt t tC dt t tf t (4)

()()()20

20

22t dt t f t dt t f t t t -=-=⎰⎰∞

∞σ

（5）

采用离散形式表达，并取相同时间间隔,t ∆则：

()()()()

t L t L t t t C t t tC t ∑⋅∑=∆∑∆∑=

-

(6)

()()()()()

222

22

t t L t L t t t C t C t t

-∑∑=-∑∑=σ

（7）

若用无因次对比时间θ

来表示，即t t

＝θ

，无因次方差22

2t t σσθ＝ 。

在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来

描述，这里我们采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，并得到无因次方差2θσ与模型参数n 存

在关系为

2

1

θσ=

n

（8）

当 1=n ， 12

=θσ ，为全混釜特征；当∞→n ， 02→θσ， 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。

3. 装置和流程

3.1. 实验装置

电导率显示屏

示踪剂注入口

显示开关

主流量调

节及流量指示 循环泵开关 循环流量调节及流量指示