连续循环反应器中返混状况测定

实验二连续循环反应器中返混状况测定

实验目的

1、了解连续均相管式循环反应器的返混特性。

2、分析观察连续均相管式循环反应器的流动特种。

3、研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n。

实验原理

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由足够的停留时间，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和称为返混。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：

R 循环物料的体积流量

离开反应器物料的体积流量循环比 R 是连续均相管式循环反应器的重要特征，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，可知f(t)dt=V⋅C(t)dtQ

Q=∫0∞VC(t)dt

所以f(t)=VC(t)/∫0∞VC(t)dt=C(t)/∫0∞C(t)dt

由此可见 f (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 浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即 f (t) ∝ L(t)，这里 L(t ) = Lt − L∞，Lt

为 t 时刻的电导值， L∞为无示踪剂时电导值。

由实验测定的停留时间分布密度函数 f(t)，有两个重要的特征值，即平均停留时间 t 和方差σ t2 ，可由实验数据计算得到。若用离散形式表达，并取相同时间间隔 t, 则：t=[ΣtC(t)t]/[ΣC(t)t]=[Σt ⋅L(t)]/[ΣL(t)]

σt2=[Σt2C(t)]/ΣC(t)−(t)2=[Σt2L(t)]/[ΣL(t)]−t2

若用无因次对比时间θ来表示，即θ＝t/t~ ，无因次方差σθ2＝σt2/t2。

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σθ2 与模型参数 n 存在关系为：n=1/σθ2

多项选择

1.请选择正确的实验装置图。

A.

B.

C.

D.

E.

2.请选择本次实验正确的工艺参数。

A. 示踪剂为新鲜配制的饱和NaNO3溶液。

B. 采用电导率仪可接获取示踪剂浓度。

C. 待流量稳定后，示踪剂要求迅速注入并同时开始采样。

D. 调节主流量均为20L/hr左右，并以此为基准调节循环流量

3.请选择本次实验的正常实验结果。

A. 循环比增大，n值增大

B. 循环比增大，平均停留时间增大

C. 循环比增大，n值减小

D. 循环比增大，平均停留时间减小

问答

1.何谓返混？连续管式循环反应器中的返混是如何产生的？为什么要测定返混程度？

2.采用脉冲法测定返混，对示踪剂有什么要求？

3.如果进口流量控制在15升/小时，要求循环比分别为0、3、5，则循环流量应分别控制在多少？

4.本实验采用什么数学模型描述返混程度？表征返混程度的模型参数是什么？该参数值的大小说明了什么？

5.利用本实验测得的示踪剂停留时间分布的无因次方差与循环比、模型参数N之间的变化关系如何？