多釜串并联返混实验装置

计算机控制多釜串并联 返混实验装置说明书

天津大学化工基础实验中心

2012．02

在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质有关以外，还与反应物料在反应器内停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器时开始，到其离开反应器为止的这一段时间。显然对流动反应器而言，停留时间不象间歇反应器那样是同一个值，而是存在着一个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体的扩散，以及反应器内的死区等。

停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。

一、实验装置的基本功能和特点:

1.通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。 2.掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。

3.学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。 二、实验装置简介： 1．实验装置流程图：

图一 实验设备流程示意图

1-水箱；2-水泵：3-转子流量计；4，5-KCL的进样口；6、7-进水阀； 8-搅拌电机；9-釜式反应器；10-溢流口；11-电导电极；12-回流阀；

1

2．实验装置主要技术参数：

多釜式反应器 直径110mm，高120mm，有机玻璃制成，3个。 单釜式反应器 直径160mm，高120mm，有机玻璃制成，1个。 搅拌马达25W，转数90－1400转/分，无级变速调节 液体(水)流量计 4---40 L/h 3．实验原理：

停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。

脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图1形象地描述。

由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此，E（t）dt就代表了流体粒子在反应器内停留时间介于t到t+dt之间的概率。

在反应器出口处测得的示踪剂浓度c(t)与时间t的关系曲线叫响应曲线。由响应曲线就可以计算出E（t）与时间t的关系，并绘出E（t）～t关系曲线。计算方法是对反应器作示踪剂的物料衡算，即

Qc(t)dt=mE(t)dt （1） 式中Q表示主流体的流量，m为示踪剂的加入量。示踪剂的加入量可以用下式计

2

算

m=?0Qc(t)dt （2） 在Q值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：

E（1）＝

c(t)??0c(t)dt? （3）

关于停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t),即

F（t）＝?0E(t)dt （4） 用停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。 数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间t,即

t??0?tE(t)dtE(t)dt??0???0tE(t)dt （5）

?方差是和理想反应器模型关系密切的参数。它的定义是：

?t2??0t2E(t)dt?t2 （6） 对活塞流反应器?t2?0；而对全混流反应器?t2?t2；对介于上述两种理想反应器之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜串联模型中的模型参数N可以由实验数据处理得到的?t2来计算。

N＝

t22?3? （7）

当N为整数时，代表该非理想流动反应器可以用N个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当N为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。 三、实验方法及步骤： 1、准备工作

(1)配好饱和KCL液体待用。

(2)连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。 (3)检查电极导线连接是否正确。

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2、实验操作

(1)打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注水，启动水泵，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20-30升/时之间某值，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、釜4搅拌马达开关，后再调节马达转速的旋钮，使四釜搅拌程度在200转-250转。开启电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。调整完毕，备用。(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，按计算机提示要求操作。

(4)按下开始实验键后，看显示图上有显示点后将KCL液体用注射器注入反应器中。实验所需时间可以根据图形变换而定，及图象由最高点恢复到与出始点向近20秒后即可结束实验。

(5)待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮保存数据文件。 3、停车操作

(1)实验完毕，将三个反应器的进水发全开，连续进清水冲洗管路。反复三、四次

(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。 四、附数据处理过程举例：

表一 单釜反混实验数据表 每组时间间隔： 1.0S 电机转速: 200r/min

表二 三釜反混实验数据表 每组时间间隔： 1.0S 电机转速: 200r/min 数学期望:338.262634方差:80061.062500虚拟釜数:1.429179 釜1数学期望:300.881348釜1方差:77611.210938釜1虚拟釜数:1.166450 釜2数学期望:556.180725釜2方差:127749.289063釜2虚拟釜数:2.421438 釜3数学期望:741.452454釜3方差:123636.343750釜3虚拟釜数:4.446522 4

图三 单釜图

图四 三釜串联图

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