試驗八停留時間分布的測定

1、實驗八停留時間分布的測定一、實驗目的1. 了解利用電導率測定停留時間分布的基本原理和實驗方法；2. 掌握停留時間分布的統(tǒng)計特征值的計算方法；3. 了解學會用理想反應器串聯(lián)模型來描述實驗系統(tǒng)的流動特性。二、實驗原理停留時間分布測定所采用的方法主要是示蹤響應法。它的基本思路是：在反應器入口以一定的方式加入示蹤劑，然后通過測量反應器出口處示蹤劑濃度的變化，間接地描述反應器內流體的停留時間。常用的示蹤劑加入的方式有脈沖輸入、階躍輸入和周期輸入等。本實驗選用的是脈沖輸入法。脈沖輸入法是在極短的時間內，將示蹤劑從系統(tǒng)的入口處注入主體流，在不影響主流體原有流動特性的情況下隨之進入反應器。與此同時，在反應器出

2、口檢測示蹤劑濃度c(t)隨(b)脈沖輸入(c) 出口響應圖1脈沖法測停留時間分布脈沖輸入法測得的停留時間分布代表了物料在反應器中的停留時間分布密度即E(t)。若加入示蹤劑后混合流體的流率為Q，出口處示蹤劑濃度為 C (t)，在dt時間里示蹤劑的流出量為Qc(t)dt，由E(t)定義知E(t)dt是出口物料中停留時間在 t與t+dt之間示蹤劑所占分 率，若在反應器入口加入示蹤劑總量為m對反應器出口作示蹤劑的物料衡算，即(1)Qc)di -示蹤劑的加入量可以用下式計算在Q值不變的情況下，由(1)式和(2)式求出:關于停留時間的另一個統(tǒng)計函數(shù)是停留時間分布函數(shù)F(t)，即FQ) = r E(f)dt

3、 血(4)用停留時間分布密度函數(shù) E(t)和停留時間分布函數(shù) F(t)來描述系統(tǒng)的停留時間，給出了 很好的統(tǒng)計分布規(guī)律。但是為了比較不同停留時間分布之間的差異，還需要引入另外兩個統(tǒng)計特征值，即數(shù)學期望和方差。數(shù)學期望對停留時間分布而言就是平均停留時間t，即-r郭)必嚴 t=巫型(5)方差是和理想反應器模型關系密切的參數(shù)，它的定義是:(6)2 2 2 2若采用無因次方差二。則有- " i /t2對活塞流反應器'"0，而對全混流反應器。=1；對介于上述兩種理想反應器之間的非理想反應器可以用多釜串聯(lián)模型描述。多釜串聯(lián)模型中的模型參數(shù)N可以由實驗數(shù)據(jù)處理得到的_ 2飛：來計

4、算。(7)當N為整數(shù)時，代表該非理想流動反應器可以用N個等體積的全混流反應器的串聯(lián)來建立模型。當N為非整數(shù)時， 可以用四舍五入的方法近似處理，也可以用不等體積的全混流反 應器串聯(lián)模型。三、實驗設備的特點1. 本實驗裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，使用方便，安全可靠。2. 本裝置設備緊湊，功能齊全。四、裝置、流程及試劑4VA*圖2停留時間分布裝置圖反應器為有機玻璃制成的攪拌釜。其有效容積為1000ml。攪拌方式為葉輪攪拌。流程中配有四個這樣的攪拌釜。示蹤劑是通過一個電磁閥瞬時注入反應器。示蹤劑KCl在不同時刻濃度c(t)的檢測通過電導率儀完成。圖3數(shù)據(jù)采集原理方框圖電導率儀的傳感為鉑電極，當含有 KCl

5、的水溶液通過安裝在釜內液相出口處鉑電極時， 電導率儀將濃度c(t)轉化為毫伏級的直流電壓信號，該信號經放大器與 A/ D轉機卡處理后,由模擬信號轉換為數(shù)字信號。該代表濃度c(t)的數(shù)字信號在微機內用預先輸入的程序進行數(shù)據(jù)處理并計算出每釜平均停留時間和方差以及N后，由打印機輸出。五、實驗步驟1. 準備工作：1) 在室溫下，配 KCl飽和溶液500ml，取100 ml從釜中拆下電極頭，然后把電極頭 分別插入KCl飽和溶液，把電導儀打到校正檔調滿刻度，進行電極校正，然后裝好電極。2) 把料液槽中加滿水，打開泵進口處閥門，關閉流量計閥門，檢查各閥門開關狀況， 調整到適當?shù)奈恢谩?三釜串聯(lián)實驗1) 將三

6、釜串聯(lián)的開關打開，大釜開關關閉，管式反應器開關關閉，將示蹤劑加料的三通閥調整到三釜的位置，打開泵回流開關。2) 打開總電源開關，并打開泵開關，緩緩打開流量計調節(jié)閥，調到適當?shù)牧髁课恢?(若流量偏小可適當關閉泵回流閥)。3) 緩緩調節(jié)各釜頂部放空閥，讓水充滿釜，打開攪拌開關，調節(jié)攪拌速率到適當位置。4) 打開加示蹤劑開關，以驅趕管路中的氣體調整到恰好沒有氣泡混入釜中為最佳，關閉加示蹤劑開關，運行 15min。5) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，用注射器迅速注入示蹤劑，在記錄紙上作起始標記。6) 當記錄儀上顯示的濃度在2min內覺察不到變化時，即認為終點己到。3實驗結束1) 實驗完畢，關閉攪拌開關、泵開關，關上總

7、電源開關，清洗示蹤劑加料槽中的KCI溶液，放出釜內液體(有必要的話活化電極)。2) 可把三釜串聯(lián)開關關閉，打開大釜開關，將示蹤劑加料閥調到大釜位置按上述操作進行大釜試驗，其數(shù)據(jù)與小釜數(shù)據(jù)進行比較。六、數(shù)據(jù)處理序號 時間 /s 電導率 1/us cm-1 c1(t)/mol I-1 電導率 2/uscm-1 c2(t)/mol I-1 電導率 3/uscm-1 c3(t)/mol I1234七、結果討論1. 將各個時刻所記錄的電導率值，根據(jù)對應溫度下的電導率和濃度關系：在25OC時c(t) =7.39610"3 -4.50 10,，計算出相應的c(t)值，并根據(jù)公式E(t)二？型 計算

8、m出各個時刻對應的 E(t)值。2. 以E(t)為縱坐標，t為橫坐標，標繪出 E(t)t曲線。n3. 根據(jù)t = n，計算t值。無 E(ti)i =1n送 E(ti)ti2_4. 根據(jù)：=埒t,計算匚2的值。Z E9ti)i=125.根據(jù)匚2t，計算匚2值。六.思考題1測定停留時間分布函數(shù)的方法有哪幾種？本實驗采用的是哪種方法?2停留時間分布函數(shù)與停留時間分布函數(shù)有哪些性質？二者有何關系?3. 模型參數(shù)N與實驗中反應釜的個數(shù)有何不同？為什么？1. 脈沖法、階躍法、周期示蹤法和隨機輸入示蹤法。本實驗采用脈沖示蹤法。2. 停留時間分布密度函數(shù)：在穩(wěn)定連續(xù)流動系統(tǒng)中，同時進入反應器的N個流體粒子中，dNE(t)dt, E(t)其停留時間為tt+dt的那部分粒子占總粒子數(shù)N的分率記作：N依此定義E(t)函數(shù)具有歸一化的性質:0E(t)dt =1.0停留時間分布函數(shù)在穩(wěn)定連續(xù)流動系統(tǒng)中，同時進入反應器的 N個流體粒子中，其停留時間小于t的那部分粒子占總粒子數(shù) N的分率記作:"0=F(t)E(t), F(t)之間的關系t dN tF(t)珂打珥E(t)dtE(t)二dF(t)dt以及 t=° 二F(0)7 t F(：)= 0 E(t)dt=1.0.