實驗一填充管式反應(yīng)器液體停留時間分布及其流動模型參數(shù)的測定

實驗一填充管式反應(yīng)器液體停留時間分布及其流動模型參數(shù)的測定流經(jīng)填充層或固定床層的停留時間分布。這種方法不僅用于檢驗或確定填充管式均相反應(yīng)器傳質(zhì)設(shè)備。通過本實驗掌握一種測定停留時間分布的實驗技術(shù)，同時初步掌握對流體流經(jīng)固體顆粒型方法和流動模型等方面的有關(guān)概念，原理和方法會有更深入的理解。方法，是當主流流體以恒定的體積流時在反應(yīng)器出口處檢測示蹤物濃度與時間的關(guān)系曲線，即c(t)t曲線，并可轉(zhuǎn)化為停留時間分布密度與時間的關(guān)系曲線，即E(t)t曲線。實驗曲線可以定性地診斷流體流經(jīng)反應(yīng)器的流動狀況。停留時間分布屬)征主要是數(shù)學期望和方差。)(1)停留時間分布的數(shù)學期望，t隨機變量的數(shù)學期望也就是該變量的平均數(shù)。流體流經(jīng)反應(yīng)器停留時間分布的數(shù)學期望也就是停留時間的平均值。停留時間分布數(shù)學期望的定義式為0((3)1停留時間分布的實驗曲線FigureExperimentalcurveofRTDresidencetimedistribution)如果取一定時間間隔的離散數(shù)據(jù)，則上述定義式可用離散型隨機變量數(shù)學期望定義式，即iiiEttiii=0如果取等時間間隔的離散數(shù)據(jù)，即t為一定值。則(2)式可簡化為iii=i=1ii=1本實驗以水為主流體，其體積流率恒定為V，KCl為示蹤劑，注入量為n，則停留S0時間分布密度與濃度的關(guān)系為VE(t)=S.0c(t)(4)Vn0的濃度呈過原點的線性關(guān)系，水溶液的電導(dǎo)率又與電導(dǎo)率儀輸出的電壓顯示值U(t)呈線性關(guān)系，則停留時間分布密度E(t)與U(t)存在如下線性關(guān)系：E(E(t)=S.0c(t)=KU(t)n(5)0式中K為換算系數(shù)，在固定測試條件下為一常數(shù)。由此，可將(3)式改寫為tt=0=C=(6)i=1如果流體流經(jīng)反應(yīng)器無密度變化，即流經(jīng)反應(yīng)器體積流率V為一定值，且V=V，SSS.0反應(yīng)器進出口又無返混，則平均停留時間t可按下式計算VV(7)式中V——流體流經(jīng)反應(yīng)器的流通體積，亦即固體顆粒填充層內(nèi)的自由體積；0V——固體顆粒填充層的堆積體積。C(2)停留時間分布的方差，2t停留時間分布的數(shù)學期望只表征停留時間分布的中心，但不能反映停留時間分布的離因差的定義式為(8)(8)0如果采集等時間間隔的離散隨機變量數(shù)據(jù)，則停留時間分布的方差可按下式計算：2=tnE(t)ii=12=2tnE(t)ii=1根據(jù)前述相同的理由，本實驗中的方差還可以計算：i0i=1(9) 2=t(3)理想流動模型的檢驗由實驗測得的停留時間分布方差值，可按下式計算無因次方差：292(12)由無因次方差2的數(shù)值，可對被測反應(yīng)器的流動狀況作出判斷，對其是否已經(jīng)達到理9當2=0時，則該反應(yīng)器為理想流動反應(yīng)器，其流動模型為理想活塞流模型。9當2=1時，則該反應(yīng)器也為理想流動反應(yīng)器，但其流動模型為理想的全混流模型。9只有當021時，則該反應(yīng)器為非理想流動反應(yīng)器。9(4)非理想流動反應(yīng)器的流動模型與模型參數(shù)目前，常用的流動模型有凝集流模型，分散活塞流模型(或稱擴散模型)，多級全混流模型，循環(huán)流模型和組合模型等。分散活塞流模型(DispersionPlugFlowModel)設(shè)可導(dǎo)出數(shù)學模型為dc2dcdcldZ2dZd9(13)l則軸向分散模型又可表達為(Dl)dc2dcdc=0uLdZ2dZd9式中D/uL為無因次數(shù)群的倒數(shù)等于P，即leuL=PDel(14)(15)稱P為彼克列模數(shù)(Peclectmodulus)。P即為一維軸向分散模型的模型參數(shù)，其數(shù)ee值可用來度量返混程度的大小。P數(shù)值越大(即D愈小)，則返混程度愈小；反之，則返el混程度愈大。當P趨于∞(D/uL趨于0)時，則流動狀況趨于完全無返混，即流動模型el根據(jù)各種反應(yīng)器的不同邊界條件和示蹤物的輸入方法，求解(14)式可得到不同的解。出口無返混，即屬于閉式設(shè)備。當返混程度很小(P100)時，則可解得P與2的關(guān)系ee92=2/P9e(16)當返混程度較大(P<100)時，則需要根據(jù)下式進行試差計算模型參數(shù)：e2=22(1)2(1epe)9PP(17)多級全混流模型多級全混流模型是以多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器模擬各種非理想流動反應(yīng)器。該模型也屬于單參數(shù)模型，模型參數(shù)為虛擬的串聯(lián)級數(shù)N。由式(8)的停留時間分布方差定義式，經(jīng)展開并整理后，又可表達為如下形式：t0多級全混流反應(yīng)器的停留時間分布密度為N=2/2t或或9(19)由模型參數(shù)N的數(shù)值可度量非理想流動反應(yīng)器的返混程度。N數(shù)值愈大，返混程度愈??；反之，則愈大。當N值趨于∞時，則反應(yīng)器的流動模型趨于活塞流模型。一般情況下；本實驗裝置主要有反應(yīng)器，循環(huán)水系統(tǒng)，電導(dǎo)率儀，信號放大和A/D轉(zhuǎn)換器，以及微型電子計算機等幾個部分組成，其裝置流程如圖2所示。圖2填充管式反應(yīng)器測定停留時間分布及流動模型參數(shù)的實驗裝置流程residencetimedistribution)andflowmodelparametersoffillingtubereactor本實驗采用的反應(yīng)器是由直徑644mm總高度1600mm的圓管構(gòu)成，管內(nèi)填充有由器底出口排出，排出的水經(jīng)電導(dǎo)池與電極接觸后，再經(jīng)X型管排入下水道。反應(yīng)器內(nèi)液層高度由X型管高度控制，并由器頂放空閥進行微調(diào)。固體顆粒填充至示蹤劑注入口的下沿，而也面調(diào)至以淹沒示蹤劑入口為度，一般以高出填料層約15mm左右為宜。示蹤劑采用KCl飽和溶液，用注射器由器頂示蹤劑注入口注入。由點導(dǎo)率儀測得出口溶液的濃度變l.h1范圍內(nèi)選取。(4)待水流量和水墊層高度穩(wěn)定以后，啟動點導(dǎo)率儀和電子計算機，并調(diào)節(jié)好實驗數(shù)據(jù)采集程序。校驗帶內(nèi)導(dǎo)率儀的零點。滿度和測量檔次，待屏幕上顯示的初始電壓值(1)用注入器將適量的示蹤劑(KCl飽和溶液)，有反應(yīng)器上方示蹤劑注入口迅速注入器內(nèi)的水墊層中，示蹤劑用量應(yīng)與主體流體的流量相適應(yīng)，以使屏幕上顯示的最高電壓值不超出程序預(yù)先設(shè)定的值(以500mV左右為宜)。示蹤計注入量一般約為(2)在注入示蹤劑的同時，在計算機鍵盤上按下數(shù)據(jù)采集指令鍵(S鍵)。(3)當連續(xù)采集的電壓值，再次出現(xiàn)初始值時，按下終止數(shù)據(jù)采集的指令鍵(Q鍵)，終止采集。將采集的實驗數(shù)據(jù)付于文件名后存入機內(nèi)，待用。按上述操作步驟重復(fù)操作二、三次，以便獲得相同操作條件下的平行數(shù)據(jù)，進而可改變流量，重復(fù)上述實驗步驟，取得不同流量下的實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束工作當最后一組實驗數(shù)據(jù)采集完畢之后，按下列步驟進行停機操作：(1)先關(guān)閉計算機，再關(guān)閉電導(dǎo)率儀。(2)先關(guān)閉水調(diào)節(jié)閥，再關(guān)閉泵的出口閥，最后停泵。(3)排盡設(shè)備內(nèi)的存水。4．實驗注意事項(1)填充的固體顆粒層要填充均勻，避免出現(xiàn)“死區(qū)”或“短路”。(1)實驗設(shè)備參數(shù)p填充層的堆積體積：V=mlc填充層的自由體積：V=ml0(2)操作參數(shù)主體流體(水)的體積流率：V=l.h1示蹤劑(KCl飽和溶液)注入量：V=mlif=次/秒2．參考下列格式記錄實驗數(shù)據(jù)并繪制實驗曲線nrmV最終電壓值：U(n=f)=mV采集的實驗序號數(shù)