管式反應(yīng)器流動特性測定

管式反應(yīng)器流動特性測定第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三管式反應(yīng)器流動特性測定

實驗?zāi)康膶嶒炘韺嶒炑b置及流程操作步驟數(shù)據(jù)處理思考與討論

2第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三1、實驗?zāi)康?/p>

本實驗通過管式循環(huán)反應(yīng)器中停留時間分布的測定，通過數(shù)據(jù)處理用多釜串聯(lián)模型來定量管式反應(yīng)器不同循環(huán)比下的返混程度，認識限制返混的措施。

本實驗?zāi)康臑椋?1)握停留時間分布的測定方法；(2)了解連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的返混特性；(3)分析觀察連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的流動特征；(4)研究不同循環(huán)比下的返混程度，計算模型參數(shù)n。3第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理

在連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器中，若循環(huán)流量等于零，則反應(yīng)器的返混程度與平推流反應(yīng)器相近，由于管內(nèi)流體的速度分布和擴散，會造成較小的返混。若有循環(huán)操作，則反應(yīng)器出口的流體被強制返回反應(yīng)器入口，也就是返混。返混程度的大小與循環(huán)流量有關(guān)，通常定義循環(huán)比R為：4第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))

循環(huán)比R是連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的重要特征，可自零變至無窮大。當R=0時，相當于平推流管式反應(yīng)器。當R=∞時，相當于全混流反應(yīng)器。對于連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器，可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)比R，得到不同返混程度的反應(yīng)系統(tǒng)。一般情況下，循環(huán)比大于20時，系統(tǒng)的返混特性已經(jīng)非常接近全混流反應(yīng)器。5第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))

返混程度的大小，一般很難直接測定，通常是利用物料停留時間分布的測定來研究。然而測定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布時，我們可以發(fā)現(xiàn)，相同的停留時間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時間分布不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此不能用停留時間分布的實驗測定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而要借助于反應(yīng)器數(shù)學模型來間接表達。6第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))

停留時間分布的測定方法有階躍法、脈沖法等，常用的是脈沖法。脈沖法是當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，在系統(tǒng)的入口處瞬間注入一定量Q的示蹤劑，同時開始在出口流體中檢測示蹤劑的濃度變化。由停留時間分布密度函數(shù)的物理含義，可知：7第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))由⑶式可見，與示蹤劑濃度成正比。因此，本實驗中用水作為連續(xù)流動的物料，以飽和氯化鉀溶液作示蹤劑，在反應(yīng)器出口檢測溶液電導值。在一定范圍內(nèi)，濃度與電導值成正比，則可用電導值來表達物料的停留時間變化關(guān)系。所測系統(tǒng)的物料停留時間密度函數(shù)正比于系統(tǒng)出口處KCl水溶液的電導值。即，為t時刻的電導值，為水溶液無示蹤劑時電導值。

8第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.實驗原理(續(xù))

停留時間分布密度函數(shù)在概率論中有二個特征值，平均停留時間（數(shù)學期望）和方差。的表達式為：

采用離散形式表達，并取相同時間間隔則：（4）（5）9第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))的表達式為：采用離散形式表達，并取相同時間間隔則：（6）（7）10第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))

若用無因次對比時間來表示：

無因次方差：

在測定了一個系統(tǒng)的停留時間分布后，如何來評介其返混程度，則需要用反應(yīng)器模型來描述，這里我們采用的是多釜串聯(lián)模型。11第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))

所謂多釜串聯(lián)模型是將一個實際反應(yīng)器中的返混情況與若干個全混釜串聯(lián)時的返混程度等效。這里的若干個全混釜個數(shù)n是虛擬值,并不代表反應(yīng)器個數(shù)，n稱為模型參數(shù)。多釜串聯(lián)模型假定每個反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無返混，每個全混釜體積相同，則可以推導得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)關(guān)系，并得到無因次方差與模型參數(shù)n之間存在的關(guān)系。12第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2、實驗原理(續(xù))無因次方差與模型參數(shù)n之間存在的關(guān)系如下：當，，為全混釜特征；（8）當，，為平推流特征；當1＜，1＞，為實際反應(yīng)器內(nèi)的流動特征。

這里n是模型參數(shù)，是個虛擬釜數(shù)，并不限于正整數(shù)。13第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三3、預(yù)習與思考⑴脈沖示蹤法對示蹤劑的要求是什么？

示蹤劑與流體互溶并且易于檢測到。⑵若進口流量15升/小時，循環(huán)比要求0，3，5，則循環(huán)流量分別控制為多少？循環(huán)流量分別控制為0，45，75升/小時。⑶返混的結(jié)果是什么？

改變了反應(yīng)物的濃度分布，造成物料的停留時間分布。

14第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三3、預(yù)習與思考（續(xù)）⑷循環(huán)管式反應(yīng)器中循環(huán)比與實驗結(jié)果的關(guān)系是怎樣的？

R越大，方差越大；R越小，模型參數(shù)越大。⑸在管式反應(yīng)器中，減小返混的措施有哪些？填充固體填料；提高高徑比。

⑹本實驗采用哪個反應(yīng)器模型描述返混程度？多釜串聯(lián)模型。

15第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三4、實驗裝置及流程

實驗裝置如圖所示，由管式反應(yīng)器和循環(huán)系統(tǒng)組成。循環(huán)泵開關(guān)在儀表屏上控制，流量和循環(huán)比由循環(huán)管閥門控制，流量直接由轉(zhuǎn)子流量計讀出，單位是：升/小時。實驗時，進水從轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)流入系統(tǒng)，穩(wěn)定后在系統(tǒng)的入口處（反應(yīng)管下部進樣口）快速注入示蹤劑(2ml)，由系統(tǒng)出口處電導電極檢測示蹤劑濃度變化，并顯示在電導儀上。

實驗裝置圖

實驗流程圖16第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三5、實驗操作5.1準備工作

(1)配置飽和KCl液體；

(2)連接好入水管線；

(3)檢查電極導線連接是否正確；(4)開啟計算機；

(5)將飽和KCl液體緩慢吸入示蹤劑注射器內(nèi)（避免產(chǎn)生氣泡，吸入量1mL）。17第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三5.2操作步驟(1)通水，開啟水源，讓水注滿反應(yīng)管，并從塔頂穩(wěn)定流出，調(diào)節(jié)進水流量為一穩(wěn)定值（10L/H）。(2)通電，開啟電源開關(guān)。(3)打開“管式循環(huán)反應(yīng)器數(shù)據(jù)采集”軟件，并填寫有關(guān)數(shù)據(jù)；(4)循環(huán)時，開循環(huán)泵，用循環(huán)閥門調(diào)節(jié)流量；

（R=3,→0.5;R=6,→1.0;R=9,→1.5）

不循環(huán)時，關(guān)泵，關(guān)緊循環(huán)閥門。

5、實驗操作（續(xù)）GMP=加侖/分鐘LPM=1升/分鐘=60×升/小時18第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三5.3進樣操作⑴待系統(tǒng)穩(wěn)定后，用注射器迅速注入示蹤劑，同時點擊軟件上“開始”圖標；⑵觀察電導率數(shù)據(jù)的變化；⑶當電腦記錄顯示的曲線在1min內(nèi)基本覺察不到變化時，即認為終點己到。⑷點擊“結(jié)束”，以組號作為文件名保存文件，打印實驗數(shù)據(jù)。(5)改變條件采用不同循環(huán)比，重復上述步驟。5、實驗操作（續(xù)）19第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三5.4實驗操作注意事項⑴實驗做兩個不同循環(huán)比，注入示蹤劑要小于2ml

,本次實驗確定為1mL

；⑵調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定后方可注入示蹤劑，整個操作過程中注意觀察和控制流量；⑶抽取示蹤劑時勿吸入底層晶體，以免堵塞；⑷示蹤劑要求一次迅速注入，若遇針頭堵塞，不可強行推入，應(yīng)拔出后重新操作；⑸一旦失誤，應(yīng)等示蹤劑出峰全部走平后，再重做。（先請示老師確定）。5、實驗操作（續(xù)）20第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三1.選擇一組實驗數(shù)據(jù)，用離散方法計算平均停留時間、方差，從而計算無因次方差和模型參數(shù)，要求寫清計算步驟；2.列出數(shù)據(jù)處理結(jié)果表。6、實驗數(shù)據(jù)處理21第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三7、結(jié)果與討論1.何謂循環(huán)比？