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1、化工基础实验 II 指导书1实验实验 2 全混流反应器返混性能测试全混流反应器返混性能测试一一. 实验目的实验目的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。二二. 实验原理实验原理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，停留时间不像间歇反应器那样是同一个值，而是存在着一个
2、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。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
3、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。因化工基础实验 II 指导书2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
4、以用下式计算0( )mQc t dt（2）在 Q 值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：0( )( )( )c tc t dtE t （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0( )( )F tE 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 ,即t 0 0)(0)()( dtttEt dttEdtttE（5）方差是和理想反应器模型关系密切的参数。它的定义
5、是：2 022)(tdttEtt（6）对活塞流反应器；而对全混流反应器；对介于上述两种理想反应器02t22tt化工基础实验 II 指导书3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来计算。2 t22 3tN（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。三三. 实验装置实验装置1. 实验流程示意图实验流程示意图2. 装置技术指标及流程示意图装置技术指标及流程示意图(1) 釜式反应器 1.5L，直径 11
6、0mm，高 120mm，有机玻璃制成，3 个。釜式反应器 直径160mm，高 120mm，有机玻璃制成，1 个。(2) 搅拌马达 25W，转数 90-1400 转/分，无级变速调节。化工基础实验 II 指导书4(3) 液体(水)流量 0-100L/h。(4) 电磁阀控制示踪剂进入量 5-10 毫升/次。四四. 操作步骤操作步骤1. 准备工作准备工作(1) 将饱和 KCl 液体注入标有 KCl 的储瓶内。(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。2. 实验操作实验操作(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
7、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 20-60L/h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 或（釜 2、釜 3 和釜 4）搅拌开关，后再调节转速的旋钮，使搅拌速度在 200-250r/min。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。(3) 开启计算机电源，打开“多釜串联返混程序” 。首先进行“参数设定” ，然后选择“单釜实验”或“多釜实验” 。待实验系统运行稳定，点击“开始实验” ，开始采集数据。(4) 实验结束后，点击“停止采集” ，再保存曲线图（注意：不能点
8、击“结束实验” ，否则会丢失曲线图） 。(5) 待测试完成，点击“结束实验”按钮。3. 停车停车(1) 实验完毕，排出 KCl 溶液，并用水冲洗电磁阀及管路，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。五、实验内容与数据处理五、实验内容与数据处理1实验内容实验内容（1）用脉冲示踪法测定釜式搅拌反应器停留时间分布；（2）改变水流量或示踪剂加入量，观察反应器中的返混程度。化工基础实验 II 指导书52. 实验数据处理实验数据处理根据实验数据计算停留时间的主要数字特征和模型参数。平均停留时间 st /停留时间的数学期望 st /停留时间分布的方差 t2 /s2停留时间分布的无因次方差 2 多级全混流模型参数 N / 六、思考题六、思考题1加入示踪剂时有哪些注意事项？2本实验中影响模型参数的主要因素有哪些？3. 根据实验结果，检验是否已接近理想流动模型？
