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1、一、实验目的1、了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法；2、了解多釜串联模型中模型参数 N 的的计算方法和物理意义；3、掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。二、实验原理在连续操作的反应器内，由于空间的反向运动和不均匀流动造成不同年龄的粒子或微团 间的混合成为返混。返混程度的大小一般难以直接测定，通常是利用无聊停留时间分布的测 定来研究返混程度。但是返混和停留时间两者之间并存在一一对应关系，即具有相同的停留 时间分布可以有不同的返混情况，因此，不能直接把测定的停留时间用于描述微团间充分混 合系统的返混程度，而要借助于符合实际流动的模型方法。物料在反应器中的停留时间完全是随机过程，根据概率统
2、计理论，可籍用两种概率分布 定量地描述物料在流动系统中的停留时间分布，这两种概率分布为停留时间分布函数F(t)和 停留时间分布密度函数E(t)。停留时间分布密度函数E(t)的定义是：在定常态的连续流动的系统中，相对于某瞬间t=0 的流入反应器的流体，在反应器出口流体的质点中在器内停留了 t与t+dt之间的流体的质点 所占得分率应为 E(t)dt。停留时间分布函数F(t)的定义为：在定常态的连续流动的系统中，相对于某瞬间t=0的 流入反应器的物料,在反应器出口料流中停留时间少于t的物料所占得分率。根据定义E(t)和 F(t)的关系为:F(t) = J tE(t)dt。0停留时间分布的实验测定有脉
3、冲法、阶跃法等。本实验采用脉冲法，当被测系统达到稳 定后，在系统的入口处瞬间注入一定量M的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪剂的浓 度变化。根据停留时间分布密度函数E(t)的意义，可知在t=0时注入示踪剂，其停留时间分布密 度必按E(t)函数分配，因此可预计停留时间介于t至t+dt间的那部分示踪剂物料量为M -E(t)dt，必将在t至t+dt自系统的出口流出，气量为V-C(t)dt，故M - E(t)dt = V - C(t)dtE (t)=V C (t)M.V C (t)_ . C (t)V C (t )dtJs C (t )dt009-1)(9-2)式中：V流体体积流量M 示踪计量C(t
4、) t 时刻在出口流体中的示踪剂浓度由(9-2)式可以看出，所测反应器系统中物料的停留时间分布密度函数E(t)正比于反应 器出口示踪剂浓度。因此，本实验中用水作为物料，使用饱和KC1水溶液作为示踪剂；在系 统出口处安装了一套电导检测系统。由于在一定的KCl水溶液浓度范围内，电导率正比于其 浓度。显然，所测系统的物料停留时间密度函数正比于系统出口处KCl水溶液的电导率，即 E(t) * L(t)，L(t)为t时刻KCl水溶液的电导率。为了对不同流动状况下的停留时间分布函数进行定量比较，可采用概率论中的数学期望 t和方差a 2来表达。t数学期望t的表达式为：若取离散数据，并采用等时间间隔，即At为
5、常数，则方差a2的表达式：t若取离散数据，并采用等时间间隔，则若用对比时间0来表示：用对比时间表达无因次方差a2，0多釜串联模型：所谓多釜串联模型是将一个实际设备中的返混情况视作与若干个全混流反应器相串联 时的返混程度这里的全混流反应器数目是一个虚拟值，它是模型参数，并不代表实际反应器 个数。模型假设： 每个反应器为全混流反应器，反应器之间无返混存在； 反应器体积Vr相同，且Vr=V/N，其中V为实际反应器体积。因此，系统的停留时间分布密度函数E (t)的推导施加脉Mg冲示踪剂A,作物料衡算。时刻t，对i=l进行衡算。(A的流入速度)一(A流出第一全混区的流率)=该区积累速率i=2 时，物料衡
6、算有：t=0 时，CA2 =0如此计算下去，i = N时的can：将t.=i NI 1F (t)二E (t )dt = 1 -0(N-l)!l t 丿(Nt) N-11 +(Nt N T(N - 2)! I t 丿1( Nt Y + N + 1|e-tNtt对此模型E (e)、F (e)只是参数n的函数，可作图得到如下图所示形状。由玖e)e图可得：n愈大，峰形愈窄，当釜数n趋于无限大时，则接近于平推流的情 况。当N=1，b 2 = 1，为全混流特征；0当Nf，b 2 = 0，为平推流特征。0三、实验装置及流程实验装置是由单釜和三釜串联二个系统组成。三釜串联反应器中每个釜的体积为1L。单 釜反应
7、器的体积为3L。实验时，水分别从转子流量计流入三釜串联于单釜系统，待系统稳定 后，在单釜与三釜串联系统的第一个反应釜的进口处分别用针筒注入示踪剂饱和 KCl 溶液， 在每个反应釜出口处的电导检测系统可以检测示踪剂浓度变化情况，检测器的输出信号与计 算机相联，并记录其示踪剂的流出情况。四、实验步骤1 、准备工作配置饱和 KCl 溶液；连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水； 检查电机导线连接是否正确。2、实验打开总电源开关，打开水位控制开关，开启水阀门，当水位指示绿灯亮后，关小入水 阀门，慢慢打开进水转子流量计的阀门。调节水流量维持在3 0L/h，直至各釜充满水，并 能正常的从最后一级流出
8、。分别开启釜1、釜2、釜3搅拌电机开关，再旋转调节电机转速的旋钮，使三釜搅拌程 度大致相同(电流表指示在 3540V 之间)，开启电磁阀开关和电导仪总开关，再分别 开起三个电导仪开关，将拔钮至“校正”位置，调节下放电位器使表针指示为满刻度 1.0，至此，将拔钮扳至测量位置准备测量。开启计算机，在桌面上双击“多釜返混实验FH3”图标，在主画面上按上“实验流程” 按钮，调节“示踪剂量”、“进水流量，实显示值为实验值，在操作员号框中输入自己对应 号。按下“趋势图”按钮，调节渎验周期”、“阀开时间”，使显示值为实验所需值(推荐试验 周期2530分钟，阀开时间1.6秒)，按下开始按钮，开始采集数据。待测
9、试结束后，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮，将该数据文件保存在硬盘 或软盘上。3、停车实验完毕，将实验柜上三通阀转至“h2o”位置，将程序中“阀开时间”调到最大，按“开 始”按钮，冲洗电磁阀，反复多次。关闭各水阀门、电源开关，打开釜底排水阀，将水排 空。退出实验程序，关闭计算机。五、数据处理由实验记录的C(t)t关系，首先求出不同时刻的E(t)值，然后求出平均停留时间t和方 差 2，最后求出多釜串联模型参数。t六、思考与讨论1、为什么说返混与停留时间分布不是一一对应的？既然返混与停留时间分布不是一一 对应的关系，又为什么可以通过测停留时间分布来研究返混？2、测停留时间分布的实验方法主要有哪几种？本实验采用那种方法？3、模型参数 N 与实验中釜数有何不同，为什么？
