连续流动反应器中的返混测定

1、【题 目】 连续流动反应器中的返混测定化学工程与工艺 黄心权 1153643【实验背景】 本实验借助对实际反应器单釜、多釜串联和管式固定床反应器的停留时间分布（RTD）的测定。并应用数学模型来揭示实际反应器返混程度大小。【实验目的】（1）掌握停留时间分布的测定方法（脉冲示踪剂法）；（2）了解停留时间分布与多釜串联模型建立的关系；（3）了解模型参数N的物理意义及计算方法；（4）掌握离散法处理实验数据的方法。【实验原理】在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。反应器中的理想分为两种流动模型：平推流和全混流。平推流反应器中不存在返混，物流质点在反应器中具有相同的停留时间，而全回流

2、反应器的返混程度为无穷大，物料质点在反应器中具有停留时间分布。对非理想流动的反应器，物料质点的流动则偏离此两种流动模型。无论在管式或者在连续流动釜式反应器中都存着着不同程度的返混和停留时间分布。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系， 连续流动反应器中的返混程度是借助测定反应器中的物料停留时间分布，运用概率论中的随机变量分布及其数值特征，建立数学模型来描述。1.连续流动反应器中停留时间分布的数学描述：物料在连续反应器的停留时

3、间分布的描述方法有阶跃输入法和脉冲输入法等。物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数f（t）和停留时间分布函数F（t）。停留时间分布密度函f（t）的物理意义是：同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到t+dt间的流体粒子所占的分率dN/N为f（t）dt。停留时间分布函数F（t）的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。1.1脉冲输入法：流体以流量

4、v（m3/s）流进体积为V（m3）的反应器，当达到稳定状态时，在反应器入口处瞬间诸如M（kg）示踪剂，则在反应器出口端可观察到示踪剂浓度C（t）（kg/m3）随时间t（s）的变化。由停留时间分布密度函数的物理含义，进入反应器的示踪剂量M在停留时间（t，t+dt）间隔内示踪剂所占分率为tdt。物料衡算得：A=0Ctdt=M/v (1)又 0tdt=1故 t=Ct0Ctdt s-1 （2）1.2示踪剂实验中的示踪剂用KCl溶液，由于在一定的测量范围内KCl浓度与电导值成正比，所以可以用电导电极作为传感器，在相应的反应器出口处测定其电导值，来跟踪示踪剂浓度的变化。电导值的确定：L（t）=Lt-L，L

5、t为t时刻的电导值，L为空白电导值。1.3数学期望t数学期望t代表物料在反应器中的平均停留时间，根据定义： t=0ttdt s （3）物料衡算得到的平均停留时间： t=Vv （4）1.4方差t2方差显示停留时间t与数学期望t的偏离程度。偏离程度越小越接近平推流。方差定义： t2=0t2tdt-t2 （5）2.多级串联全混釜流动模型2.1反应器中平均停留时间t和无因次时间定义： =t/t(当t=t时无因次平均停留时间=1)推导得： Ft= F所以 =dFd=VMC （6）以为变量的方差2： 2=t2t2 (7)2.2多釜串联全混釜流动模型的建立所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与

6、若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反应器个数，n称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无因次方差2与模型参数n存在关系为 (8)当 ,，为全混釜特征；当,为平推流特征；这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。【实验装置与流程】 三釜串联系统 0.5L/釜 测定：第一釜与第三釜RTD 填料管式反应器系统 管径 405，长 700，填料 4-6玻璃珠 测定：填料管式反应器RTD； 连续循环填料管式反应器RTD【实验步骤】1.三釜串联停留时间分布

7、的测定（1）打开电源，调试电导率仪；（2）开启电脑，打开相应软件；（3）开启搅拌器，调整转速（200-800转/分），使三釜转速一致；（4）开通水源，选择阀门（2开、10关），调节流量（10-50L/h），待稳定后，用量筒于出水口处校正流量；（5）待系统稳定后，在反应器的入口处迅速用注射器注入示踪剂。同时，用鼠标点击“起始”按键；（6）观察电脑输出曲线，当直线不变时即可终止。保存、复制数据和图形，以备处理数据；（7）关闭搅拌器、仪器和电脑、关闭水源、排水、关闭电源，结束实验。2.填料管式反应器停留时间分布的测定（1）打开电源，调试电导率仪；（2）开启电脑，打开相应软件；（3）开通水源，选择阀门

8、（10开，2关），调节流量（10-50L/h），待稳定后，用量筒于出水口处校正流量；（4）待系统稳定后，在反应器的入口处迅速用注射器注入示踪剂。同时，用鼠标点击“起始”按键；（5）观察电脑输出曲线，当直线不变时即可终止。保存、复制数据和图形，以备处理数据。（6）关闭仪器和电脑，关闭电源，排水，终止实验。3.连续循环填料管式反应器停留时间分布的测定（1）打开电源，调试电导率仪；（2）开启电脑，打开相应软件；（3）开通水源，选择阀门（10开，2关），调节流量（10-50L/h），待稳定后，用量筒于出水口处校正流量；（4）开启循环泵，调节循环流量（循环比R，0-20）；（5）待系统稳定后，在反应器的

9、入口处迅速用注射器注入示踪剂。同时，用鼠标点击“起始”按键；（6）观察电脑输出曲线，当直线不变时即可终止。保存、复制数据和图形，以备处理数据。（7）关闭仪器和电脑，关闭电源，排水，终止实验。【实验数据处理】1.绘制L-t和-t图形1.1 填料管第一组：回流流量L/h28泵流量L/h41示踪剂体积mL2Lt-t图：t-t图形：第二组：回流流量L/h17.5泵流量L/h41示踪剂体积mL2Lt-t图：t-t图形：第三组：回流流量L/h30泵流量L/h30示踪剂体积mL2Lt-t图：t-t图形：第四组：回流流量L/h28泵流量L/h41示踪剂体积mL1Lt-t图：t-t图形：1.2 三釜串联第一组：

10、流量计示数L/h30釜一转速kr/min39釜二转速kr/min43釜三转速kr/min42示踪剂体积mL2单釜Lt-t图：单釜t-t图形：多釜Lt-t图：多釜t-t图形：第二组：流量计示数L/h20釜一转速kr/min40釜二转速kr/min39釜三转速kr/min42示踪剂体积mL2单釜Lt-t图：单釜t-t图形：多釜Lt-t图：多釜(t)-t图形：第三组：流量计示数L/h30釜一转速kr/min71釜二转速kr/min71釜三转速kr/min70示踪剂体积mL2单釜Lt-t图：单釜t-t图形：多釜Lt-t图：多釜(t)-t图形：第四组：流量计示数L/h30釜一转速kr/min40釜二转速

11、kr/min39釜三转速kr/min41示踪剂体积mL1单釜Lt-t图：单釜t-t图形：多釜Lt-t图：多釜(t)-t图形：2.根据实验数据计算t、t2、N2.1填料管第一组：t=0.736923、t2=0.221942、N=2.447第二组：t=0.73381、t2=0.235158、N=2.290第三组：t=0.946818、t2=0.391872、N=2.288第四组：t=0.654906、t2=0.177397、N=2.4182.2 三釜串联第一组:单釜：t=1.704549、t2=2.048977、N=1.418多釜：t=4.976181、t2=6.964783、N=3.555第二组

12、:单釜：t=2.647651、t2=5.734721、N=1.222多釜：t=7.643797、t2=16.91419、N=3.454第三组:单釜：t=2.647651、t2=5.74478、N=1.222多釜：t=4.612517、t2=6.680583、N=3.185第四组:单釜：t=1.510925、t2=1.442982、N=1.582多釜：t=4.718722、t2=6.316864、N=3.525【结论】1.填料管 回流流量越大，N越大，返混程度越小； 泵流量越大，N越大，返混程度越小； 指示剂用量越大，N越大，返混程度越小（指示剂对N的影响相对较小）。2.多釜串联 单釜的N小于多

13、釜的N，即单釜的返混程度大于多釜串联； 泵流量越大，N越大，返混程度越小； 转子转速越大，N越小，返混程度越大； 单釜：指示剂用量越大N越小，返混程度越大；多釜：指示剂用量越大N越大，返混程度越小（指示剂对N的影响相对较小）。【预习与思考】1.什么是反应器的理想流动和非理想流动 理想流动：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。与流动方向垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前流动的。 理想混合流动模型也称为纯混流模型。反应物料以稳定的流量流入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。反应器内的物料质点混合程度为无穷大。 非理想流动： 理想流动

14、模型是两种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模型统称为非理想流动。2.阶跃法和脉冲法的输出曲线分别是那种类型？ 阶跃法输出曲线：C(t)随着t的增大而增大，斜率先增大至无穷大后减小至零； 脉冲法输出曲线:C(t)随着t的增大先增大后减小，斜率先增大后减小再增大；3.连续流动反应器中的返混程度是借助什么来测定的？ 在连续流动的反应器内，返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。运用概率论中的随机变量分布及其数值特征，建立数学模型来描述。4.随机变量分布函数和分布密度之间的关系？怎样用反

15、应器出口与进口浓度比Ci/C0t的曲线求的分布密度t？ 关系： t=Ft 即分布函数是分布密度函数的原函数； 求法： t=Ct0Ctdt【误差分析】1.基线扣除为人为操作，存在一定误差；2.使用控制变量法进行实验，但是实验次数不足导致误差。（应控制单一变量至少实验3次，但由于时间限制只进行了2次）。【实验感悟】管式反应器的返混准数1/Pe随Re的增大而减小；釜式反应器的虚拟釜数N随t的增大而减小；双釜串联反应器影响N的因素除了流速外还有二釜中的物料体积。【5】无论是化学反应的微观行为，还是反应流体微团在连续流动反应器中的湍流流动，都是无序的随机现象，故用随机过程或者同济理论来研究化学反应为微团的湍流流动是必然的，其还可以采用Monte Carlo方法建立模型。【6】【参考文献】1.沈恒范.概率论讲义（第二版）。高等教育出版社，1982；2.Octave Levenspiel。Chemical Reaction