填充管式反应器液体停留时间分布及流动模型参数的测定

1、实验二填充管式反应器液体停留时间分布及流动模型参数的测定一、实验目的1、观察和了解连续流动的管式反应器的结构、流程和操作方法。2、掌握一种测定停留时间分布的实验技术，初步掌握液体连续流过管式反应器的流动 模型的检验和模型参数的测定方法。3、通过实验加深对于停留时间分布与返混的概念，以及有关流动特性教学模型的概念、 原理和研究方法的理解。二、实验原理流体流经反应器的流动状况，可以采用激发一一响应技术，通过实验测定停留时间分布 的方法，以一定的表达方式加以描述。本实验采用的脉冲激发方法是在设备入口处，向主体 流体瞬时注入少量示踪剂，与此同时在设备入口处检测示踪剂的浓度。随时间r的变化关 系数据或变

2、化关系曲线。由实验测得的C (t)-t变化关系曲线可以直接转换为停留时间分布 密度E(t)t随时间t的关系曲线，如图1所示。由实验测得的E(t)t曲线的图像，可以定性判断流体流经反应器的流动状况。(a)(b)图1停留时间分布的的实验曲线由停留时间分布属于随机变量的分布，除了用上述直观图像加以描述外，通常还可以采 用一些特征数来表征分布的特征。概率论上表征这种分布的数字特征主要是数学期望和方 差。停留时间分布的数学期望，随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。流体流经反应器的停留时间分布的数学期 望的定义式为_ f* tE (t )dt=0 (1)J* E (t )dt 0如果取等时间间隔的离散

3、数据，即A,.为定值，则停留时间的数学期望可按下式计算： tE(t)_i it =寸(2)Ze (t)ii=1本实验以水为主流流体，氯化钾饱和溶液为示踪剂。当水的进出口体积流率恒为vs, 示踪剂的注入量为no时，则停留时间分布密度与示踪剂浓度的关系为E (t)=匕 C(t)(3)n0本实验采用电导率仪测定反应器出口处的示踪剂浓度，且已知水溶液中电导率与水溶液 中氯化钾的浓度C (t)呈过原点的线性关系又知电导率仪输出的电压显示值U (t)呈线性关系， 则通流时间分布密度E (t)与电压显示值U (t)存在如下关系：U E (t) Mr C (t) = KU (t)(4)n0式中K为换算系数在一

4、定测试条件下为一常数。由此，可将是(2)经过变换，停留时间分布的数学期望由可按下式计算：tu (t)_i it = (5)顼(t)ii =1如果流体流经反应器无密度变化，即体积流率vs为恒定值，且反应器经出口无返混， 则可按下式计算平均应留时间，:(6)式中ve为反应器的固体填充层总自由体积，为固体填充层的空隙率，V为反应器的固体填充层总堆积体积。停留时间分布的方差， 2t停留时间分布的方差是反映流体流经反应器时，停留时间分布的离散程度，亦其返混程 度大小的特征数。停留时间分布方差的定义式为(t -1 )2E(t)dtt 0 f* E(t)dt 一0经整理后又可得：。2 = f * 12E(t

5、)dt -1(8)如果采集等时间间隔的离散数据，则。2可按下式计算：t2E(t )i i C 2 = -4 t 2ii=1按照上述相同原由，本实验中方差值可按下式计算:t 2U (t )i i C 2 = -i= t 2t & (t)ii=1以无因次时间为时标的数字特征无因次时间。的定义式为0 = t /1以无因次时间为变量的数学期望0 = f-OE (0 )d0(10)(11)(12)0以无因次时间为变量的方差=f- (O O )2 E (O )dO 0(13)(14)=f-O 2 E (O )dO 1C 2与C2两者之间存在如下关系O tC； =C2 /1流动模型与模型参数连续流动管式反应

6、器的理想流动模型的检验，或非理想流动反应器偏离理想流动模型的 程度，一般常采用多级全混流模型来模拟实际过程。该模型为单参数模型，模型参数为虚拟 的串联级数N。由多级全混流反应器的物料衡算可导出其停留时间分布密度的数学表达式，即(15)E(t) = 一1一 -N -(竺)n1 . e -Nt /1(N 1)! t t联立和(14)两式求解可得模型参数N = t 2 / C 2(16)或N = 1/C：(17)由模型参数N的数值可检测理想流动反应器和度量非理想流动反应器的返混程度。若 实际反应器的流动状况偏离了理想流动模型，则可用多级全混流模型来模拟其返混情况，用 其模型参数N值来定量表征返混程度

7、。三、实验仪器装置本实验装置由管式反应器而成。装置中还配有电导率仪、信号放大器与A/D转换器、 转速调节与测量仪，其装置流程如图2所示。图2填充管式反应器液体停留时间分布测定实验装置与流程1.供水系统；2,转子流量计；3,排气口； 4,示踪剂注入口；5,液面视镜；6.反应器；7.电导池；8.数字电导率仪四、实验要求1、要求学生自己查阅有关管式反应器停留时间分布与流动模型参数测定的方法；2、要求学生能适当了解一些科研过程，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能 力；3、要求学生能独立操作每一个实验步骤，了解和掌握其相关的原理，培养学生熟练的 试验操作。五、实验内容实验前的准备工作打开进水阀，排

8、尽管线内的气体。按实验计划调节水的流量，流量一般可在30-60lh -范围内调节。启动电路控制器、电导率仪，并调好数据采集程序。调节和校正电导率仪，直至屏 幕上显示的电压值稳定。a)测定停留时间分布用注射器将适量示踪剂(KCl饱和溶液)迅速由釜顶的注入口注入釜内。同时，在电导 率记录仪上按下数据采集指令键。示踪剂注入量应与主体流体的流量相适应，以屏幕上显示 最高电压值不超过450mV为度(一般2.5ml左右)。当采集的电压值再次重复出现初值时，按下终止采集数据的指令键，终止采集。将采 集的数据付于文件名存入机内待用。若欲改变操作条件（如改变水的流量）则可按上述实验步骤重复实验。b）实验结束工作

9、（1）先关闭电导率记录仪，最后关闭电路控制器的电源开关。（2）先关闭进水调节阀，将管内液体全部排尽。六、实验报告要求1、每人一份实验报告；2、严格按照试验步骤注意记录试验数据，分析试验结果，计算停留时间的主要数字特 征和模型参数；3、指出试验过程中存在的问难，并提出相应的改进方法。七、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？八、实验注意事项1、实验过程中，要保持水的流量稳定。2、实验过程中，要保持操作条件恒定和测试仪器性能稳定。每次实验前，需检查校正电 导率仪指针的零点和满量程；保持电极插头洁净，用前最好用丙酮擦拭干净；防止电极上气 泡的形成，一旦有气泡

10、必须及时清除（放水控干），否则会影响测量的准确性和稳定性，以 致造成实验的失败。实验数据1.记录实验设备与操作基本参数（1）实验设备参数管的直径：D=mm高度：H=mm高 径 比：H/D =mm（2）操作参数料液高度：h =mm有效容积：V =m2主流流体（水）的体积流率：VSO =m3 s -示踪剂（KCl的饱和溶液）注入量：匕=ml实验数据采集频率：f =次/秒操作温度：T =C操作压力：P =MPa2.参考下列表格记录实验数据采集的数据序号数据采集累计数n /次电压值U (n) /mV初始电压U0=mV； 起峰电压Ur =mV；最高电压Umax =mV。参考下列步骤整理实验数据。(2)由上列实验数据计算停留时间的主要数字特征和模型参数。