实验一填充管式反应器液体停留时间分布及其流动模型参数的测定

实验一填充管式反应器液体停留时间分布及其流动模型参数的测定流经填充层或固定床层的停留时间分布。这种方法不仅用于检验或确定填充管式均相反应器传质设备。通过本实验掌握一种测定停留时间分布的实验技术，同时初步掌握对流体流经固体颗粒型方法和流动模型等方面的有关概念，原理和方法会有更深入的理解。方法，是当主流流体以恒定的体积流时在反应器出口处检测示踪物浓度与时间的关系曲线，即c(t)t曲线，并可转化为停留时间分布密度与时间的关系曲线，即E(t)t曲线。实验曲线可以定性地诊断流体流经反应器的流动状况。停留时间分布属)征主要是数学期望和方差。)(1)停留时间分布的数学期望，t随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。流体流经反应器停留时间分布的数学期望也就是停留时间的平均值。停留时间分布数学期望的定义式为0((3)1停留时间分布的实验曲线FigureExperimentalcurveofRTDresidencetimedistribution)如果取一定时间间隔的离散数据，则上述定义式可用离散型随机变量数学期望定义式，即iiiEttiii=0如果取等时间间隔的离散数据，即t为一定值。则(2)式可简化为iii=i=1ii=1本实验以水为主流体，其体积流率恒定为V，KCl为示踪剂，注入量为n，则停留S0时间分布密度与浓度的关系为VE(t)=S.0c(t)(4)Vn0的浓度呈过原点的线性关系，水溶液的电导率又与电导率仪输出的电压显示值U(t)呈线性关系，则停留时间分布密度E(t)与U(t)存在如下线性关系：E(E(t)=S.0c(t)=KU(t)n(5)0式中K为换算系数，在固定测试条件下为一常数。由此，可将(3)式改写为tt=0=C=(6)i=1如果流体流经反应器无密度变化，即流经反应器体积流率V为一定值，且V=V，SSS.0反应器进出口又无返混，则平均停留时间t可按下式计算VV(7)式中V——流体流经反应器的流通体积，亦即固体颗粒填充层内的自由体积；0V——固体颗粒填充层的堆积体积。C(2)停留时间分布的方差，2t停留时间分布的数学期望只表征停留时间分布的中心，但不能反映停留时间分布的离因差的定义式为(8)(8)0如果采集等时间间隔的离散随机变量数据，则停留时间分布的方差可按下式计算：2=tnE(t)ii=12=2tnE(t)ii=1根据前述相同的理由，本实验中的方差还可以计算：i0i=1(9) 2=t(3)理想流动模型的检验由实验测得的停留时间分布方差值，可按下式计算无因次方差：292(12)由无因次方差2的数值，可对被测反应器的流动状况作出判断，对其是否已经达到理9当2=0时，则该反应器为理想流动反应器，其流动模型为理想活塞流模型。9当2=1时，则该反应器也为理想流动反应器，但其流动模型为理想的全混流模型。9只有当021时，则该反应器为非理想流动反应器。9(4)非理想流动反应器的流动模型与模型参数目前，常用的流动模型有凝集流模型，分散活塞流模型(或称扩散模型)，多级全混流模型，循环流模型和组合模型等。分散活塞流模型(DispersionPlugFlowModel)设可导出数学模型为dc2dcdcldZ2dZd9(13)l则轴向分散模型又可表达为(Dl)dc2dcdc=0uLdZ2dZd9式中D/uL为无因次数群的倒数等于P，即leuL=PDel(14)(15)称P为彼克列模数(Peclectmodulus)。P即为一维轴向分散模型的模型参数，其数ee值可用来度量返混程度的大小。P数值越大(即D愈小)，则返混程度愈小；反之，则返el混程度愈大。当P趋于∞(D/uL趋于0)时，则流动状况趋于完全无返混，即流动模型el根据各种反应器的不同边界条件和示踪物的输入方法，求解(14)式可得到不同的解。出口无返混，即属于闭式设备。当返混程度很小(P100)时，则可解得P与2的关系ee92=2/P9e(16)当返混程度较大(P<100)时，则需要根据下式进行试差计算模型参数：e2=22(1)2(1epe)9PP(17)多级全混流模型多级全混流模型是以多级串联全混流反应器模拟各种非理想流动反应器。该模型也属于单参数模型，模型参数为虚拟的串联级数N。由式(8)的停留时间分布方差定义式，经展开并整理后，又可表达为如下形式：t0多级全混流反应器的停留时间分布密度为N=2/2t或或9(19)由模型参数N的数值可度量非理想流动反应器的返混程度。N数值愈大，返混程度愈小；反之，则愈大。当N值趋于∞时，则反应器的流动模型趋于活塞流模型。一般情况下；本实验装置主要有反应器，循环水系统，电导率仪，信号放大和A/D转换器，以及微型电子计算机等几个部分组成，其装置流程如图2所示。图2填充管式反应器测定停留时间分布及流动模型参数的实验装置流程residencetimedistribution)andflowmodelparametersoffillingtubereactor本实验采用的反应器是由直径644mm总高度1600mm的圆管构成，管内填充有由器底出口排出，排出的水经电导池与电极接触后，再经X型管排入下水道。反应器内液层高度由X型管高度控制，并由器顶放空阀进行微调。固体颗粒填充至示踪剂注入口的下沿，而也面调至以淹没示踪剂入口为度，一般以高出填料层约15mm左右为宜。示踪剂采用KCl饱和溶液，用注射器由器顶示踪剂注入口注入。由点导率仪测得出口溶液的浓度变l.h1范围内选取。(4)待水流量和水垫层高度稳定以后，启动点导率仪和电子计算机，并调节好实验数据采集程序。校验带内导率仪的零点。满度和测量档次，待屏幕上显示的初始电压值(1)用注入器将适量的示踪剂(KCl饱和溶液)，有反应器上方示踪剂注入口迅速注入器内的水垫层中，示踪剂用量应与主体流体的流量相适应，以使屏幕上显示的最高电压值不超出程序预先设定的值(以500mV左右为宜)。示踪计注入量一般约为(2)在注入示踪剂的同时，在计算机键盘上按下数据采集指令键(S键)。(3)当连续采集的电压值，再次出现初始值时，按下终止数据采集的指令键(Q键)，终止采集。将采集的实验数据付于文件名后存入机内，待用。按上述操作步骤重复操作二、三次，以便获得相同操作条件下的平行数据，进而可改变流量，重复上述实验步骤，取得不同流量下的实验数据。实验结束工作当最后一组实验数据采集完毕之后，按下列步骤进行停机操作：(1)先关闭计算机，再关闭电导率仪。(2)先关闭水调节阀，再关闭泵的出口阀，最后停泵。(3)排尽设备内的存水。4．实验注意事项(1)填充的固体颗粒层要填充均匀，避免出现“死区”或“短路”。(1)实验设备参数p填充层的堆积体积：V=mlc填充层的自由体积：V=ml0(2)操作参数主体流体(水)的体积流率：V=l.h1示踪剂(KCl饱和溶液)注入量：V=mlif=次/秒2．参考下列格式记录实验数据并绘制实验曲线nrmV最终电压值：U(n=f)=mV采集的实验序号数