实验八-连续流动反应器中的返混测定

实验八连续流动反应器中的返混测定目的及任务实验目的了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性；掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法；了解停留时间分布与多釜串联模型的关系；了解模型参数n的物理意义及计算方法。实验任务用脉冲示踪法测定单反应釜停留时间分布，确定返混程度；用脉冲示踪法测定三反应釜串联系统的停留时间分布，确定返混程度；基本原理在连续流动的釜式反应器内，激烈的搅拌使得反应器内物料发生混合，反应器出口处的物料会返回流动与进口处物料混合，形成空间上的返混；为限制空间返混的发生程度，通常从几何空间上将一个反应釜分成多个反应釜，可以使返混程度降低。在连续流动的釜式反应器内，不同停留时间的物料之间的混合形成时间上的返混。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，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。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。由停留时间分布密度函数的物理含义及物料衡算，可知(1)示踪剂加入量符合(2)由（1）与（2）可得停留时间分布密度函数(3)由此可见与示踪剂浓度成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl浓度与电导值L成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即，这里，为t时刻的电导值，为无示踪剂时电导值。停留时间分布密度函数在概率论中有二个特征值，即平均停留时间（数学期望）和方差。与的表达式为：(4)（5）采用离散形式表达，并取相同时间间隔则：(6)（7）若用无因次对比时间来表示，即，无因次方差。在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。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，并得到无因次方差与模型参数n存在关系为（8）当，，为全混釜特征；数据处理结果序号三釜单釜T*L1T*L2T*L3T2*L1T2*L2T2*L3T*LT2*L140.6031.5010.076771.45728.5191.44415.232258.944271.70614.9720.572724.828568.93621.6630.3451062.075394.6234.5993.5915393.341972.143204.68742.9002230.8004112.57457.44211.8588668.1984423.034913.06656.0003920.0005122.68882.65621.40811778.057934.9762055.16866.2945767.5786127.65104.76535.99514679.7512047.984139.42577.1758103.3757129.176126.6355.20817309.5816968.427397.87283.69210210.4248129.591145.96272.82819827.4222332.1911142.6890.86012720.4009125.388162.5497.69621566.7427956.8816803.7196.71215183.78410121.92178.176120.19223408.6434209.7923076.86105.00018375.00011114.995189.056139.68224263.9539890.8229472.9110.78421270.52812110.17198.95161.6925339.145758.537188.7114.45024034.50013103.584205.923180.52525792.4251274.8344950.73118.72126949.6671493.8209.844203.94825138.456238.1954658.06118.82529112.1251586.674205.205222.99924875.4458893.8464000.71120.78231644.8841671.829199.872265.80224924.6669355.5892233.29125.37039491.5501752.096177.452282.86521203.0772222.96115126.1130.25748064.8331842.964162.516294.2120064.1975894.97137396.1125.33452890.9481937.944133.858292.48519996.4970543.17154139.6117.80055955.0002030.524116.813272.36817917.5968569.23159880112.67759606.1332124.624100.44255.9615956.3565085.12165862.1104.17860631.5962224.07283.544228.68417042.9859149.15161908.3104.77566532.1252319.256.832204.28814745.643646.98156893.299.90568834.5452415.73245.54171.39613026.137707.12141915.992.75068820.5002513.3232.856153.62411828.1629176.13136418.187.56069697.760264.7425.596131.7724493.5224265.01124919.985.74972800.901276.04823.184120.966096.38423369.47121927.775.76868342.736283.20416.0279.0323421.87217109.3684406.1854.49252094.352294.5127.89662.045089.5368906.68869981.1248.43248867.888302.3768.31646.3322822.6889879.40855042.4241.41843985.916SUM1938.3243108.9564190.084450166.5105537921740782654.2371087460.867T平均方差无因次方差N单釜210.8441929.30.943241.06018三釜1125.02913405.140.8575311.166138三釜2225.499125699.040.5053911.978667三釜3368.100155495.650.4095692.441592数据计算（以单釜数据计算为例）计算基准：1.102L=V-1.102平均停留时间：=2654.237/12.589=210.84S方差：=1087460.867/12.589-210.842=41929.3无因此方差：=41929.3/210.842=0.94324模型参数N：=1/0.94324=1.06018实验结果讨论计算出单釜与三釜系统平均停留时间，并与理论值比较，分析偏差原因；计算T平均理论T单釜210.84307釜一125.029151釜二225.4991299釜三368.1001464由上表所示，可以看出由离散法计算出的结果与计算机给出的结果有较大偏差。主要原因有两个：其一是算法所致。计算机计算所用方法近似为积分法，而数据处理所用为离散法；其二是所用数据选取间隔较大，数据波动值同样较大，同时数据点未能准确标出峰值。计算模型参数n，讨论二种系统的返混程度大小，并比较与实际反应釜级数的差异；计算模型参数理论模型参数单釜1.060181.50三釜11.1661381.15三釜21.9786672.28三釜32.4415923.69由上表可知，单釜模拟参数计算值小于理论值，三釜1模拟参数计算值大于理论值，三釜2、三釜3小于理论值。思考题何谓返混？返混的起因是什么？答：返混是指在装置内向某一方向流动的流体收到某种影响（如挡板或搅拌器的作用）后，其中一部分流体发生反向流动并在流道横截面上充分混合的现象。返混的起因：返混产生的原因有两点(1)反应器内的环流运动物料在连续反