实验八连续流动反应器中的返混测定.docx
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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(总8页)
实验八连续流动反应器中的返混测定
1.目的及任务
1.1.实验目的
1.了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性;
2.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;
3.了解停留时间分布与多釜串联模型的关系;
4.了解模型参数n的物理意义及计算方法。
1.2.实验任务
1.用脉冲示踪法测定单反应釜停留时间分布,确定返混程度;
2.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;
2.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;
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。
3.
装置和流程
4.操作要点
4.1.准备工作
1.示踪剂饱和氯化钾溶液400ml以上(瓶装);
2.500ml烧杯2个,将瓶中饱和氯化钾上清液小心倒入烧杯中约200ml(半杯),尽量防止倒入氯化钾结晶;
3.5ml注射器4只,两用两备,7号注射器针头4只,两用两备;
4.熟悉流量计与流量控制,搅拌器与转速调节操作;
5.熟悉注射器进样操作,使用清水模拟操作;
6.熟悉“单釜”与“三釜”计算机数据采集系统的操作,演练“开始—结束—保存—打印”。
4.2.实验步骤
1.通水,开启水开关,让水注满反应釜,调节进水流量为15L/H,保持流量稳定。
2.通电,开启电源开关。
(1)打开计算机数据采集系统,设定参数值,通过点击图形区域,可进行“单釜”与“三釜”显示页面的切换;
(2)开电导仪,调整好,以备测量;
(3)开动搅拌器,搅拌转速决定了混合状态,单釜转速应控制在150r/min左右,三釜转速应大于300r/min左右。
3.待系统流量稳定后,用注射器迅速注入示踪剂KCl饱和溶液,同时按计算机数据采集系统的“开始”键,记录电导率随时间变化轨迹;
4.当计算机画面显示的电导率值在2min内觉察不到变化时,即认为终点己到,按“结束”键,同时保存并打印结果。
5.关闭仪器,电源,水源,排清釜中料液,实验结束。
4.3.注意事项
1.整个实验过程,要注意控制流量稳定;
2.示踪剂饱和KCl溶液需一次迅速注入(例如1-3秒之内);
3.用注射器抽取饱和KCl溶液时,注意不要抽到底层KCl结晶,以免堵塞针头;如果针头堵塞,切勿强推注入,而应拔出重做;
4.一旦失误,应该等示踪剂出峰全部走平后重做,或在老师指导下,把水全部排放后置换清水重做。
5.报告要求
5.1.实验数据处理
数据处理结果
序号
三釜
单釜
T*L1
T*L2
T*L3
T2*L1
T2*L2
T2*L3
T*L
T2*L
1
40.603
1.501
0.076
771.457
28.519
1.444
15.232
258.944
2
71.706
14.972
0.57
2724.828
568.936
21.66
30.345
1062.075
3
94.62
34.599
3.591
5393.34
1972.143
204.687
42.900
2230.800
4
112.574
57.442
11.858
8668.198
4423.034
913.066
56.000
3920.000
5
122.688
82.656
21.408
11778.05
7934.976
2055.168
66.294
5767.578
6
127.65
104.765
35.995
14679.75
12047.98
4139.425
77.175
8103.375
7
129.176
126.63
55.208
17309.58
16968.42
7397.872
83.692
10210.424
8
129.591
145.962
72.828
19827.42
22332.19
11142.68
90.860
12720.400
9
125.388
162.54
97.696
21566.74
27956.88
16803.71
96.712
15183.784
10
121.92
178.176
120.192
23408.64
34209.79
23076.86
105.000
18375.000
11
114.995
189.056
139.682
24263.95
39890.82
29472.9
110.784
21270.528
12
110.17
198.95
161.69
25339.1
45758.5
37188.7
114.450
24034.500
13
103.584
205.923
180.525
25792.42
51274.83
44950.73
118.721
26949.667
14
93.8
209.844
203.948
25138.4
56238.19
54658.06
118.825
29112.125
15
86.674
205.205
222.999
24875.44
58893.84
64000.71
120.782
31644.884
16
71.829
199.872
265.802
24924.66
69355.58
92233.29
125.370
39491.550
17
52.096
177.452
282.865
21203.07
72222.96
115126.1
130.257
48064.833
18
42.964
162.516
294.21
20064.19
75894.97
137396.1
125.334
52890.948
19
37.944
133.858
292.485
19996.49
70543.17
154139.6
117.800
55955.000
20
30.524
116.813
272.368
17917.59
68569.23
159880
112.677
59606.133
21
24.624
100.44
255.96
15956.35
65085.12
165862.1
104.178
60631.596
22
24.072
83.544
228.684
17042.98
59149.15
161908.3
104.775
66532.125
23
19.2
56.832
204.288
14745.6
43646.98
156893.2
99.905
68834.545
24
15.732
45.54
171.396
13026.1
37707.12
141915.9
92.750
68820.500
25
13.32
32.856
153.624
11828.16
29176.13
136418.1
87.560
69697.760
26
4.74
25.596
131.772
4493.52
24265.01
124919.9
85.749
72800.901
27
6.048
23.184
120.96
6096.384
23369.47
121927.7
75.768
68342.736
28
3.204
16.02
79.032
3421.872
17109.36
84406.18
54.492
52094.352
29
4.512
7.896
62.04
5089.536
8906.688
69981.12
48.432
48867.888
30
2.376
8.316
46.332
2822.688
9879.408
55042.42
41.418
43985.916
SUM
1938.324
3108.956
4190.084
450166.5
1055379
2174078
2654.237
1087460.867
T平均
方差
无因次方差
N
单釜
210.84
41929.3
0.94324
1.06018
三釜1
125.029
13405.14
0.857531
1.166138
三釜2
225.4991
25699.04
0.505391
1.978667
三釜3
368.1001
55495.65
0.409569
2.441592
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
5.2.实验结果讨论
1.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
210.84
307
釜一
125.029
151
釜二
225.4991
299
釜三
368.1001
464
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。
2.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
1.06018
1.50
三釜1
1.166138
1.15
三釜2
1.978667
2.28
三釜3
2.441592
3.69
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。
6.思考题
1.何谓返混返混的起因是什么
2.
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应器中的反向运动造成返混如循环反应器中的循环流连续流动塔式反应器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅拌作用
(2)反应器内物料的流速分布不均匀当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以改变反应器内的浓度分布造成返混。
3.限制或加大返混的措施有哪些如何限制返混如何加大返混
答:
改变物料流量和搅拌速度可以影响返混。
具体的减小物料流量和加大搅拌速度可以加大返混,增大物料流量和减小搅拌速度可以限制返混。
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- 实验 连续 流动 反应器 中的 测定