实验二 连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布及其流动模型的测定

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1、化学工程专业实验实验二连续搅拌釜式反应器液体停留时间分布及其流动模型的测定一、实验目的当流体连续流过搅拌釜式反应器时，由于各种原因造成物料质点在反应器内停留不一定完全相同，因此形成不同的停留时间分布。不同停留时间分布直接影响反应的结果(如反应的最终转化率可能不同)。单级连续搅拌釜式反应器的理想流动模型为全混流模型，而实际反应器是否达到理想流动模型，需要通过实验来检验。非理想流动反应器的流动模型也需要通过实验来确定。多级连续搅拌釜式反应器的流动特性和流动模型也都需要通过实验进行研究。连续流动的搅拌釜式反应器的流动特性的研究和流动模型的确立，一般采用实

2、验测定停留时间分布的方法。实验测定停留时间分布的方法常用的脉冲激发——响应技术。本实验采用脉冲激发的方法测定液体(水)连续流过搅拌釜式反应器的停留时间分布曲线。由此了解反应器的流动特性和流动模型。通过本实验，使实验者观察和了解连续流动的单级、二级串联或三级串联搅拌釜式反应器的结构、流程和操作方法；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搅拌釜式反应器的流动模型的检验和模型参数的测定方法。无疑，通过实验对于停留时间分布与返混的概念，以及有关流动特性数学模型的概念、原理和研究方法会有更具体的了解和更加深入的理解。二、实验原理流体流经反应

3、器的流动状况，可以采用激发—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，与此同时在设备出口处检测示踪剂的浓度随时间的变化关系数据或变化关系曲线。由实验测得的变化关系曲线可以直接转换为停留时间分布密度随时间的关系曲线。由实验测得的曲线的图像，可以定性判断流体流经反应器的流动状况。由实验测得全混流反应器和多级串联全混流反应器的曲线的典型图像如图1所示。若各釜的有效体积分别为、和，且各釜体积相同，即==，当单级、二级和三级全混流反应器的总有效体积保持相同，即时，

4、则其曲线的图像如图1(a)所示；当各釜体积虽相同，但单釜、二釜串联、三釜串联的总有效体积又各不相同时，如单釜有效体积，而双釜串联总有效体积，三釜串联的总有效体积，则其-5-化学工程专业实验曲线的图像如图1(b)所示。(a)(b)图1全混流反应器和多级串联全混流反应器的曲线Figure1curveforCSTRandthetanks-in-series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来表征分布的特征。概率论上表征这种随机变量分布的数字特征主要是数学期望和方差。（1）停留时间分布的数学期望，随机变量的

5、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=（1）如果取等时间间隔的离散数据，即为定值，则停留时间的数学期望可按下式计算：=（2）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，示踪剂的注入量为时，则停留时间分布密度与示踪剂浓度的关系为：（3）-5-化学工程专业实验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呈过原点的线性关系，又知电导率与电导率仪输出电压显示值呈线性关系，则停留时间分布密度与电压显示值存在如下关系：（4）式中为换算系数，在一定

6、测试条件下为一常数。由此，可将式（2）经过变换，停留时间分布的数学期望又可按下式计算：=（5）如果流体流经反应器无密度变化，即体积流率为恒定值，且反应器进出口无返混，则可按下式计算平均停留时间：=（6）式中为反应器的总有效体积。（1）停留时间分布的方差，停留时间分布方差是反映流体流经反应器时，停留时间分布离散程度，亦即返混程度的大小的特征数。停留时间分布方差的定义式为：=（7）经整理后又可得：=（7）如果采集等时间间隔的离散数据，则可按下式计算：=（8）按照上述相同原由，本实验中方差值可按下式计算：-5-化学工程专业实验（9）（1）以无因次时间为时

7、标的数字特征无因次时间的定义式为(10)以无因次时间为变量的数学期望(11)以无因次时间为变量的方差：（12）与两者之间存在如下关系：（13）（2）流动模型与模型参数单釜或多釜串联的连续流动搅拌釜式反应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，一般常用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。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（14）联立（7）和（14）式可解得模型参数（15）或（16）由模型参数的数值可检验理想流动反应器和度量非理想流动反应器的返混程度

8、。当实验测得模型参数值与实际反应器的釜数相近时，则该反应器达到了理想的全混流模型。若实际反应器的流动状况偏离了理想流动模型