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1、第29卷第1期摇摇大学化学Vol.29No.1摇摇2014年2月UNIVERSITYCHEMISTRYFeb.2014*多釜串联性能研究实验的改进1**1112胡瑞生摇王瑞达摇刘启业摇高官俊摇段毅文12(内蒙古大学化学化工学院摇内蒙古呼和浩特010021;内蒙古师范大学化学与环境学院摇内蒙古呼和浩特010020)摇摇摘要摇多釜串联实验有利于理解多釜串联反应器的返混特性、停留时间分布与多釜串联模型的关系、模型参数的物理意义、模型参数的计算方法和停留时间分布的测定方法。该改进设计加入了一个并行的大釜对照反应器,能使学生更直
2、观地了解系统的流动特性,理解多釜串联模拟理想反应器的实际意义。相比单理想反应器,多釜串联模拟是在较高浓度下进行的,减少了混合作用所产生的稀释效应,使过程的推动力得以提高。摇摇关键词摇多釜串联摇返混摇停留时间分布摇摇我国综合性大学应用化学专业大多是在原化学专业的基础上于20世纪90年代发展起来的一个新专业,要求应用化学专业的学生主要掌握化学与化工相关学科的基础知识、基本理论和基本技能。因此,我们在应用化学等专业中开设了典型的多釜串联性能测定实验,此实验是模拟化学工业中最具代表性的釜式反应,是一个接近实际情况的反应体系,具
3、有培养学生实践应用能力的作用。摇摇在研究工业生产反应器内进行的液相反应时,不仅要了解浓度、温度等因素对反应速度的影响,还要考虑物料的流动特性和传热与传质对反应速度的影响。由于种种原因造成的涡流、速度分布等使物料产生不同程度的返混。反应器的返混程度是很难直接观察和度量的,通常采用测定停留时间分布来探求反应器的返混程度,通过测定反应器的停留时间分布,对过程的物理实质加以概括和简化,得出流[1]动模型。摇摇目前多数学校开设的教学实验中所用的多釜串联仪器为脉冲输入三釜串联,不仅可以很好地了解[2]停留时间分布测定的原理和实验方
4、法,还能用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。但是只有串联模型而没有对比的理想反应器很难让学生直观地理解流动特性。因此,本实验加入了一个并行的大的理想反应釜作为对照,学生不仅可以通过理想反应器和串联模型的实验结果对比直观地理解系统的流动特性,还可以更清晰地理解多釜串联模拟理想反应器的意义;既节省了空间和材料资源,还减少了实验的系统误差,使学生对流动特性的理解更为系统深入,同时也便于教师指导学生学习。1摇实验原理摇摇在连续流动釜式反应器中激烈搅拌,使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物料混
5、合,这种空间上的反向流动就是返混。限制返混的措施是分割,有横向分割和纵向分割。当[3]一个釜式反应器被分成多个反应器后,返混程度就会降低。摇摇在连续流动的反应器内,不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小一般很难直接测定,通常是通过测定物料停留时间分布来进行研究。我们发现,在测定不同状态的反应器内停留时间分布时,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,而是要借助于反应器数学模型来间接表*基金资助:内蒙古自治区化工实
6、验系列课程教学团队项目**通讯联系人,E鄄mail:cehrs@imu.edu.cn64大学化学第29卷摇达。摇摇物料在反应器内的停留时间是随机的,须用概率分布方法来描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数f(t)和停留时间分布函数F(t)。停留时间分布密度函数f(t)的物理意义是:同时进入dN的N个流体粒子中,停留时间介于t到t+dt间的流体粒子所占的分率为f(t)dt。停留时间分布函数NF(t)的物理意义是:流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。摇摇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
7、法。当系统达到稳定后,在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。摇摇由停留时间分布密度函数的物理含义,可知:V·c(t)dt摇摇摇摇f(t)dt=Q肄摇摇摇摇Q=乙Vc(t)dt0所以有:Vc(t)c(t)摇摇摇摇f(t)==肄肄乙Vc(t)dt乙c(t)dt00摇摇由此可见,f(t)与示踪剂浓度c(t)成正比。因此,本实验用水作为连续流动的物料,以饱和硝酸钾或氯化钾溶液作示踪剂,在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内,示踪剂浓度与电导值成正比,可用电导值来表达物料的停留时间变
8、化关系,即:摇摇摇摇f(t)邑L(t)这里的L(t)=L-L;L为t时刻的电导值,L为无示踪剂时的电导值。t肄t肄-2摇摇停留时间分布密度函数f(t)有2个概率特征值,平均停留时间(数学期望)t和方差滓。t-摇摇t的表达式为:肄肄乙tc(t)dt-0摇摇摇摇t=乙tf(t)dt=肄0乙c(t)dt0若采用离散形式表达,并取相同时间
