多釜串联反应器及管式反应器返混测定实验

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1、多釜串联反应器及管式反应器返混测定实验多釜串联返混实验装置是测定带搅拌器的釜式液相反应器中物料返混情况 的一种设备，它对加深了解釜式反应器的特性是最好的实验手段之一。通常是在 固定搅拌马达转数和液体流量的条件下，加入示踪剂，由各级反应釜流出口测定 示踪剂浓度随时间变化曲线，再通过数据处理得以证明返混对釜式反应器的影 响，并能通过计算机得到停留时间分布密度函数及多釜串联流动模型的关系。此 外，也可通过其它种类反应器进行对比实验，进而更深刻的理解各种反应器的特 性。本实验通过管式反应器与三釜串联反应器中停留时间分布的测定，将数据计 算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的措施。一、实

2、验目的(1) 掌握停留时间分布的测定方法。(2) 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系。(3) 了解模型参数n的物理意义及计算方法。二、实验原理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，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。物 料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。 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ZN为f(t)dt。停留时间分布函 数F(t)物理

3、意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。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，可知f (t )dt = V - C (t )dt .；Q(1)Q = L VC ( )dt0所以0 0由此可见f Q与示踪剂浓度C C）成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KNO作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KNO33浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系。停留时间分布密度函数f ）

4、在概率论中有二个特征值，平均停留时间（数学期望）t和方差 f2。r的表达式为:0采用离散形式表达，并取相同时间间隔At,则:-DC (t kt Et - lC)的表达式为:=Js(t - t)2 f ( )dt =js 12 f ( b t 20 0也用离散形式表达，并取相同At，则:Et 2 Txt)若用无因次对比时间0来表示，即0“，无因次方差c0=c12。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，这里采用多釜串联模型。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

5、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a(2与模型参数n存在关系为1n二 b 29当n = 1，二1，为全混釜特征；当n fg，t 0，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。三、实验装置与流程实验装置由管式反应器与三釜串联反应器二个系统组成。实验时，水分别从 二个转子流量计流入二个系统，稳定后在二个系统的入口处分别快速注入示踪 剂，由反应釜出口处电导电极检测示踪剂浓度变化，并由记录仪自动录下来。1. 技术指标(1) 釜式反应器1L,3

6、个。(2)管式反应器,，1个。(3)液体(水)流量660升/时。(4)数字电导率仪3套。(5)不锈钢离心泵一台，功率370W，SZD-37型。2. 装置流程图138sI-5M昱M HH2B:30.s.I171ra3丄JiT11411!1*i1-h1-清洗水储罐；2-三通阀3溶液储罐;4-水槽;5-浮球阀;6-水泵;7-流量计；8-电磁阀；9-电导电极；10-釜；11-螺旋桨搅拌器；12-排放阀；13-搅拌马达；14-管式反应器；15-电导率仪；16-排液管；17-液位调节器；18-联轴器；19-调速器；20-微机系统多釜串联实验流程图天大北洋2011.1.11四、操作步骤1. 准备工作（1）将

7、饱和kno3液体注入标有kno3的储瓶内，将水注入标有 h2o的储瓶内。（2）连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。（3）检查电极导线连接是否正确。2. 操作（1）打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注水，将回流阀开到最大，启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门（注意！初次通水必须排净管路 中的所有气泡，特别是死角处）。通过三通阀选择做多釜串联返混或是管 式反应器实验，调节水流量维持在20-30升每小时之间的某值，直至各釜 或直管反应器充满水，并能正常地从最后一级流出。（2）分别开启釜1、釜2、釜3搅拌马达开关，后再调节马达转速的旋钮，使 三釜搅拌速度一致（如选做直管反应器实验，以上

8、步骤略去）。开启电磁 阀开关和电导仪总开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温 度和电极常数等。调整完毕，备用。（电导仪的使用方法见该仪器使用说 明书）（3）开启计算机电源，在桌面上双击“多釜返混实验”图标，在主画面上按下“实时采集”按钮，调好坐标数值，点击“开始实验”，调节电磁阀开合 时间，一般为3-9秒，输入操作员编号，点击“确定”，开始采集数据。（4）待测试结束，按下“结束实验”按钮后，按下“保存数据”按钮保存数据 文件。3停车（1）实验完毕，将实验柜上三通阀转至“h2o”位置，将程序中“阀开时 间”调到20秒左右，按“开始”按钮，冲洗电磁阀及管路。反复三、 四次。否则kno3会

9、在电磁阀管路内结晶造成堵塞。（2）关闭各水阀门、电源开关，打开多釜底或管式反应器底部排水阀， 将水排空。（3）退出实验程序，关闭计算机。五实验数据处理根据实验结果，可以得到单管与三釜串联反应器的停留时间分布曲线，这里 的物理量-电导值L对应了示踪剂浓度的变化；用离散化方法，在曲线上相同 时间间隔取点，一般可取20个数据点左右，再由公式（5），（7）分别计算出各 自的t和 f，及无因次方差玄= 1。通过多釜串联模型，利用公式（8）求 出相应的模型参数n随后根据n的数值大小，就可确定单管和三釜系统的两种 返混程度大小。若采用微机数据采集与分析处理系统，则可直接由电导率仪输出信号至计算 机，由计算机

10、负责数据采集与分析，在显示器上画出停留时间分布动态曲线图， 并在实验结束后自动计算平均停留时间、方差和模型参数。停留时间分布曲线图 与相应数据均可方便地保存或打印输出，减少了手工计算的工作量。六结果与讨论（1）计算出单管与三釜系统的平均停留时间t，并与理论值比较，分析偏差 原因；（2）计算模型参数n讨论二种系统的返混程度大小；（3）讨论一下如何限制返混或加大返混程度。七、维护及故障处理1. 长时间不用该仪器应放置干燥的地方，还应定期进行仪器的开启并维持 一定时间操作，以防止仪器受潮。2. 开启总电源开关，指示灯不亮或分电源开关无电，保险坏或有断路现象 应查之。3. 搅拌马达有异常声音，应检查搅拌轴是否处于合适位置，重新调整后可 以达到正常。4. 开启电磁阀开关，指示灯亮，单从计算机内控制电磁阀不启动，电磁阀 坏或控制电路或软件出现问题。5.