實驗九多釜串聯(lián)反應器停留時間分布測定實驗

1、實驗九多釜串聯(lián)反應器停留時間分布測定實驗一、目的1.利用電導率測定單釜及三釜串聯(lián)液相反應器停留時間分布密度函數及多釜串聯(lián)流動模型的關系。2.掌握停留時間分布的統(tǒng)計特征值的計算方法。3.學會用理想反應器串聯(lián)模型來描述實驗系統(tǒng)的流動特性。4.了解微機系統(tǒng)數據采集的方法。二、裝置與流程本實驗裝置為浙江中控科教儀器設備有限公司的產品,見圖1。反應器為有機玻璃制成的攪拌釜,其中1000mL攪拌釜3個;3000 mL攪拌釜1個;攪拌方式為葉輪攪拌;供分別進行單釜、三釜串聯(lián)停留時間的實驗測定。釜內攪拌器由直流電機經端面磁驅動器間接驅動,并由轉速調節(jié)儀進行調控和測速。主流流體(水例子水槽,經水泵加壓,用閥1、

2、閥2調節(jié),流量計計量流量,加入單釜或第1釜頂部,再由釜底排出或進入第2釜,逐級下流,由第3釜釜底排出流進下水道。示蹤劑可依需要,分別由各釜釜頂注入口注入。單釜反應器設有單獨的主流量控制閥閥1和示蹤劑電磁控制閥。三釜串聯(lián)反應器同樣設有單獨主流量控制閥閥2和示蹤劑電磁控制閥。實驗用的示蹤劑為KCI或KNO3的飽和溶液,通過電磁閥瞬時注入反應器,示蹤劑在不同時刻濃度(C的由設在各釜底部排出管處的鉑電極檢測,鉑電極在圖1中未示出。鉑電極即是電導率儀的傳感器,當含有KCI或KNO3的水溶液通過安裝在釜內液相出口處鉑電極時,電導率儀將濃度(C轉化為毫伏級的直流電壓信號,該信號經放大器與A/D轉化卡處理后,

3、由模擬信號轉換為數字信號。代表濃度(C的數字信號由微機內用預先輸入的程序進行數據采集記錄和處理,并且形成相應的實驗原始數據文件,供拷貝或用打印機輸出。數據采集原理方框圖見圖2。實驗試劑:主流體:自來水示蹤劑:KCl或KNO3飽和溶液流單釜釜1釜2釜3水槽量計回流閥閥1閥2KNO3總閥電磁閥圖1 多釜串聯(lián)反應器停留時間分布測定實驗流程圖圖2 數據采集原理方框圖三、基本原理1.停留時間分布密度函數(E 、停留時間分布函數(F 測定方法本實驗停留時間分布測定所采用示蹤響應法。原理是:在反應器入口用電磁閥控制的方式加入一定量的示蹤劑KCl 或KNO 3,通過電導率儀測量反應器出口處水溶液電導率的變化,

4、間接的描述反應器流體的停留時間。示蹤劑加入方式有脈沖輸入、階躍輸入和周期輸入等,本實驗采用脈沖輸入法的加入方式。脈沖輸入法是指在極短的時間內(0.1數秒,將示蹤劑從反應器的入口注入流動的主流體中,在不影響主流體流動特性的情況下隨之進入反應器,與此同時,檢測任意時刻從反應器出口流出示蹤劑的濃度(C ,從而得到示蹤劑濃度(C 隨時間變化的關系。在反應器出口處測得的示蹤計濃度(C 在時間的關系曲線叫響應曲線。根據停留時間分布密度函數的物理意義及概率論知識,停留時間分布密度函數(E 是一種概率分布密度,因此(d E 就代表了流體粒子在反應器內停留時間介于d -間的概率。由響應曲線可以計算出(E 與時間

5、的關系,并繪出(E -關系曲線。 具體計算方法是對反應器作示蹤劑的物料衡算,即(d mE d C q V (= (1式中V q 表示主流體的流量,m 為示蹤劑的加入量,示蹤劑的加入量可以用下式計算:=0(d C q m V (2在主流量恒定,即V q 值不變的情況下,由(1式和(2式求出停留時間分布密度函數(E ,并寫成離散形式:=ii i C C C d C C E (0(3測量濃度的傳感器電導率儀 A/D 轉化卡 微機系統(tǒng)由此可見(E 與示蹤劑濃度(C 成正比。當在反應器出口測定的不是示蹤劑的濃度,而是其他物理量,如電導率、毫伏信號等,只要這些物理量和濃度呈線性關系,就可以將這些物理量的值

6、直接代入式(3進行計算,其結果和與用濃度計算的相同。當這些物理量和濃度不呈線性關系時,需要根據這些物理量與濃度的關系將其值轉化為濃度值,然后進行計算。本實驗采用電導儀測定反應器出口示蹤劑的電導率,電導率與濃度呈線性關系,因此可以直接把電導率實驗數據代入式(3計算。停留時間分布的另一個統(tǒng)計函數是停留時間分布函數(F ,計算公式為:=0(d E F (4用停留時間分布密度函數(E 和停留時間分布函數(F 來描述系統(tǒng)的停留時間,給出了很好的統(tǒng)計分布規(guī)律。2.平均停留時間、方差2、模型參數N 的計算方法停留時間分布密度函數(E 在概率論中有兩個特征值:數學期望和方差2,可用來比較不同停留時間分布之間的

7、差異。數學期望對停留時間分布而言即是平均停留時間,計算式為:=0(d E d E d E (5 為便于從實驗數據計算,平均停留時間計算式(5改用離散形式表達,并取相同時間間隔,則:=iiii iE E ( (6方差2t 是和理想反應器模型關系密切的參數,計算式是:-=-=2022(d E d E d E (7時間間隔相同其離散形式表達式為:(2222(-=-=iiii iiiii iE E E E (8對活塞流反應器2=0; 而對全混流反應器22=;對介于上述兩種理想反應器之間的非理想反應器可以用多釜串聯(lián)模型描述,通過物料衡算可導出多釜串聯(lián)模型停留時間分布密度的數學表達式,即-=N N e N

8、 N N E 1(!1(1( (9聯(lián)立式(7、(9解得22=N (10因此多釜串聯(lián)模型中的模型參數N 可以由實驗數據處理得到的、2來計算。 當N 為整數時,代表該非理想流動反應器可用N 個等體積的全混流反應器的串聯(lián)來建立模型。當N 為非整數時,可以用四舍五入的方法近似處理,也可以模擬為不等體積的全混流反應器串聯(lián)模型。由模型參數N 的數值可檢測理想流動反應器和度量非理想流動反應器的返混程度。當實驗測得模型參數N 值與實際反應器的釜數相近時,則該反應器接近了理想的全混流模型,反之則偏離。若實際反應器的流動狀況偏離了理想流動模型,則可用多級全混流模型來模擬其返混情況,用其模型參數N 值來定量表征返混

9、程度。四、操作要點1.檢查實驗裝置上方的示蹤劑罐的存液量狀況;若存液不足,需配制KNO 3飽和溶液,注于實驗裝置上方的示蹤劑瓶內,準備妥當后則打開示蹤劑調節(jié)閥。2.啟動計算機,將電腦硬盤D :新化工原理實驗目錄下的文件“化工原理數據庫”刪除或改名,以防止實驗過程自動生成的實驗數據文件覆蓋上一組文件。3.合上操作面板電源開關,啟動水泵;全開單釜、多釜進水閥,全關反應釜下方的排空閥,往釜中加水入進行清洗、排放;完畢,關閉反應釜下方的排空閥,分別操作單釜、多釜進水閥,調節(jié)一定的水流量進入釜中,直至注滿反應釜后在250-500轉/分轉速值范圍調節(jié)各攪拌釜的轉速。各實驗小組應先確定不同的轉速值以示區(qū)別;

10、確定轉速值后,最后盡量使各攪拌釜轉速基本相同。4.雙擊電腦桌面的“多釜串聯(lián)反應實驗”文件名,進入MCGS5.5通用版組態(tài)軟件數據采集平臺;然后點擊MCGS 5.5菜單“文件”下的“進入運行環(huán)境F5”,當提示填入學號、裝置號、批號時,只填學號其它不填;選擇單釜或多釜實驗項目;進入反應釜電導率實時曲線動態(tài)圖及相關按鈕的界面。 5.單釜停留時間密度函數測定項目:(1點擊“進入運行環(huán)境F5”后選擇單釜實驗,電腦桌面將出現(xiàn)單釜電導率實時曲線動態(tài)圖及相關按鈕的界面。(2用單釜流量控制閥調節(jié)進釜水量調至40L/h 左右;各實驗小組應盡量取互不相同的流量值。(3鍵入單釜實驗畫面內的有關實驗參數。延遲時間:不填

11、采樣次數:填400-600物料流量:填入流量計流量,各實驗小組從25L/h開始取值,然后按先后遞增25L/h。攪拌轉速:填反應釜轉速,各實驗小組從230轉/分開始取值,然后按先后遞增10轉/分。填完參數后,點擊“確定”按鈕開始實驗,電腦程序開始自動采集電導率實驗數據。(4待屏幕上電導率濃度曲線走水平后,把鼠標移至并且一直保持在“注入鹽溶液”按鈕上,按住鼠標左鍵于“注入鹽溶液”按鈕上不放松;這時示蹤劑電磁閥打開,往釜加入硝酸鉀飽和溶液示蹤劑,屏幕上的電導率曲線將快速上升,當曲線升至1500S/cm(微西門子/厘米刻度線松開鼠標左鍵,停加示蹤劑。(5在電腦上注入或者停注示蹤劑,應留意觀察反應釜示蹤

12、劑出口管狀況,判斷示蹤劑電磁閥是否有相關的“開”或“?！眲幼?若沒有相應的動作,可手工操作示蹤劑總閥予以補救。(6電導率濃度曲線從峰值拐頭向下重新走水平后,按屏幕上“退出實驗”按鈕,結束單釜實驗。6.多釜串聯(lián)停留時間密度函數測定項目:(1退出單釜實驗,點擊多釜實驗,轉入多釜停留時間測定實驗項目和實驗數據自動采集。(2用多釜流量控制閥調節(jié)進釜水量調至30L/h左右;各實驗小組應盡量取互不相同的流量值,以示區(qū)別。(3(6項同5.單釜實驗操作。7.拷貝實驗數據。電腦硬盤D:多釜串聯(lián)新化工原理實驗目錄下的文件即是程序自動生成的實驗采集數據文件,可用微軟數據庫或excel程序打開,或轉成為微軟電子表格文件;在注明該條件下反應釜的流量、轉速后拷貝。若無U盤,各實驗小組只允許打印一份原始數據,供作原始數據復印的母本;同時還應在記錄紙上注明該條件下反應釜的流量、轉速。注意拷貝后要在實驗數據文件名和文件內寫上本實驗小組的學號、名字,按