管式反應(yīng)器流動(dòng)特性測(cè)定試驗(yàn)

1、管式反應(yīng)器流動(dòng)特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .了解連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的返混特性；2 .分析觀察連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的流動(dòng)特征；3 .研究不同循環(huán)比下的返混程度，計(jì)算模型參數(shù)no二、實(shí)驗(yàn)原理及要點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)上，對(duì)某些反應(yīng)為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便控制溫度、轉(zhuǎn)化率和收率，同時(shí)需要使物料在反應(yīng)器內(nèi)由足夠的停留時(shí)間，并具有一定的線速度，而將反應(yīng)物的一部分物料返回到反應(yīng)器進(jìn)口，使其與新鮮的物料混合再進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的物料之間的混和稱為返混。對(duì)于這種反應(yīng)器循環(huán)與返混之間的關(guān)系，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。在連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器中，若循環(huán)流量等于零，則反應(yīng)器的返混程度

2、與平推流反應(yīng)器相近，由于管內(nèi)流體的速度分布和擴(kuò)散，會(huì)造成較小的返混。若有循環(huán)操作，則反應(yīng)器出口的流體被強(qiáng)制返回反應(yīng)器入口，也就是返混。返混程度的大小與循環(huán)流量有關(guān)，通常定義循環(huán)比R為：循環(huán)物料的體積流量其中，離開(kāi)反應(yīng)器物料的體積流量就等于進(jìn)料的體積流量循環(huán)比R是連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器的重要特征，可自零變至無(wú)窮大。當(dāng)R=0時(shí)，相當(dāng)于平推流管式反應(yīng)器；當(dāng)Rro時(shí)，相當(dāng)于全混流反應(yīng)器。因此，對(duì)于連續(xù)均相管式循環(huán)反應(yīng)器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)比R,得到不同返混程度的反應(yīng)系統(tǒng)。一般情況下，循環(huán)比大于20時(shí)，系統(tǒng)的返混特性已經(jīng)非常接近全混流反應(yīng)器。返混程度的大小，一般很難直接測(cè)定，通常是利用物料停留時(shí)間分布的測(cè)

3、定來(lái)研究。然而測(cè)定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，相同的停留時(shí)間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時(shí)間分布不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此不能用停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而要借助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型來(lái)間接表達(dá)。停留時(shí)間分布的測(cè)定方法有脈沖法，階躍法等，常用的是脈沖法。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，在系統(tǒng)的入口處瞬間注入一定量Q的示蹤物料，同時(shí)開(kāi)始在出口流體中檢測(cè)示蹤物料的濃度變化。由停留時(shí)間分布密度函數(shù)的物理含義，可知ftdt=VCtdtQQ=0VCtdt所以VCt二Ct0Vctdt0Ctdt由于電導(dǎo)率與濃度之間存在線性關(guān)系，故可以直接對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行復(fù)化辛普森積分,其公式如下:二

4、hInn0f(t)dtf(a)4%f(xi)»f(xk)f(b)06ILkwk2k4其中，h一為所記錄數(shù)據(jù)的總時(shí)間；n一為所要處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；a一為第一組數(shù)據(jù)；b一為最后一組數(shù)據(jù)；由此可見(jiàn)f(t)與示蹤劑濃度C(t)成正比。因此，本實(shí)驗(yàn)中用水作為連續(xù)流動(dòng)的物料,以飽和KCl作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測(cè)溶液電導(dǎo)值。在一定范圍內(nèi)，濃度KCl與電導(dǎo)值成正比，則可用電導(dǎo)值來(lái)表達(dá)物料的停留時(shí)間變化關(guān)系，即f(t>cL(t),這里L(fēng)(t)=LL巴L為t時(shí)刻的電導(dǎo)值，L“為無(wú)示蹤劑時(shí)電導(dǎo)值。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的停留時(shí)間分布密度函數(shù)f(t),有兩個(gè)重要的特征值,即平均停留時(shí)間t和方差仃t2,可由實(shí)驗(yàn)數(shù)

5、據(jù)計(jì)算得到。若用離散形式表達(dá)，并取相同時(shí)間間隔At,則:Ct；：t三tLt。心出_:tL(t)dt三Ct：tZLtoC(t)dtoL(t)dtqQ0tL(t)dt二201Ctdt二2-2t2Ltdt-t2若用無(wú)因次對(duì)比時(shí)間e來(lái)表示，即Q=t/1,無(wú)因次方差仃=仃：/1"2。在測(cè)定了一個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間分布后,描述，這里我們采用的是多釜串聯(lián)模型。如何來(lái)評(píng)介其返混程度，則需要用反應(yīng)器模型來(lái)所謂多釜串聯(lián)模型是將一個(gè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混情況作為與若干個(gè)全混釜串聯(lián)時(shí)的返混程度等效。這里的若干個(gè)全混釜個(gè)數(shù)n是虛擬值，并不代表反應(yīng)器個(gè)數(shù)，n稱為模型參數(shù)。多釜串聯(lián)模型假定每個(gè)反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無(wú)

6、返混，每個(gè)全混釜體積相同，則可以推導(dǎo)得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)關(guān)系，并得到無(wú)因次方差仃2與模型參數(shù)n存在關(guān)系為：122n-2-t:t三、裝置與流程(XHi1盤苴鼻管式反應(yīng)器流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)工藝流程圖本實(shí)驗(yàn)裝置由管式反應(yīng)器和循環(huán)系統(tǒng)組成，連續(xù)流動(dòng)物料為水，示蹤劑為食鹽水。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從水箱用進(jìn)料泵往上輸送，經(jīng)進(jìn)料流量計(jì)測(cè)量流量后，進(jìn)入管式反應(yīng)器，在反應(yīng)器頂部分為兩路，一路到循環(huán)泵經(jīng)循環(huán)流量記測(cè)量流量后進(jìn)入反應(yīng)器，一路經(jīng)電導(dǎo)儀測(cè)量電導(dǎo)后排入地溝。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，食鹽從鹽水池通過(guò)電磁閥快速進(jìn)入反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)儀器反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成管式反應(yīng)器（1000ml）1個(gè)DDS-11C型電導(dǎo)率儀LZB型轉(zhuǎn)子流量

7、計(jì)：進(jìn)料：2.525L/h1個(gè)循環(huán)：16160L/h1個(gè)DF2-3電磁閥(PN0.8MPa220V)1個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)泵MP-20RZ2個(gè)實(shí)驗(yàn)試劑：主流體自來(lái)水示蹤劑0.0l7mol/L食鹽溶液四、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作1 .藥品0.0l7mol/L食鹽溶液：稱量5g食鹽到500ml水中，玻璃棒攪拌，使其溶解即可。2 .實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作熟悉流量計(jì)、循環(huán)泵的操作熟悉進(jìn)樣操作，可抽清水模擬操作熟悉“管式循環(huán)反應(yīng)器”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作，開(kāi)始-結(jié)束-保存-打印熟悉EPSON-1600曲機(jī)操作，開(kāi)啟-裝一頁(yè)A4紙-進(jìn)紙鍵-聯(lián)機(jī)鍵-打印五、實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用脈沖示蹤法測(cè)定循環(huán)反應(yīng)器停留時(shí)間分布；改變循

8、環(huán)比，確定不同循環(huán)比下的系統(tǒng)返混程度；觀察循環(huán)反應(yīng)器的流動(dòng)特征。實(shí)驗(yàn)要求控制系統(tǒng)的進(jìn)口流量15升/小時(shí)，采用不同循環(huán)比，R=0,3,5,通過(guò)測(cè)定停留時(shí)間的方法，借助多釜串聯(lián)模型度量不同循環(huán)比下系統(tǒng)的返混程度。2. 操作要點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)循環(huán)比做三個(gè)，R=0,3,5;調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定后方可注入示蹤劑，整個(gè)操作過(guò)程中注意控制流量；為便于觀察，示蹤劑中加入了顏料。抽取時(shí)勿吸入底層晶體，以免堵塞。(4) 一旦失誤，應(yīng)等示蹤劑出峰全部走平后，再重做。3. 實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 開(kāi)車步驟 通電：開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，將電導(dǎo)率儀預(yù)熱，以備測(cè)量。開(kāi)電腦，打開(kāi)“管式循環(huán)反應(yīng)器數(shù)據(jù)采集”軟件，準(zhǔn)備開(kāi)始。 通水：首先要放空，開(kāi)啟進(jìn)料泵，讓

9、水注滿管道，緩慢打開(kāi)放空閥，有水注噴出即放空成功，其次使水注滿反應(yīng)管，并從塔頂穩(wěn)定流出，此時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量為15L/h,保持流量穩(wěn)定。 循環(huán)進(jìn)料：首先要放空，開(kāi)啟循環(huán)水泵，讓水注滿管道，緩慢打開(kāi)放空閥，有水注噴出即放空成功，其次通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量。(2)進(jìn)樣操作將預(yù)先配置好的食鹽溶液加入鹽水池內(nèi)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，迅速注入示蹤劑(0.1-1.0秒)，即點(diǎn)擊軟件上“注入鹽溶液”圖標(biāo)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次采集時(shí)間約需35-40分鐘。 當(dāng)電腦記錄顯示的曲線在2min內(nèi)覺(jué)察不到變化時(shí)，即認(rèn)為終點(diǎn)已到，點(diǎn)擊“停止”鍵，并立即按“保存數(shù)據(jù)”鍵存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 打開(kāi)“歷史記錄”選擇相應(yīng)的保存文

10、件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可保存或打印。改變條件，即改變循環(huán)比R=03、5,重復(fù)遍步驟。(3)結(jié)束步驟先關(guān)閉自來(lái)水閥門，再依次關(guān)閉流量計(jì)、水泵、電導(dǎo)率儀、總電源；關(guān)閉計(jì)算機(jī)，將儀器復(fù)原。六、數(shù)據(jù)處理以進(jìn)水流量為50升/小時(shí)的附圖為例，取20個(gè)點(diǎn)，計(jì)算管式反應(yīng)器的模型參數(shù)N,由附圖可以直接讀出時(shí)間及電導(dǎo)率的數(shù)值(由于電導(dǎo)率與濃度之間存在線性關(guān)系)，故可以直接對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行復(fù)化辛普森積分，求出平均停留時(shí)間和方差，并以此可以求出模型參數(shù)No用復(fù)化辛普森公式求積分n-4)2%f(Xk)f(b)k=1hn10f(t)dt=hf(a)4"f(xk=06|k=0h=596/10=59.6n=100c(

11、t)dt=k-0912CkC10k2kJ=59.6/60.05+4(0.192857+1.292857+1.735714+1.478571+1.05+0.692857+0.478571+0.292857+0.192857+0.121429)+2(0.692857+1.621429+1.65+1.221429+0.85+0.55+0.364286+0.264286+0.164286)+0.05=446.7162E(t)=C(t)0C(t)dtf=otE(t)dt=h99-|tE0(t)+4£tE(t)+2£tEk(t)+tE1o(t)6_k=okH2y=59.6/60+4(0

12、.013937+0.280282+0.627151+0.747935+0.682898+0.550757+0.449587+0.317447+0.236924+0.166724)+2(0.100138+0.468686+0.715416+0.706125+0.614246+0.476944+0.368548+0.305575+0.213696)+0.072264=241.4354二2hI0tE(t)dt=6t2一2一22E0(t)4%tE1(t)2"tEk(t)tE10(t)k=0k2=59.6/60+4k-0(0.415313+25.05723+93.44547+156.0193+

13、183.1531+180.5382+174.17+141.8987+120.0255+94.39915)+2(5.968204+55.86731+127.9165+168.3403+183.0454+170.5553+153.7582+145.698+114.6264)+43.06952=69246.35仃：=jt2E(t)dt-t2=10955.3f2N=-=5.320811t/sc(t)e(t)tE(t)t*2E(t)00.050.0001210029.80.1928570.0004680.0139370.41531359.60.6928570.001680.1001385.9682048

14、9.41.2928570.0031350.28028225.05723119.21.6214290.0039320.46868655.867311491.7357140.0042090.62715193.44547178.81.650.0040010.715416127.9165208.61.4785710.0035860.747935156.0193238.41.2214290.0029620.706125168.3403268.21.050.0025460.682898183.15312980.850.0020610.614246183.0454327.80.6928570.001680.550757180.5382357.60.550.0013340.476944170.5553387.40.4785710.0011610.449587174.17417.20.3642860.0008830.368548153.75824470.2928570.000710.317447141.8987476.80.2642860.0006410.305575145.698506.60.1928570.0004680.236924120.0255536.40.1642860.0003980.213696114.6264566.20.1214290.0002940.16672494