停留时间分布综合实验-化工1001班第四小组

第1页共31页停留时间分布综合实验报告指导老师：刘秀军实验成员：王刚罗丹叶佳义王凯王静邓超超实验地点：实训中心D310试验时间：2013.10.14-10.18第2页共31页一、实验目的1.掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布及数据处理方法；2.了解和掌握停留时间分布函数的基本原理；3.了解停留时间分布与模型参数的关系；4.了解多级混本实验通过单釜、多釜及管式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和釜、管式反应器特性；5.了解和掌握模型参数N的物理意义及计算方法。二、实验原理在连续流动反应器中，由于反应物料的返混以及在反应器内出现的层流，死角，短路等现象，使得反应物料在反应器中的停留时间有长有短，即形成停留时间分布，影响反应进程和最终结果。测定物料的停留时间分布是描述物料在反应器内的流动特性和进行反应器设计计算的内容之一。停留时间分布可以用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来表示，这两种概率分布之间存在着对应关系，本实验只是用冲脉示踪法来测定E(t)，利用其对应关系也可以求出F(t)来。函数E(t)的定义是：在某一瞬间加入系统一定量示踪物料，该物料中各流体粒子将经过不同的停留时间后依次流出，而停留时间在[t，t+dt]间的物料占全部示踪物料的分率为E(t)dt。根据定义，E(t)有归一化性质：00.1)(dttE(1)E(t)可以用其他量表示为)()/()(0tcMQtE(2)其中：Q0主流体体积流量，M为示踪物量，c(t)为t时刻流出的示踪剂浓度。对停留时间分布密度函数E(t)有两个重要概念，数学期望_t和方差2t，它们分别定义为E(t)对原点的一次矩和二次矩。当实验数据的数量大，且所获样品是瞬间样品，即相应于某时刻t下的样品，则：NiiAiNiiAiiNiiiNiiiitctctttEttEtt1111)()((3)第3页共31页211221122ttctcttt)t(Et)t(EtNiiAiNiiAiiNiiiNiiiit(4)式中△ti是两次取样时间，若等时间间隔取样，2112211tcctccttNiAiNiAiitNiAiNiAii(5)对恒容稳定流动系统有：0vVtR(6)为了使用方便，常用对比时间t来代换t，经这样变换后，有以下关系：)()(tEE(7)222t(8)对全混流12，对活塞流02，对一般情况102。用无因次2来评价反应器内的流动状态比较方便，一般可将实际反应器当做多级串联釜式反应器加以描述，并认为每级为全混流反应釜，各级存料量相等，级间无返混。对多级全混釜有（N为串联全混釜的个数）：21N(9)三、实验仪器、设备和试剂釜式反应器(两个)、管式反应器、水泵、转子流量计，阀门，管线若干，电导率仪三台，分析天平；KCl。四、实验装置原理图31011616142487512913第4页共31页1-水槽；2－磁力泵；3－调节阀；4－三通阀；5－注射器；6、10、11、16－球阀；7、8－反应釜；9、12、13－电导率仪；14－转子流量计；15－废液槽五、实验内容时间实验内容2013.10.14上午依照实验讲义自行设计组装实验装置下午调试实验装置，对不足之处进行改进2013.10.16上午选取水的流量Q=2L/h,将平均停留时间保持在10-20min，注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml，记录单釜不同时间的电导率值下午选取水的流量Q=2L/h,将平均停留时间保持在10-20min，先注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml,记录单釜在不同时间的电导率值，隔一段时间，再次注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml，记录单釜在不同时间的电导率值2013.10.17上午两釜串联，选定水的流量Q=4L/h，转子的转速取适当小。将平均停留时间保持在10-20min，注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml,记录单釜在不同时间的电导率值下午两釜串联，选定水的流量Q=4L/h，转子的转速取适当大。将平均停留时间保持在10-20min，注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml,记录单釜在不同时间的电导率值2013.10.18上午两釜并联：1.选定水的流量Q=4L/h，转子的转速取适当大。将平均停留时间保持在10-20min，注入饱和KCl溶液示踪剂2ml,记录单釜在不同时间的电导率值，2.保持1中水的流量不变，调小转子的转速，在进行一次记录下午3.保持2中转子的转速不变，将水的流量调为Q=6L/h，在进行一次记录。管式测量：选定水的流量Q=4L/h，将平均停留时间保持在10-20min，注入饱和KCl溶液示踪剂1.5ml,记录管中在不同时间的电导率值六、数据处理：将所得结果分成若干段，每段时间间隔相同，将实验结果整理并计算平均停留时间，无因次方差，用多釜串联模型回归模型参数N。公式的换算：当实验数据的数量大，且所获样品是瞬间样品，即相应于某时刻T下的样品，则：NiiAiNiiAiiNiiiNiiiiTCTcTTTETTETT1111)()((1)211221122)()(TTCTCTTTTETTETNiiAiNiiAiiNiiiNiiiit(2)115第5页共31页式中△ti是两次取样时间，若等时间间隔取样，2112211TCCTCCTTNiAiNiAiiTNiAiNiAii(3)对恒容稳定流动系统有：0vVTR(4)为了使用方便，常用对比时间T来代换T，经这样变换后，有以下关系：)()(TEE(5)222T(6)对全混流12，对活塞流02，对一般情况102。用无因次2来评价反应器内的流动状态比较方便，一般可将实际反应器当做多级串联釜式反应器加以描述，并认为每级为全混流反应釜，各级存料量相等，级间无返混。对多级全混釜有（N为串联全混釜的个数）：TTN/122(7)1.标准组实验数据及处理：由数据做c~κ图：质量浓度电导率κ(μS/cm)WC/(mmol/L)1/6%31500.16671666.66671/12%18530.0833833.33331/24%11880.0417416.66671/48%8540.0208208.33331/96%6870.0104104.16671/192%6000.005252.08331/384%5560.002626.04171/718%5380.001413.9276第6页共31页-200020040060080010001200140016001800500100015002000250030003500YAxisTitleXAxisTitleB由图得出：A=521.3514B=1.58232.单釜实验数据处理（1）单釜单峰实验条件：Q=2L/h饱和KCl溶液示踪剂V=1.5ml时间t/min电导率κ/μSc(t)/(g/m³)tc(t)/[min(g/m³)]t²c(t)/[min²(g/m³)]0518-1.900.000.000.557433.5016.758.371928257.22257.22257.221.51234450.61675.911013.8721387547.301094.612189.222.51415565.001412.503531.2531401556.151668.465005.373.51378541.621895.666634.8041353525.822103.278413.074.51327509.392292.2310315.0551301492.952464.7712323.835.51276477.152624.3414433.8961248459.462756.7516540.486.51223443.662883.7818744.5571199428.492999.4320996.027.51173412.063090.4423178.2881149396.893175.1225401.008.51120378.563217.7827351.1791104368.453316.0629844.539.51081353.923362.1931940.85101059340.013400.1134001.14第7页共31页10.51041328.643450.6736232.07111021316.003475.9538235.4811.51003304.623503.1340285.9812986293.883526.5142318.1412.5970283.763547.0544338.1513953273.023549.2646140.4313.5935261.643532.2047684.7014920252.163530.3049424.2614.5905242.683518.9351024.4615900239.523592.8753893.0715.5877224.993487.3354053.5916833197.183154.9050478.4216.5814185.173055.3650413.4817797174.432965.3050410.1617.5786167.482930.8651290.0518777161.792912.2252419.9018.5768156.102887.8853425.8719758149.782845.8654071.2919.5750144.732822.1655032.0720734134.612692.2853845.6720.5719125.132565.2552587.6921705116.292442.0151282.3121.5692108.072323.5249955.6022682101.752238.5149247.302367295.432194.9150482.842466289.112138.6651327.812565383.422085.5752139.292664477.732021.1152548.822763672.681962.3352983.002862867.621893.4553016.492962062.571814.4552618.973061257.511725.3451760.103160452.461626.1150409.533259748.031537.0049184.103359043.611439.0447488.473458339.181332.2445296.093557634.761216.5842580.423656930.341092.0839314.923756225.91958.7335473.053855622.12840.5531940.85根据实验数据作反应釜的t-c(t)图、作t-tc(t)图、作t-t2c(t)图第8页共31页t-c(t)图图形积分面积S1=7657.1975t-tc(t)图图形积分面积S2=85646.3475t-t2c(t)图图形积分面积S3=1490010则00)()(tdttcdtttc12SS19.111975.76573475.8564620022t)()(tdttcdttct213tSS37.6919.11-1975.765714900102222t1tN805.137.6919.112≈2(2)单釜双峰实验条件：流量Q=2L/h，饱和KCl溶液示踪剂V=1.5ml时间t/min电导率κ/μSc(t)/(g/m³)tc(t)/[min(g/m³)]t²c(t)/[min²(g/m³)]0516-3.160.000.000.5651