综合实验——停留时间分布综合实验报告

第1页共76页停留时间分布综合实验报告第2页共76页停留时间分布综合实验一、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：0.1`)(0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，它第3页共76页们分别定义为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)211221122)()(ttctcttttEttEtNiiAiNiiAiiNiiiNiiiit(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)第4页共76页三、实验仪器、设备和试剂实验仪器与设备：釜式反应器(两个)、管式反应器（一个）、水泵（一个）、转子流量计，阀门，管线若干，电导率仪三台，分析天平；实验试剂：饱和KCl溶液。四、实验装置原理图五、实验安排5.1实验内容1、安装实验装置。2、测定不同浓度下KCl电导率的标准曲线（最大值为2mS）。计算对示踪剂注入量，并根据反应器体积计算KCl溶液的浓度范围是否在可测量范围。3、选择合适的流量，将平均停留时间保持在10－20min，注入适量的示踪剂，测定单釜不同时间的电导率值，绘制单釜停留时间与电导关系曲线，计算停留时间分布函数及停留时间分布密度函数。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－废液槽第5页共76页4、选择合适流量，将平均停留时间保持在10－20min，注入适量的示踪剂，测定两釜并联条件下的电导率值，计算并绘制单釜及两釜并联的停留时间与电导关系曲线，计算停留时间分布函数及停留时间分布密度函数。5、按4进行两釜串联实验。6、测定釜式、管式反应器串联的停留时间分布曲线，并计算停留时间分布函数及密度分布函数。7、大型智能仪器的操作使用，用其测量釜式反应器串联的停留时间分布曲线，并计算停留时间分布函数及密度分布函数。5.2实验安排时间实验内容2015.11.2上午指导老师讲解实验原理，安排实验时间，自行组装实验装置；单釜不转，水流量Q=4L/h,平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml，记录单釜不同时间的电导率值；下午单釜中转，水流量Q=4、6L/h,平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml，分别记录单釜不同时间的电导率值；2013.11.3上午休息下午单釜、中转，水流量Q=8L/h,平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml,记录单釜在不同时间的电导率值；双釜串联、双釜都不转，水流量Q=4L/h平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml,记录双釜串联在不同时间的电导率值；2013.11.4上午两釜串联、一釜中转，一釜大转，水流量Q=2、4、6L/h，平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml,记录双釜串联在不同时间的电导率值；下午两釜并联、一釜中转，一釜大转，水流量Q=2、4、6L/h，和两釜不转，水流量Q=4L/h平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml,记录双釜并联在不同时间的电导率值；2015.上休息第6页共76页11.5午下午管釜串联，釜式反应器转速中等。选定水的流量Q=4和6L/h。将平均停留时间保持在20-40min，注入饱和KCl溶液示踪剂2.0ml,记录管釜串联在不同时间的电导率值2015.11.6上午真实设备测量电导率确定停留时间下午处理实验报告六、数据处理6.1KCl电导率的标准曲线电导率(uS/cm)14.9473.9147717.814132767666812900浓度(mol/L)0.00010.00050.0010.0050.010.020.050.1由origin作图，可得到如下：第7页共76页-10000100020003000400050006000700080009000100001100012000130000.000.020.040.060.080.10concentration(mol/L)conductivity(S/cm)经过线性模拟，我们得到其电导率和浓度之间是线性关系，其相关的数值如下表：从上表中，我们不难发现，电导率和浓度之间的关系的线性关系很强，得到：6-4-1073831.7106863.5-YKCl浓度与电导率的关系：6.2单釜、不转、流量Q=4L/h时间(s)电导率(µS/cm)浓度(mol/L)tc(t)[s(mol/L)]t²c(t)[s²(mol/L)]02700.0015207140052700.0015207140.0076035690.038018102700.0015207140.0152071370.152071153680.0022790680.0341860210.512790204060.0025731240.0514624771.029250253970.0025034790.0625869771.564674第8页共76页303830.0023951430.0718542822.155628354130.0026272920.0919552213.218433404410.0028439650.1137585884.550344454450.0028749180.1293713085.821709504450.0028749180.1437458987.187295554670.0030451610.1674838429.211611604610.0029987310.17992385510.795431654630.0030142080.19592348912.735027704800.0031457590.22020311615.414218754880.0032076650.24057489618.043117804790.0031380200.25104163920.083331854680.0030528990.25949642222.057196904650.0030296840.27267157424.540442954760.0031148060.29590652828.1111201004700.0030683760.30683757030.6837571054690.0030606370.32136692633.7435271104630.0030142080.33156282836.4719111154660.0030374220.34930358340.1699121204590.0029832540.35799051542.9588621254600.0029909930.37387407546.7342591304540.0029445630.38279315649.7631101354640.0030219460.40796268855.0749631404630.0030142080.42198905459.0784681454650.0030296840.43930420263.6991091504740.0030993290.46489934169.7349011554890.0032154040.49838755677.2500711604830.0031689740.50703579781.125727第9页共76页1654720.0030838520.50883563383.9578791704840.0031767120.54004104791.8069781754770.0031225440.54644517795.6279061804630.0030142080.54255735597.6603241854820.0031612350.584828553108.1932821904790.0031380200.596223893113.2825401954700.0030683760.598333262116.6749862004660.0030374220.607484492121.4968982054620.0030064690.616326190126.3468692104550.0029523010.619983221130.1964762154690.0030606370.658037039141.4779632204640.0030219460.664828085146.2621792254720.0030838520.693866772156.1200242304820.0031612350.727084147167.2293542354730.0030915910.726523798170.7330932404620.0030064690.721552613173.1726272454690.0030606370.749856161183.7147592504710.0030761140.769028503192.2571262554670.0030451610.776515996198.0115792604810.0031534970.819909249213.1764052654670.0030451610.806967604213.8464152704630.0030142080.813836033219.7357292754580.0029755160.818266895225.0233962804530.0029368240.822310840230.2470352854600.0029909930.852432891242.9433742904610.0029987310.869631964252