1、實驗二填充管式反應器液體停留時間分布及流動模型參數的測定一、實驗目的1、觀察和了解連續流動的管式反應器的結構、流程和操作方法。2、掌握一種測定停留時間分布的實驗技術，初步掌握液體連續流過管式反應器的流動 模型的檢驗和模型參數的測定方法。3、通過實驗加深對于停留時間分布與返混的概念，以及有關流動特性教學模型的概念、 原理和研究方法的理解。二、實驗原理流體流經反應器的流動狀況，可以采用激發一一響應技術，通過實驗測定停留時間分布 的方法，以一定的表達方式加以描述。本實驗采用的脈沖激發方法是在設備入口處，向主體 流體瞬時注入少量示蹤劑，與此同時在設備入口處檢測示蹤劑的濃度。隨時間r的變化關 系數據或變

2、化關系曲線。由實驗測得的C (t)-t變化關系曲線可以直接轉換為停留時間分布 密度E(t)t隨時間t的關系曲線，如圖1所示。由實驗測得的E(t)t曲線的圖像，可以定性判斷流體流經反應器的流動狀況。(a)(b)圖1停留時間分布的的實驗曲線由停留時間分布屬于隨機變量的分布，除了用上述直觀圖像加以描述外，通常還可以采 用一些特征數來表征分布的特征。概率論上表征這種分布的數字特征主要是數學期望和方 差。停留時間分布的數學期望，隨機變量的數學期望也就是該變量的平均數。流體流經反應器的停留時間分布的數學期 望的定義式為_ f* tE (t )dt=0 (1)J* E (t )dt 0如果取等時間間隔的離散

3、數據，即A,.為定值，則停留時間的數學期望可按下式計算： tE(t)_i it =寸(2)Ze (t)ii=1本實驗以水為主流流體，氯化鉀飽和溶液為示蹤劑。當水的進出口體積流率恒為vs, 示蹤劑的注入量為no時，則停留時間分布密度與示蹤劑濃度的關系為E (t)=匕 C(t)(3)n0本實驗采用電導率儀測定反應器出口處的示蹤劑濃度，且已知水溶液中電導率與水溶液 中氯化鉀的濃度C (t)呈過原點的線性關系又知電導率儀輸出的電壓顯示值U (t)呈線性關系， 則通流時間分布密度E (t)與電壓顯示值U (t)存在如下關系：U E (t) Mr C (t) = KU (t)(4)n0式中K為換算系數在一

4、定測試條件下為一常數。由此，可將是(2)經過變換，停留時間分布的數學期望由可按下式計算：tu (t)_i it = (5)頊(t)ii =1如果流體流經反應器無密度變化，即體積流率vs為恒定值，且反應器經出口無返混， 則可按下式計算平均應留時間，:(6)式中ve為反應器的固體填充層總自由體積，為固體填充層的空隙率，V為反應器的固體填充層總堆積體積。停留時間分布的方差， 2t停留時間分布的方差是反映流體流經反應器時，停留時間分布的離散程度，亦其返混程 度大小的特征數。停留時間分布方差的定義式為(t -1 )2E(t)dtt 0 f* E(t)dt 一0經整理后又可得：。2 = f * 12E(t

5、)dt -1(8)如果采集等時間間隔的離散數據，則。2可按下式計算：t2E(t )i i C 2 = -4 t 2ii=1按照上述相同原由，本實驗中方差值可按下式計算:t 2U (t )i i C 2 = -i= t 2t & (t)ii=1以無因次時間為時標的數字特征無因次時間。的定義式為0 = t /1以無因次時間為變量的數學期望0 = f-OE (0 )d0(10)(11)(12)0以無因次時間為變量的方差=f- (O O )2 E (O )dO 0(13)(14)=f-O 2 E (O )dO 1C 2與C2兩者之間存在如下關系O tC； =C2 /1流動模型與模型參數連續流動管式反應

6、器的理想流動模型的檢驗，或非理想流動反應器偏離理想流動模型的 程度，一般常采用多級全混流模型來模擬實際過程。該模型為單參數模型，模型參數為虛擬 的串聯級數N。由多級全混流反應器的物料衡算可導出其停留時間分布密度的數學表達式，即(15)E(t) = 一1一 -N -(竺)n1 . e -Nt /1(N 1)! t t聯立和(14)兩式求解可得模型參數N = t 2 / C 2(16)或N = 1/C：(17)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。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值來定量表征返混程度

7、。三、實驗儀器裝置本實驗裝置由管式反應器而成。裝置中還配有電導率儀、信號放大器與A/D轉換器、 轉速調節與測量儀，其裝置流程如圖2所示。圖2填充管式反應器液體停留時間分布測定實驗裝置與流程1.供水系統；2,轉子流量計；3,排氣口； 4,示蹤劑注入口；5,液面視鏡；6.反應器；7.電導池；8.數字電導率儀四、實驗要求1、要求學生自己查閱有關管式反應器停留時間分布與流動模型參數測定的方法；2、要求學生能適當了解一些科研過程，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能 力；3、要求學生能獨立操作每一個實驗步驟，了解和掌握其相關的原理，培養學生熟練的 試驗操作。五、實驗內容實驗前的準備工作打開進水閥，排

8、盡管線內的氣體。按實驗計劃調節水的流量，流量一般可在30-60lh -范圍內調節。啟動電路控制器、電導率儀，并調好數據采集程序。調節和校正電導率儀，直至屏 幕上顯示的電壓值穩定。a)測定停留時間分布用注射器將適量示蹤劑(KCl飽和溶液)迅速由釜頂的注入口注入釜內。同時，在電導 率記錄儀上按下數據采集指令鍵。示蹤劑注入量應與主體流體的流量相適應，以屏幕上顯示 最高電壓值不超過450mV為度(一般2.5ml左右)。當采集的電壓值再次重復出現初值時，按下終止采集數據的指令鍵，終止采集。將采 集的數據付于文件名存入機內待用。若欲改變操作條件（如改變水的流量）則可按上述實驗步驟重復實驗。b）實驗結束工作

9、（1）先關閉電導率記錄儀，最后關閉電路控制器的電源開關。（2）先關閉進水調節閥，將管內液體全部排盡。六、實驗報告要求1、每人一份實驗報告；2、嚴格按照試驗步驟注意記錄試驗數據，分析試驗結果，計算停留時間的主要數字特 征和模型參數；3、指出試驗過程中存在的問難，并提出相應的改進方法。七、思考題1、加入示蹤劑時有哪些注意事項？2、本實驗中影響模型參數的主要因素有哪些？八、實驗注意事項1、實驗過程中，要保持水的流量穩定。2、實驗過程中，要保持操作條件恒定和測試儀器性能穩定。每次實驗前，需檢查校正電 導率儀指針的零點和滿量程；保持電極插頭潔凈，用前最好用丙酮擦拭干凈；防止電極上氣 泡的形成，一旦有氣泡

10、必須及時清除（放水控干），否則會影響測量的準確性和穩定性，以 致造成實驗的失敗。實驗數據1.記錄實驗設備與操作基本參數（1）實驗設備參數管的直徑：D=mm高度：H=mm高 徑 比：H/D =mm（2）操作參數料液高度：h =mm有效容積：V =m2主流流體（水）的體積流率：VSO =m3 s -示蹤劑（KCl的飽和溶液）注入量：匕=ml實驗數據采集頻率：f =次/秒操作溫度：T =C操作壓力：P =MPa2.參考下列表格記錄實驗數據采集的數據序號數據采集累計數n /次電壓值U (n) /mV初始電壓U0=mV； 起峰電壓Ur =mV；最高電壓Umax =mV。參考下列步驟整理實驗數據。(2)由上列實驗數據計算停留時間的主要數字特征和模型參數。