1、實(shí)驗(yàn)八停留時(shí)間分布的測(cè)定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饫秒妼?dǎo)率測(cè)定停留時(shí)間分布的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法;掌握停留時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)特征值的計(jì)算方法;了解學(xué)會(huì)用理想反應(yīng)器串聯(lián)模型來(lái)描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流動(dòng)特性。二、實(shí)驗(yàn)原理停留時(shí)間分布測(cè)定所采用的方法主要是示蹤響應(yīng)法。它的基本思路是：在反應(yīng)器入口以 定的方式加入示蹤劑，然后通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器出口處示蹤劑濃度的變化，間接地描述反應(yīng)器內(nèi)流體的停留時(shí)間。常用的示蹤劑加入的方式有脈沖輸入、階躍輸入和周期輸入等。本實(shí)驗(yàn) 選用的是脈沖輸入法。脈沖輸入法是在極短的時(shí)間內(nèi)，將示蹤劑從系統(tǒng)的入口處注入主體流，在不影響主流 體原有流動(dòng)特性的情況下隨之進(jìn)入反應(yīng)器。與此同時(shí)，在反應(yīng)器出口檢測(cè)示蹤劑濃度

2、c(t )隨 時(shí)間的變化。整個(gè)過(guò)程可以用圖1形象地描述。示蹤劑檢測(cè) 示蹤劑加入Q *8*Q(a)脈沖輸入法(b)脈沖輸入(c) 出口響應(yīng)圖1脈沖法測(cè)停留時(shí)間分布脈沖輸入法測(cè)得的停留時(shí)間分布代表了物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布密度即E(t)。 若加入示蹤劑后混合流體的流率為Q，出口處示蹤劑濃度為C (t)，在dt時(shí)間里示蹤劑的 流出量為Qc(t)dt，由E(t)定義知E(t)dt是出口物料中停留時(shí)間在t與t+dt之間示蹤劑所占分 率，若在反應(yīng)器入口加入示蹤劑總量為m對(duì)反應(yīng)器出口作示蹤劑的物料衡算，即(1)成=mE()dt示蹤劑的加入量可以用下式計(jì)算(2)在Q值不變的情況下，由(1)式和(2)式求出

3、:(3)(4)關(guān)于停留時(shí)間的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)是停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)，即 典)=E(fydt用停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)和停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)來(lái)描述系統(tǒng)的停留時(shí)間，給出了 很好的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。但是為了比較不同停留時(shí)間分布之間的差異，還需要引入另外兩個(gè)統(tǒng) 計(jì)特征值，即數(shù)學(xué)期望和方差。數(shù)學(xué)期望對(duì)停留時(shí)間分布而言就是平均停留時(shí)間匚即(5)明同方差是和理想反應(yīng)器模型關(guān)系密切的參數(shù)，它的定義是:(6)若采用無(wú)因次方差氣則有言= 2/1 2對(duì)活塞流反應(yīng)器言=,而對(duì)全混流反應(yīng)器言=1；對(duì)介于上述兩種理想反應(yīng)器之間的非理想反應(yīng)器可以用多釜串聯(lián)模型描述。多釜串b 2 聯(lián)模型中的模型參數(shù)N可以由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4、得到的。來(lái)計(jì)算。(7)當(dāng)N為整數(shù)時(shí)，代表該非理想流動(dòng)反應(yīng)器可以用N個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器的串聯(lián)來(lái)建 立模型。當(dāng)N為非整數(shù)時(shí)，可以用四舍五入的方法近似處理，也可以用不等體積的全混流反 應(yīng)器串聯(lián)模型。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，使用方便，安全可靠。本裝置設(shè)備緊湊，功能齊全。四、裝置、流程及試劑圖2停留時(shí)間分布裝置圖反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成的攪拌釜。其有效容積為1000ml。攪拌方式為葉輪攪拌。流程 中配有四個(gè)這樣的攪拌釜。示蹤劑是通過(guò)一個(gè)電磁閥瞬時(shí)注入反應(yīng)器。示蹤劑KCl在不同 時(shí)刻濃度c(t)的檢測(cè)通過(guò)電導(dǎo)率儀完成。圖3數(shù)據(jù)采集原理方框圖電導(dǎo)率儀的傳感為鉑電極，當(dāng)含有KCl的水溶

5、液通過(guò)安裝在釜內(nèi)液相出口處鉑電極時(shí)， 電導(dǎo)率儀將濃度c(t)轉(zhuǎn)化為毫伏級(jí)的直流電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大器與A / D轉(zhuǎn)機(jī)卡處理后， 由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該代表濃度c(t)的數(shù)字信號(hào)在微機(jī)內(nèi)用預(yù)先輸入的程序進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理并計(jì)算出每釜平均停留時(shí)間和方差以及N后，由打印機(jī)輸出。五、實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備工作：在室溫下，配KCl飽和溶液500ml，取100 ml從釜中拆下電極頭，然后把電極頭 分別插入KCl飽和溶液，把電導(dǎo)儀打到校正檔調(diào)滿刻度，進(jìn)行電極校正，然后裝好電極。把料液槽中加滿水，打開泵進(jìn)口處閥門，關(guān)閉流量計(jì)閥門，檢查各閥門開關(guān)狀況， 調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ?lián)實(shí)驗(yàn)將三釜串聯(lián)的開關(guān)打開，大釜開關(guān)關(guān)閉

6、，管式反應(yīng)器開關(guān)關(guān)閉，將示蹤劑加料的三 通閥調(diào)整到三釜的位置，打開泵回流開關(guān)。打開總電源開關(guān)，并打開泵開關(guān)，緩緩打開流量計(jì)調(diào)節(jié)閥，調(diào)到適當(dāng)?shù)牧髁课恢?若 流量偏小可適當(dāng)關(guān)閉泵回流閥)。緩緩調(diào)節(jié)各釜頂部放空閥，讓水充滿釜，打開攪拌開關(guān)，調(diào)節(jié)攪拌速率到適當(dāng)位置。打開加示蹤劑開關(guān)，以驅(qū)趕管路中的氣體調(diào)整到恰好沒(méi)有氣泡混入釜中為最佳，關(guān)閉 加示蹤劑開關(guān)，運(yùn)行15min。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，用注射器迅速注入示蹤劑，在記錄紙上作起始標(biāo)記。當(dāng)記錄儀上顯示的濃度在2min內(nèi)覺(jué)察不到變化時(shí)，即認(rèn)為終點(diǎn)己到。3實(shí)驗(yàn)結(jié)束實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉攪拌開關(guān)、泵開關(guān)，關(guān)上總電源開關(guān)，清洗示蹤劑加料槽中的KCl 溶液，放出釜內(nèi)液體(有必要

7、的話活化電極)。可把三釜串聯(lián)開關(guān)關(guān)閉，打開大釜開關(guān)，將示蹤劑加料閥調(diào)到大釜位置按上述操作 進(jìn)行大釜試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)與小釜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。六、數(shù)據(jù)處理序號(hào)時(shí)間/s電導(dǎo)率 1/uscm-1 c1(t)/mol-l-1 電導(dǎo)率 2/us-cm-1 c2(t)/moll-1電導(dǎo)率 3/us-cm-1 c3(t)/mol-l1134七、結(jié)果討論將各個(gè)時(shí)刻所記錄的電導(dǎo)率值，根據(jù)對(duì)應(yīng)溫度下的電導(dǎo)率和濃度關(guān)系：在25OC時(shí) c(t) = 7.396xk x 10-6 -4.50 x 10-4，計(jì)算出相應(yīng)的c(t)值，并根據(jù)公式E(t) = ?也計(jì)算m出各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的E(t)值。以E(t)為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)，標(biāo)繪出

8、E(t)t曲線。-叩(ti)一艾=用映頊 根據(jù)t = p，計(jì)算t值。e (t)i i=1&(t )t2i i -4.計(jì)算b 2的值。t=-i=1，E9t )ii=15-根據(jù)%干,計(jì)算b2值。六.思考題測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)的方法有哪幾種？本實(shí)驗(yàn)采用的是哪種方法?停留時(shí)間分布函數(shù)與停留時(shí)間分布函數(shù)有哪些性質(zhì)？二者有何關(guān)系?模型參數(shù)N與實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)有何不同？為什么？脈沖法、階躍法、周期示蹤法和隨機(jī)輸入示蹤法。本實(shí)驗(yàn)采用脈沖示蹤法。停留時(shí)間分布密度函數(shù)：在穩(wěn)定連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的N個(gè)流體粒子中，dN 一=E(t)dt, E(t)其停留時(shí)間為tt+dt的那部分粒子占總粒子數(shù)N的分率記作：N依此定E(t、j8 E (t )dt = 1.0義E(t)函數(shù)具有歸一化的性質(zhì)：0停留時(shí)間分布函數(shù)在穩(wěn)定連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的N個(gè)流體粒子中，其停F (t) = j T , F (t)留時(shí)間小于t的那部分粒子占總粒子數(shù)N的分率記作：0 NE(t), F(t) 之間的關(guān)系lE (t) dt 0F (t) = j tdN = 0 NE(t)=穿 dt以及t = 8 nF(s) =E(t)dt = 1.00.3.