串聯流動反應器停留時間分布的測定
一)實驗目的
1.通過實驗了解:利用電導率測定停留時間分布的基本原理和實驗方法。
2.掌握停留時間分布的統計特征值的計算方法.
3.學會用理想反應器串聯模型來描述實驗系統的流動特性。
4.了解微機系統數據采集的方法。
二)實驗原理
本實驗停留時間分布測定所采用的主要是示蹤響應法。它的原理是:在反應器入口用電磁閥控制的方式加入一定量的示蹤劑KNO3,通過電導率儀測量反應器出口處水溶液電導率的變化,間接的描述反應器流體的停留時間。常用的示蹤劑加入方式有脈沖輸入,階躍輸入和周期輸入等。本實驗選用脈沖輸入法。脈沖輸入法是在較短的時間內(0.1~1.0秒),向設備內一次注入一定量的示蹤劑,同時開始計時并不斷分析出口示蹤物料的濃度c(t)隨時間的變化。由概率論知識,概率分布密度E(t)就是系統的停留時間分布密度函數。因此,E(t)dt就代表了流體粒子在反應器內停留時間介于t-dt間的概率。
在反應器出口處測得的示蹤計濃度c(t)于時間t的關系曲線叫響應曲線。由響應曲線可以計算出E(t)與時間t的關系,并繪出E(t)-t關系曲線。計算方法是對反應器作示蹤劑的物料衡算,即
式中Q表示主流體的流量,m為示蹤劑的加入量,示蹤劑的加入量可以用下式計算
在Q值不變的情況下,由(1)式和(2)式求出
關于停留時間分布的另一個統計函數是停留時間分布函數F(t),即
用停留時間分布密度函數E(t)和停留時間分布函數F(t)來描述系統的停留時間,給出了很好的統計分布規律。但是為了比較不同停留時間分布之間的差異,還需引進兩個統計特征,即數學期望和方差。數學期望對停留時間分布而言就是平均停留時間 ,即
方差是和理想反應器模型關系密切的參數。它的定義是:
對活塞流反應器=0;而對全混流反應器;的 來計算。
當N為整數時代表該非理想流動反應器可用N個等體積的全混流反應器的串聯來建立模型當N為非整數時。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器串聯模型。
(三)裝置、流程及試劑
反應器為有機玻璃制成的攪拌釜。其有效容積為1000ml。攪拌方式為葉輪攪拌。流程中配有四個這樣的攪拌釜。示蹤劑是通過一個電 磁閥瞬時注入反應器。示蹤劑KCl 在不同時刻濃度c(t)的檢測通過電導率儀完成。
電導率儀的傳感為鉑電極,當含有KCI的水溶液通過安裝在釜內液相出口處鉑電極時,電導率儀將濃度c(t)轉化為毫伏級的直流電壓信號,該信號經放大器與A/D轉機卡處理后,由模擬信號轉換為數字信號。該代表濃度c(t)的數字信號在微機內用預先輸入的程序進行數據處理并計算出每釜平均停留時間和方差以及N后,由打印機輸出。