实验05 脉冲示踪法测定基本反应器的停留时间分布.pdf

实验七 脉冲示踪法测定基本反应器的停留时间分布 一、概述 停留时间分布(Residence Time Distribution，简称 RTD)是化学反应工程的—个重要概 念，运用停留时间分布可以观测设备内流体的流动情况，讨论返混对化学反应的影响， 为选择反应器的操作方式提供理论依据，以及通过停留时间分布预计反应可能达到的最 终结果等等。 不同类型的反应器具有不同的停留时间分布，而同一反应器，采用不同的操作方法， 也具有不同的停留时间分布，亦即，停留时间分开可以用以判别一个实际反应器与理想 反应器的偏离程度。 二、实验目的 1．通过对活塞流管式反应器(PFR)和连续搅拌釜式反应器(CSTR)内物料停留时间分 的形象观察，以掌握其流动特征； 2．通过对两种基本反应器停留时间分布的测定，掌握脉冲法测定停留时间分布的方 法； 3.通过物料在两种反应器中停留时间分布密度函数的对比，加深对上述两种反应器 的了解，为选择反应器的类型和解决化工生产中的复杂问题提供理论指导。 三、实验原理 在生产规模连续操作的反应器内，反应温度、浓度以及反应时间等条件产生的不均 匀性，主要是由于物料在反应器内的流动状况所引起，同时反应器内的传热和传质情况 也与物料在反应器内的流动状况有关。 物料在反应器中的流动状况，最典型的可以归纳为两类：即理想置换(又称活塞流、 平推流、理想排挤等)和理想混合(又称全混流和完全混和)。所谓活塞流，是指反应物料 所有质点以相同的速度和一致的方向向前推移，在反应器的同一截面上各处的流速完全 相等的流动状况，其特征是所有物料粒子在反应器中的停留时间都是相同的，不存在先 进入的粒子与后进入粒子相混合的返混(逆向混合)。所谓全混流，则是指刚进入反应器 的新鲜物料粒子与已存留在反应器中的物料粒子之间的完全混合的流动状况，其特征是 在整个反应器内各处物料粒子的浓度和温度完全相同，且等于反应器出口处的物料粒子 的浓度和温度，在这种情况下，返混达到了最大限度。 上述两种情况，一种是完全不存在返混，一种是返混达到最大程度，它们代表了两 种极端情况的理想流动状况。而实际反应器的流况，一般介于上述两种理想流动状况之 间，统称为非理想流动。 判断物料在反应器内的流动状况，主要是用实验的方法测定物料粒子在反应器的停 留时间分布状况，并整理成停留时间分布函数的形式加以数学描述。 81 物料在反应器中的停留时间分布性质，完全是一个随机过程，服从统计规律。根据 概率理论，可以籍用两种概率分布以定量地描述。这两种概率分布分别为停留时间分布 密度函数和停留时间分布函数。 目前，测定物料在反应器内停留时间分布的一般方法，基本上都是采用激发——响 应技术，即在反应器入口处输入一个信号，然后分析出口处信息的变化，从而掌握设备 的某些特性。 脉冲法测定停留时间分布是在反应器处于定态流动条件下，选一合适的示踪物质， 在反应器入口处以脉冲方式注入，再用专门的分析测定手段测定反应器内不同时刻流出 物料中示踪剂的变化，经处理即可得到停留时间分布密度函数或停留时间分布函数。 本实验是在活塞流管式反应器(PFR)和连续搅拌釜式反应器(CSTR)中以水为工作流 体，用已着红色的 KCl 溶液为示踪剂，一来便于观察，二来可以用电导率仪测定溶液电 导率的变化，从而表征 KCl 溶液浓度的变化。这是由于 KCl 是强电解质，可以认为在中 等浓度条件下是完全电离的，且不发生水解、缔合等干扰电导率的一种盐类。它在水溶 液中的电导率(κ)直接与其浓度(c)成正比，故只要测得溶液的电导率即可代表或求得其 含量。 -1 若输入示踪剂KCl的总量为M0g，进料(水)的体积流量为qV ml·s ，反应器出口物料 中示踪剂KCl的浓度为c (t)g·ml-1　(注意：从示踪剂注入时开始计时，并不断记录电导 率随时间而变化的数值)，则自示踪剂注入时起，经过t到t+dt时间间隔从出口物料中流出 的示踪剂占示踪剂总量的分率为 ? dN ? 在t → dt时间流出的示踪剂质量 q ? c(t) ?dt ? ? =