综合实验停留时间分布综合实验报告.docx
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综合实验停留时间分布综合实验报告
停留时间分布综合实验报告
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:
(1)
E(t)可以用其他量表示为
(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
和方差
,它们分别定义为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:
(3)
(4)
式中△ti是两次取样时间,若等时间间隔取样,
(5)
对恒容稳定流动系统有:
(6)
为了使用方便,常用对比时间
来代换t,经这样变换后,有以下关系:
(7)
(8)
对全混流
,对活塞流
,对一般情况
。
用无因次
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):
(9)
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
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
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。
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;
2015.11.5
上午
休息
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)
14.94
73.9
147
717.8
1413
2767
6668
12900
浓度(mol/L)
0.0001
0.0005
0.001
0.005
0.01
0.02
0.05
0.1
由origin作图,可得到如下:
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:
6.2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)]
0
270
0.001520714
0
0
5
270
0.001520714
0.007603569
0.038018
10
270
0.001520714
0.152071
15
368
0.002279068
0.512790
20
406
0.002573124
1.029250
25
397
0.002503479
1.564674
30
383
0.002395143
2.155628
35
413
0.002627292
3.218433
40
441
0.002843965
4.550344
45
445
0.002874918
5.821709
50
445
0.002874918
7.187295
55
467
0.003045161
9.211611
60
461
0.002998731
10.795431
65
463
0.003014208
12.735027
70
480
0.003145759
15.414218
75
488
0.003207665
18.043117
80
479
0.003138020
20.083331
85
468
0.003052899
22.057196
90
465
0.003029684
24.540442
95
476
0.003114806
28.111120
100
470
0.003068376
30.683757
105
469
0.003060637
33.743527
110
463
0.003014208
36.471911
115
466
0.003037422
40.169912
120
459
0.002983254
42.958862
125
460
0.002990993
46.734259
130
454
0.002944563
49.763110
135
464
0.003021946
55.074963
140
463
0.003014208
59.078468
145
465
0.003029684
63.699109
150
474
0.003099329
69.734901
155
489
0.003215404
77.250071
160
483
0.003168974
81.125727
165
472
0.003083852
83.957879
170
484
0.003176712
91.806978
175
477
0.003122544
95.627906
180
463
0.003014208
97.660324
185
482
0.003161235
108.193282
190
479
0.003138020
113.282540
195
470
0.003068376
116.674986
200
466
0.003037422
121.496898
205
462
0.003006469
126.346869
210
455
0.002952301
130.196476
215
469
0.003060637
141.477963
220
464
0.003021946
146.262179
225
472
0.003083852
156.120024
230
482
0.003161235
167.229354
235
473
0.003091591
170.733093
240
462
0.003006469
173.172627
245
469
0.003060637
183.714759
250
471
0.003076114
192.257126
255
467
0.003045161
198.011579
260
481
0.003153497
213.176405
265
467
0.003045161
213.846415
270
463
0.003014208
219.735729
275
458
0.002975516
225.023396
280
453
0.002936824
230.247035
285
460
0.002990993
242.943374
290
461
0.002998731
252.193270
295
455
0.002952301
256.923999
300
458
0.002975516
267.796438
305
453
0.002936824
273.198093
310
454
0.002944563
282.972479
315
456
0.002960039
293.709905
320
467
0.003045161
311.824463
325
469
0.003060637
323.279824
330
456
0.002960039
322.348286
335
451
0.002921348
327.848258
340
458
0.002975516
343.969647
345
450
0.002913610
1.005195278
346.792371
350
451
0.002921348
357.865107
355
453
0.002936824
370.113299
360
453
0.002936824
380.612446
365
447
0.002890395
385.072817
370
440
0.002836226
388.279394
375
437
0.002813011
395.579738
380
442
0.002851703
411.785916
385
448
0.002898133
429.575746
390
446
0.002882656
438.452017
395
434
0.002789797
435.278005
400
435
0.002797535
447.605576
405
440
0.002836226
465.212035
410
431
0.002766582
465.062369
415
437
0.002813011
484.470900
420
439
0.002828488
498.945299
425
432
0.002774320
501.111536
430
436
0.002805273
518.695007
435
430
0.002758843
522.042123
440
428
0.002743367
531.115789
445
429
0.002751105
544.787566
450
425
0.002720152
550.830729
455
429
0.002751105
569.547511
460
428
0.002743367
580.496389
465
436
0.002805273
606.570189
470
429
0.002751105
607.719092
475
426
0.002727890
615.480195
480
427
0.002735628
630.288776
485
423
0.002704675
636.207207
490
422
0.002696937
647.534530
495
426
0.002727890
668.401262
500
414
0.002635030
658.757585
510
408
0.002588600
673.294985
520
413
0.002627292
710.419765
530
410
0.002604077
731.485257
540
415
0.002642769
770.631338
550
402
0.002542171
769.006613
560
403
0.002549909
799.651440
570
399
0.002518956
818.408704
580
397
0.002503479
842.170359
590
398
0.002511217
874.154770
600
399
0.002518956
906.824048
610
395
0.002488002
925.785712
620
400
0.002526694
971.261174
630
391
0.002457049
975.202831
640
385
0.002410619
987.389686
650
390
0.002449311
1034.833855
660
387
0.002426096
1056.807405
670
381
0.002379666
1068.232117
680
377
0.002348713
1086.044831
690
376
0.002340975
1114.537988
700
376
0.002340975
1147.077534
720
371
0.002302283
1193.503512
740
368
0.002279068
1248.017681
760
364
0.002248115
1298.511132
780
364
0.002248115
1367.753069
800
357
0.002193947
1404.125869
820
357
0.002193947
1475.209741
840
352
0.002155255
1520.748013
860
348
0.002124302
1571.133670
880
349
0.002132040
1651.051923
900
345
0.002101087
1701.880430
920
344
0.002093349
1771.810289
940
340
0.002062395
1822.332575
960
338
0.002046919
1886.440348
980
335
0.002023704
1943.565178
1000
332
0.002000489
2.000488920
2000.488920
1020
330
0.001985012
2065.206797
1040
332
0.002000489
2163.728816
1060
333
0.002008227
2256.444116
1080
326
0.001954059
2279.214488
1100
324
0.001938582
2345.684752
1120
324
0.001938582
2431.757813
1140
323
0.001930844
2509.325031
1170
321
0.001915368
2621.946584
1200
319
0.001899891
2735.842882
1230
318
0.001892153
2862.637638
1260
316
0.001876676
2979.410754
1290
311
0.001837984
3058.589857
1320
311
0.001837984
3202.504036
1350
307
0.001807031
3293.314307
1380
307
0.001807031
3441.310160
1410
304
0.001783816
3546.405067
1440
302
0.001768340
3666.829036
1470
301
0.001760601
3804.483371
1500
300
0.001752863
3943.941750
1560
298
0.001737386
4228.103494
1620
296
0.001721910
4518.979974
1680
292
0.001690957
4772.555682
1740
290
0.001675480
5072.682945
1800
289
0.001667742
3.001934862
5403.482752
1860
287
0.001652265
5716.175890
1920
285
0.001636788
6033.856573
1980
285
0.001636788
6416.865047
由origin作图得到,时间与浓度之间的关系如下图:
由上表中的数据,用origin作图并模拟积分得:
6.3单釜、中转、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)]
0
284
0.001629050
0
0
5
382
0.002387404
0.059685
10
900
0.006395849
0.639585
15
982
0.007030390
1.581838
20
998
0.007154203
2.861681
25
99
0.000197463
0.004936567
0.123414
30
94
0.000158771
0.004763134
0.142894
35
986
0.007061344
8.650146
40
981
0.007022652
11.236243
45
974
0.006968484
14.111180
50
966
0.006906577
17.266444
55
956
0.006829194
20.658313
60
950
0.006782765
24.417952
65
942
0.006720858
28.395625
70
933
0.006651213
32.590945
75
925
0.006589307
37.064850
80
917
0.006527400
41.775362
85
909
0.006465494
46.713193
90
900
0.006395849
51.806377
95
891
0.006326204
57.093993
100
884
0.006272036
62.720360
105
875
0.006202391
68.381364
110
867
0.006140485
74.299866
115
859
0.006078578
80.389198
120
851
0.006016672
86.640074
125
842
0.005947027
92.922297
130
834
0.005885
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