单釜三釜远程实验讲义

实验指导书（综合性实验）

实验项目名称：单釜、三釜串联反应器返混测定远程实验 实验项目性质：综合性 所涉及课程： 计划学时：6学时 一、 实验目的

在研究工业生产反应器内进行的液相反应时，不仅要了解浓度、温度等因素对反应速度的影响，还要考虑物料的流动特性和传热与传质对反应速度的影响。由于种种原因造成的涡流、速度分布等使物料产生不同程度的返混。返混不仅会改变反应器内的浓度分布从而影响反应率，同时还会给反应的放大、设计带来很大的困难。

反应器的返混程度是很难直接观察和度量的。返混会产生两个孪生现象：其一是改变了反应器内的浓度分布；其二是造成物料的停留时间分布。测定物料的停留时间分布是一种比较简单的方法。因此，通常采用测定停留时间分布的来探求反应器的返混程度。通过测定反应器的停留时间分布，对过程的物理实质加以概括和简化，可以概括出流动模型。因此实验中要求学生了解和掌握如下内容：

(1) 了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性； (2) 掌握停留时间分布的测定方法；

(3) 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系； (4) 了解模型参数n的物理意义及计算方法。

二、 实验原理

在连续流动釜式反应器中，激烈的搅拌使反应器内物料发生混合，反应器出口处的物料会返回流动与进口物料混合，这种空间上的反向流动就是返混，通常称为狭义上的返混。限制返混的措施是分割，有横向分割和纵向分割。当一个釜式反应器被分成多个反应器后，返混程度就会降低。

在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然

而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在 一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。

停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。

由停留时间分布密度函数的物理含义，可知

f?t?dt?V?C?t?dtQ

Q??VC?t?dt

0?所以

f?t??VC?t??0?VC?t?dt?C?t?dt0?C?t??

由此可见f?t?与示踪剂浓度C?t?成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，

KCl浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即

f?t??L?t?，这里L?t??Lt?L?，Lt为t时刻的电导值，L∞为无示踪剂时电导值。 停留时间分布密度函数f?t?在概率论中有二个特征值，平均停留时间（数学期望）t和方差?t2。

t的表达式为：

?tC?t?dt?t??tf?t?dt?

?C?t?dt??00?0?采用离散形式表达，并取相同时间间隔?t,则：

t???tC?t??t?t?L?t?? ?C?t??t?L?t??t2的表达式为：

?t2???t?t?2f?t?dt??t2f?t?dt?t2

00??也用离散形式表达，并取相同?t，则：

?t2C?t??t2L?t?22????t???t

?C?t??L?t?2t 若用无因次对比时间?来表示，即?＝t 无因次方差??2＝?t2t，

t2 。

在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。

所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反应器个数，n称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无因次方差??2与模型参数n存在关系为

n?1??2

当 n?1， ??2?1， 为全混釜特征； 当 n??， ??2?0， 为平推流特征； 这里n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。

三、 实验要求

(1) 用脉冲示踪法测定单釜停留时间分布，确定返混程度；

(2) 用脉冲示踪法测定三釜串联系统的停留时间分布，确定返混程度；

四、 报告要求

a实验数据处理

(1) 选择一组实验数据，用离散方法计算平均停留时间、方差，从而计算无因次方差和模型参数，要求写清计算步骤； (2) 与计算机计算结果比较，分析偏差原因； (3) 列出数据处理结果表； (4) 讨论实验结果。

b实验结果讨论题

(1) 何谓返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有哪些？

(2) 计算出单釜与三釜系统的平均停留时间，并与理论值VR/V0比较，分析偏差原因；

(3) 计算模型参数n，与实际釜数有何不同，讨论二种系统的返混程度大小； (4) 讨论一下如何限制返混或加大返混程度。

远程操作举例说明具体步骤：

实验控制界面网址：http://202.120.105.59

在用户名输入：选“远程实验者”；输入密码，例如：2222

按进入操作系统钮

输入学校名称、实验者姓名

1.在“实验操作”界面，原则上请依“手指”的引导操作；

2.凡是在输入框内输入信息（文字、数据等）后，必须紧接着在键盘上进行“回车”操 作，最后再在屏幕上按下“确认”钮以完成信息输入。否则输入无效。 3.流量设定范围为：15－20 L／hr.

4.搅拌转速设定电压请参照画面提示范围设定，使单釜搅拌转速约为160rpm.三釜搅拌转速约为单釜搅拌转速的一倍（设定单釜约3.4V、三釜4.5V左右）。 5实验中若有疑问，可通过界面下方的“输入框”和“显示框”与现场管理员联系。

请在流量、转速稳定后再注入示踪剂。按实时结果钮，可见实时曲线。

当“计算结果”数据栏中出现具体数据时，表明该实验条件下的示踪曲线已测定完成。可以屏幕复制“实时曲线与计算结果”画面，或打印。

“原始数据”钮和“历史记录”钮只有在实验结束、流量和搅拌转速均为“0”时才可显示。

按“原始数据”钮出现：要屏幕复制画面，或打印“原始数据表”。

按“历史记录”钮出现：要屏幕复制画面，或打印“实验结果汇总”，

不要忘记保留以上数据。

完成实验后，按“结束实验”，退出操作系统，下线并关闭计算机。

五、评分标准

实验成绩按百分制评出，各部分的成绩比例如下： 1. 预习（20%）

写出实验报告初稿，设计好实验数据表格，做完实验只要填入数据，处理数据，再加上讨论；预习讲义的同时，还要从现场、参考书以及其他资料中了解：返混现象、停留时间分布概念以及它的表达方法，停留时间分布的实验测定方法以及数据处理的方法，搅拌槽的级数对停留时间分布的影响。

2．实验操作步骤和技能（25%）

在正确理解本实验的目的和要求的基础上，按步骤独立地完成各项实验操作；能够熟练地测定电导率。

3．实验中分析和解决问题（20%）

实验中遇到问题，能够独立分析和较好地解决问题。 4．实验报告（25%）

实验报告认真、工整，不完全抄讲义。报告中包括：实验目的，原理，计算公式，装置简图，实验的方法和步骤，原始数据及处理结果，计算示例，讨论等。

5．纪律、作风和卫生（10%）

不迟到，不早退，遵守实验室各项规章制度；团结合作，工作认真；做完实验，整理和打扫卫生。

六、思考题

(1) 测定停留时间分布的目的与意义。

(2) 阶跃实验中，如何根据实验数据，计算停留时间分布函数E(t)、F(t)、平均停留时间和σt? (3) 如何估算实验的误差？

实验日期：

报 告 人：

指导教师签字：

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