管式反应器流动特性测定.pptx

授课单位：石油化工学院授课单位：石油化工学院授课单位：石油化工学院授课单位：石油化工学院主讲教师：李春雷主讲教师：李春雷主讲教师：李春雷主讲教师：李春雷授课时间：授课时间：授课时间：授课时间：2012012012013 3 3 3年年年年 秋季秋季秋季秋季 学期学期学期学期化工综合专业实验 管式反应器流动特性测定管式反应器流动特性测定2管式反应器流动特性测定管式反应器流动特性测定 n n实验目的实验目的实验目的实验目的n n实验原理实验原理实验原理实验原理n n实验装置及流程实验装置及流程实验装置及流程实验装置及流程n n操作步骤操作步骤操作步骤操作步骤n n数据处理数据处理数据处理数据处理n n思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论 31 1、实验目的、实验目的 本实验通过管式循环反应器中停留时间分布的测本实验通过管式循环反应器中停留时间分布的测本实验通过管式循环反应器中停留时间分布的测本实验通过管式循环反应器中停留时间分布的测定，通过数据处理用多釜串联模型来定量管式反应器定，通过数据处理用多釜串联模型来定量管式反应器定，通过数据处理用多釜串联模型来定量管式反应器定，通过数据处理用多釜串联模型来定量管式反应器不同循环比下的返混程度，认识限制返混的措施。不同循环比下的返混程度，认识限制返混的措施。不同循环比下的返混程度，认识限制返混的措施。不同循环比下的返混程度，认识限制返混的措施。本实验目的为：本实验目的为：本实验目的为：本实验目的为：(1)(1)(1)(1)握停留时间分布的测定方法；握停留时间分布的测定方法；握停留时间分布的测定方法；握停留时间分布的测定方法；(2)(2)(2)(2)了解连续均相管式循环反应器的返混特性；了解连续均相管式循环反应器的返混特性；了解连续均相管式循环反应器的返混特性；了解连续均相管式循环反应器的返混特性；(3)(3)(3)(3)分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征；分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征；分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征；分析观察连续均相管式循环反应器的流动特征；(4)(4)(4)(4)研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数研究不同循环比下的返混程度，计算模型参数n n n n。42 2、实验原理、实验原理 在在连连续续均均相相管管式式循循环环反反应应器器中中，若若循循环环流流量量等等于于零零，则则反反应应器器的的返返混混程程度度与与平平推推流流反反应应器器相相近近，由由于于管管内内流流体体的的速速度度分分布布和和扩扩散散，会会造造成成较较小小的的返返混混。若若有有循循环环操操作作，则则反反应应器器出出口口的的流流体体被被强强制制返返回回反反应应器器入入口口，也也就就是是返返混混。返返混混程程度度的大小与循环流量有关，通常定义的大小与循环流量有关，通常定义循环比循环比R R为：为：52 2、实验原理、实验原理(续续)循环比循环比R R是连续均相管式循环反应器的重要是连续均相管式循环反应器的重要特征，可自零变至无穷大。特征，可自零变至无穷大。当当R=0R=0时，相当于时，相当于平推流平推流管式反应器。管式反应器。当当R=R=时，相当于时，相当于全混流全混流反应器。反应器。对于连续均相管式循环反应器，可以通过对于连续均相管式循环反应器，可以通过调节循环比调节循环比R R，得到不同返混程度的反应系统。，得到不同返混程度的反应系统。一般情况下，一般情况下，循环比大于循环比大于2020时，系统的返混特时，系统的返混特性已经非常性已经非常接近全混流接近全混流反应器。反应器。62 2、实验原理、实验原理(续续)返返混混程程度度的的大大小小，一一般般很很难难直直接接测测定定，通通常常是是利利用用物物料料停停留留时时间间分分布布的的测测定定来来研研究究。然然而而测测定定不不同同状状态态的的反反应应器器内内停停留留时时间间分分布布时时，我我们们可可以以发发现现，相相同同的的停停留留时时间间分分布布可可以以有有不不同同的的返返混混情情况况，即即返返混混与与停停留留时时间间分分布布不不存存在在一一一一对对应应的的关关系系，因因此此不不能能用用停停留留时时间间分分布布的的实实验验测测定定数数据据直直接接表表示示返返混混程程度度，而而要要借借助助于于反反应器数学模型来间接表达。应器数学模型来间接表达。72 2、实验原理、实验原理(续续)停停停停留留留留时时时时间间间间分分分分布布布布的的的的测测测测定定定定方方方方法法法法有有有有阶阶阶阶跃跃跃跃法法法法、脉脉脉脉冲冲冲冲法法法法等等等等，常常常常用用用用的的的的是是是是脉脉脉脉冲冲冲冲法法法法。脉脉脉脉冲冲冲冲法法法法是是是是当当当当系系系系统统统统达达达达到到到到稳稳稳稳定定定定后后后后，在在在在系系系系统统统统的的的的入入入入口口口口处处处处瞬瞬瞬瞬间间间间注注注注入入入入一一一一定定定定量量量量Q Q Q Q的的的的示示示示踪踪踪踪剂剂剂剂，同同同同时时时时开开开开始始始始在在在在出出出出口口口口流流流流体体体体中中中中检检检检测测测测示示示示踪踪踪踪剂剂剂剂的的的的浓浓浓浓度度度度变变变变化化化化。由由由由停停停停留留留留时时时时间间间间分分分分布布布布密密密密度度度度函数的物理含义，可知：函数的物理含义，可知：函数的物理含义，可知：函数的物理含义，可知：82 2、实验原理、实验原理(续续)由由式式可可见见，与与示示踪踪剂剂浓浓度度 成成正正比比。因因此此，本本实实验验中中用用水水作作为为连连续续流流动动的的物物料料，以以饱饱和和 氯氯化化钾溶液作钾溶液作示踪剂示踪剂，在反应器出口检测溶液电导值。，在反应器出口检测溶液电导值。在在一一定定范范围围内内，浓浓度度与与电电导导值值成成正正比比，则则可可用用电电导导值值来来表表达达物物料料的的停停留留时时间间变变化化关关系系。所所测测系系统统的的物物料料停停留留时时间间密密度度函函数数正正比比于于系系统统出出口口处处KClKCl水水溶溶液液的的电电导导值。即值。即 ，为为t t时刻的电导值，时刻的电导值，为水溶液无示踪剂时电导值。为水溶液无示踪剂时电导值。92.2.实验原理实验原理(续续)停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数 在概率论中有二个特在概率论中有二个特在概率论中有二个特在概率论中有二个特征值，平均停留时间征值，平均停留时间征值，平均停留时间征值，平均停留时间 （数学期望）和方差（数学期望）和方差（数学期望）和方差（数学期望）和方差 。的表达式为：的表达式为：的表达式为：的表达式为：采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔 则：则：则：则：（4 4 4 4）（5 5 5 5）102 2、实验原理、实验原理(续续)的表达式为：的表达式为：的表达式为：的表达式为：采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔采用离散形式表达，并取相同时间间隔 则：则：则：则：（6 6 6 6）（7 7 7 7）112 2、实验原理、实验原理(续续)若用无因次对比时间若用无因次对比时间 来表示：来表示：无因次方差：无因次方差：在测定了一个系统的停留时间分布后，如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。描述，这里我们采用的是多釜串联模型。122 2、实验原理、实验原理(续续)所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况与若干个全混釜串联时的返混程度的返混情况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等效。这里的若干个全混釜个数n n是虚拟值是虚拟值,并并不代表反应器个数，不代表反应器个数，n n称为模型参数称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，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，并得到无因次方差与模型参数函数关系，并得到无因次方差与模型参数n n之之间存在的关系。间存在的关系。132 2、实验原理、实验原理(续续)无因次方差与模型参数无因次方差与模型参数无因次方差与模型参数无因次方差与模型参数n n n n之间存在的关系如下：之间存在的关系如下：之间存在的关系如下：之间存在的关系如下：当当当当 ，为全混釜特征；，为全混釜特征；，为全混釜特征；，为全混釜特征；（8 8 8 8）当当当当 ，为平推流特征；，为平推流特征；，为平推流特征；，为平推流特征；当当当当1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，为实际反应器内的，为实际反应器内的，为实际反应器内的，为实际反应器内的流动特征。流动特征。流动特征。流动特征。这里这里这里这里n n n n是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于正整数。是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于正整数。是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于正整数。是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于正整数。143 3、预习与思考、预习与思考脉冲示踪法对示踪剂的要求是什么？脉冲示踪法对示踪剂的要求是什么？脉冲示踪法对示踪剂的要求是什么？脉冲示踪法对示踪剂的要求是什么？示踪剂与流体互溶并且易于检测到。示踪剂与流体互溶并且易于检测到。示踪剂与流体互溶并且易于检测到。示踪剂与流体互溶并且易于检测到。若进口流量若进口流量若进口流量若进口流量1515升升升升/小时，循环比要求小时，循环比要求小时，循环比要求小时，循环比要求0 0，3 3，5 5，则循，则循，则循，则循环流量分别控制为多少？环流量分别控制为多少？环流量分别控制为多少？环流量分别控制为多少？循环流量分别控制为循环流量分别控制为循环流量分别控制为循环流量分别控制为0 0 0 0，45454545，75757575升升升升/小时。小时。小时。小时。返混的结果是什么？返混的结果是什么？返混的结果是什么？返混的结果是什么？改变了反应物的浓度分布，造成物料的停留改变了反应物的浓度分布，造成物料的停留改变了反应物的浓度分布，造成物料的停留改变了反应物的浓度分布，造成物料的停留时间分布。时间分布。时间分布。时间分布。153 3、预习与思考（续）、预习与思考（续）循环管式反应器中循环比与实验结果的关系是怎循环管式反应器中循环比与实验结果的关系是怎循环管式反应器中循环比与实验结果的关系是怎循环管式反应器中循环比与实验结果的关系是怎样的？样的？样的？样的？R R R R越大，方差越大；越大，方差越大；越大，方差越大；越大，方差越大；R R R R越小，模型参数越大越小，模型参数越大越小，模型参数越大越小，模型参数越大 。在管式反应器中，减小返混的措施有哪些？在管式反应器中，减小返混的措施有哪些？在管式反应器中，减小返混的措施有哪些？在管式反应器中，减小返混的措施有哪些？填充固体填料；提高高径比填充固体填料；提高高径比填充固体填料；提高高径比填充固体填料；提高高径比 。本实验采用哪个反应器模型描述返混程度本实验采用哪个反应器模型描述返混程度本实验采用哪个反应器模型描述返混程度本实验采用哪个反应器模型描述返混程度？多釜串联模型。多釜串联模型。多釜串联模型。多釜串联模型。164 4、实验装置及流程、实验装置及流程 实验装置如图所示，实验装置如图所示，由管式反应器和循环系统由管式反应器和循环系统组成组成。循环泵开关在仪表屏上控制，。循环泵开关在仪表屏上控制，流量和循环比流量和循环比由循环管阀门控制，流量直接由转子流量计读出，由循环管阀门控制，流量直接由转子流量计读出，单位是：升单位是：升/小时。实验时，进水从转子流量计调节小时。实验时，进水从转子流量计调节流入系统，稳定后在系统的入口处（反应管下部进流入系统，稳定后在系统的入口处（反应管下部进样口）快速注入示踪剂样口）快速注入示踪剂(2ml)(2ml)，由系统出口处电导电，由系统出口处电导电极检测示踪剂浓度变化，并显示在电导仪上。极检测示踪剂浓度变化，并显示在电导仪上。实验装置图实验装置图 实验流程图实验流程图175 5、实验操作、实验操作5.1 5.1 准备工作准备工作 (1)(1)配置饱和配置饱和KClKCl液体；液体；(2)(2)连接好入水管线；连接好入水管线；(3)(3)检查电极导线连接是否正确；检查电极导线连接是否正确；(4)(4)开启计算机；开启计算机；(5)(5)将饱和将饱和KClKCl液体液体缓慢缓慢吸入示踪剂注射器吸入示踪剂注射器内内（避免产生气泡，吸入量避免产生气泡，吸入量1mL1mL）。）。185.2 5.2 操作步骤操作步骤(1)(1)通水，开启水源，让水注满反应管，并从塔顶稳通水，开启水源，让水注满反应管，并从塔顶稳定流出，调节进水流量为一稳定值（定流出，调节进水流量为一稳定值（10L/H10L/H）。）。(2)(2)通电，开启电源开关。通电，开启电源开关。(3)(3)打开打开“管式循环反应器数据采集管式循环反应器数据采集”软件，并填写软件，并填写有关数据；有关数据；(4)(4)循环时，开循环泵，用循环阀门调节流量；循环时，开循环泵，用循环阀门调节流量；（R=3,R=3,0.50.5;R=6,;R=6,1.01.0;R=9,;R=9,1.51.5）不循环时，关泵，关紧循环阀门。不循环时，关泵，关紧循环阀门。5 5、实验操作（续）、实验操作（续）GMP=GMP=加仑加仑加仑加仑/分钟分钟分钟分钟 LPM=1LPM=1升升升升 /分钟分钟分钟分钟=60=60升升升升 /小时小时小时小时195.3 5.3 进样操作进样操作 待系统稳定后，用注射器迅速注入示踪剂，同待系统稳定后，用注射器迅速注入示踪剂，同时点击软件上时点击软件上“开始开始”图标；图标；观察电导率数据的变化；观察电导率数据的变化；当电脑记录显示的曲线在当电脑记录显示的曲线在1min1min内基本觉察不到内基本觉察不到变化时，即认为终点己到。变化时，即认为终点己到。点击点击“结束结束”，以组号作为文件名保存文件，以组号作为文件名保存文件，打印实验数据。打印实验数据。(5)(5)改变条件采用不同循环比，重复上述步骤。改变条件采用不同循环比，重复上述步骤。5 5、实验操作（续）、实验操作（续）205.4 5.4 实验操作注意事项实验操作注意事项实验做两个不同循环比，注入示踪剂要小于实验做两个不同循环比，注入示踪剂要小于实验做两个不同循环比，注入示踪剂要小于实验做两个不同循环比，注入示踪剂要小于2ml2ml2ml2ml ,本次本次本次本次实验确定为实验确定为实验确定为实验确定为1mL1mL1mL1mL ；调节流量稳定后方可注入示踪剂，整个操作过程中注调节流量稳定后方可注入示踪剂，整个操作过程中注调节流量稳定后方可注入示踪剂，整个操作过程中注调节流量稳定后方可注入示踪剂，整个操作过程中注意观察和控制流量；意观察和控制流量；意观察和控制流量；意观察和控制流量；抽取示踪剂时勿吸入底层晶体，以免堵塞；抽取示踪剂时勿吸入底层晶体，以免堵塞；抽取示踪剂时勿吸入底层晶体，以免堵塞；抽取示踪剂时勿吸入底层晶体，以免堵塞；示踪剂要求一次迅速注入，若遇针头堵塞，不可强行示踪剂要求一次迅速注入，若遇针头堵塞，不可强行示踪剂要求一次迅速注入，若遇针头堵塞，不可强行示踪剂要求一次迅速注入，若遇针头堵塞，不可强行推入，应拔出后重新操作；推入，应拔出后重新操作；推入，应拔出后重新操作；推入，应拔出后重新操作；一旦失误，应等示踪剂出峰全部走平后，再重做。一旦失误，应等示踪剂出峰全部走平后，再重做。一旦失误，应等示踪剂出峰全部走平后，再重做。一旦失误，应等示踪剂出峰全部走平后，再重做。（先请示老师确定先请示老师确定先请示老师确定先请示老师确定）。）。）。）。5 5、实验操作（续实验操作（续）21 1.1.选择一组实验数据，用离散方选择一组实验数据，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，要求写清算无因次方差和模型参数，要求写清计算步骤；计算步骤；2.2.列出数据处理结果表。列出数据处理结果表。6 6、实验数据处理、实验数据处理227 7、结果与讨论、结果与讨论1.1.何谓循环比？循环反应器的特征是什么？何谓循环比？循环反应器的特征是什么？2.2.分析不同条件下系统的平均停留时间与理论值的分析不同条件下系统的平均停留时间与理论值的偏差原因；偏差原因；3.3.根据计算所得的模型参数根据计算所得的模型参数n n，讨论不同条件下系，讨论不同条件下系统的返混程度大小；统的返混程度大小；4.4.讨论管式反应器如何限制返混或加大返混程度。讨论管式反应器如何限制返混或加大返混程度。2324实验装置流程图实验装置流程图实验装置流程图实验装置流程图