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多釜串联流动模型


专业: 姓名: 学号:

化工与工艺 李宝 3060902049 20090511 综合实验大楼

实验报告
课程名称: 实验名称: 化工专业实验 多釜串联流动特性测定 指导老师: 实验类型:_

日期: 地点:

胡晓萍 成绩:_______________ 同组学生姓名:熊珂、王小龙、叶



一、实验目的和要求(必填) 三、主要仪器设备(必填) 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得 一、实验目的

二、实验内容和原理(必填) 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析(必填)

1. 观察了解多釜串联的流动特性,并与理想流型特性曲线作比较。 2. 掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布的实验方法及数据处理。 3. 根据单个釜的流动特性推测四釜串联的理论流动特性,并与实际测量值进行比较。 装 订 线 二、实验原理 1.对于等容积理想全混式多釜串联的流动,如用脉冲示踪法测定其出口浓度变化曲线,经过换 算,可得到停留时间分布的密度函数 E(t),即

E (t ) =


NN t ( ) N ?1 e ? Nt / t ( N ? 1)!t t

(1)

θ = t / t ,代入上式
E (θ ) = t E (t ) = NN θ N ?1e ? Nθ ( N ? 1)!
(2)

式中

N——釜数

t ——整个装置的平均停留时间, N(VR)i/v) (=
(VR)i——每一小釜的体积 v ——流体流量 据式(1)(2)可计算一组理想全混式的流动曲线,如图一(a)所示,由于实验测定的是 , 出口浓度变化曲线 C(t)~ t,如图一(b)所示,经下列关系换算,可得 E(t)

E (t ) =

C (t ) C (t ) =∞ C0 ∫ cdt
0

P.1 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

或写成离散型函数

E (t ) = ?

C (t )

∑ CΔt
1

n



E (θ ) = t E (t ) =

t C (t )

∑ CΔt
1

n

(3)

据式(3)可得到一组实验测定 E(θ)~θ 曲线,可与图一(a)所得到的一组曲线进行拟合比 较。

因为 装 订 线

σ

θ

2

=

1 N

(a)——理论值

(b)——实验值

图一:多釜串联的停留时间分布曲线

2.计算实测分布曲线的均值( t )和方差 σ θ2

(参照实验一)

由上式可计算的模型参数 N(釜数)及 t ,再与理论值进行比较。 三、实验装置

本装置由四个搅拌釜反应器组成,分别装备了不同类型的搅拌浆和挡板,每个搅拌釜反应 器可独立操作,也可以串联操作。配套设备包括定量连续进料系统、示踪剂加料系统、搅拌控 制系统、反应釜出口浓度检测系统,实验流程装置见图 2。

1

P.2 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

图二:实验流程装置示意图
1-示踪剂高位槽;2-水槽;3-蠕动泵;4-釜式反应器;5-搅拌电机;6-电导槽;7-电导仪;8-浆式搅 拌器;9-锚式搅拌器;10,11-螺旋式搅拌器;12~17-电磁阀

装 四、实验步骤 订 线 利用分配到的实验序号和注册的用户名及密码在客户端上登录,并且点击开始实验,打开

搅拌电机









1#电磁阀

2#

3#

4#

5# 6

储液槽 蠕动泵

图三: 釜式反应器混合特性研究远程实验操
2

P.3 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

总电源,釜式反应器混合特性及流动模式实验研究的远程操作界面如图 3 所示。蠕动泵将储液 槽中的水打入釜 I,从反应器上部流出,依次通过釜 II、釜 III、釜 IV 后排出。4 个釜的体积均 为 1 500 mL,各自带有可调速的搅拌电机,分别控制每个釜的搅拌强度,每个釜出口液体浓度 由电导仪测定。 1.实验前先将电磁阀 2#,3#,4#,5#,6#打开,排空四个釜内上次实验残留的液体, 然后关闭各阀门; 2.打开蠕动泵,设置流量为最大值,使充满 4 个釜(约需 15 min) ,然后调整蠕动泵流量为 设定值; 3.同时将 4 个搅拌电机的转速调到设定值,使其达到全混流(推荐值为最大值) ,等待转速 的稳定; 4.打开阀门 6,将可能残余在管路中的水排净; 5.关闭阀门 6,打开阀门 1,让示踪剂充满管路; 6.等釜出口液体的电导率恒定后(电导率比实验开始的时候有较大的变化,这是因为水的 装 订 线 电导率比空气的电导率大) ,打开阀门 2,向釜内脉冲注入示踪剂(2~6 s) ,记下此时刻 t; 7.脉冲示踪后,注意观察各电导率的读数,等待电导率 4 的曲线回至走平,此时可以认为 4 个釜内的示踪剂被替换完全; 8.在放大图上选择一区域,满足:开始时刻在 t 时刻附近,结束时刻在电导率曲线走平的时 刻附近,在这样的一个区域内采集数据,并且将其组名保存为此转速下的电导率值; 9.停止搅拌桨,停止蠕动泵,将釜内的水排空,关闭电源,结束实验。 五、实验数据记录与处理: 根据实验数据记录,经过分析与处理我们可以得到以下数据图: 1、在搅拌速度 150rpm 下的数据如下:

图四:电导率 Lt 随时间 t 变化图

图五:电导对时间积分图

3

P.4 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

图六:电导与时间乘积 Ltt 随时间变化 t 图

图七:电导与时间乘积对时间积分图

装 订 线 图八:电导与时间二次方乘积 Ltt2 随时间变化图 根据以上各图有: 表一、多釜串联流动特性的测定(搅拌速度 150rpm) 序号 项目 ∑C△t ∑tC△t 平均停留时间 t /s ∑t C△t
2

图九:电导与时间二次方乘积对时间积分图

1 号反应釜 1937 600k 309.8 400M 110.5k 1.15 0.87

2 号反应釜 1812 900k 496.7 680M 128.6 k 0.52 1.92

3 号反应釜 2041 1.4M 695.1 1.24G 132.5k 0.27 3.70

4 号反应釜 1875 1.56M 832.0 1.55G 134.4k 0.19 5.26

σ t2
2 σθ

N

【备注】 1、为了表示方便,图表中 k 表示 103;M 表示 106;G 表示 109. 2、由于在测量过程中难免会有误差,导致电导率不能很好的回到原点,所以在积分过程中会有
4

P.5 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

误差,计算过程中也或多或少的出现误差。根据原始数据判断在 1750sec 时,釜内基本稳定,所以 各积分均积分到 1750sec 取值。 (下同) 2、在搅拌速率为 20rpm 时的数据如下:

图十:电导率 Lt 随时间 t 变化图

图十一:电导对时间积分图

装 订 线

图十二:电导与时间乘积 Ltt 随时间变化 t 图

图十三:电导与时间乘积对时间积分图

图十五: 电导与时间二次方乘积 Ltt2 随时间变化图

图十六: 电导与时间二次方乘积对时间积分图

5

P.6 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

根据以上各图,可以得到: 表二、多釜串联流动特性的测定(搅拌速度 20rpm) 序号 项目 ∑Lt△t ∑tLt△t 平均停留时间 t /s ∑t Lt△t
2

1 号反应釜 2170 2.0M 921.6 2.06G 99.96k 0.12 8.3

2 号反应釜 2140 1.5M 700.9 1.37G 148.93k 0.30 3.3

3 号反应釜 2240 1.06M 473.2 812.5M 138.80k 0.62 1.61

4 号反应釜 2369 687.5k 290.2 437.5M 100.46k 1.19 0.84

σ t2
2 σθ

N

计算示例(以第一组数据为例) : 装 订
∞ 2

∫ t= ∫
线



0 ∞ 0

Lt tdt

ΣtLt Δt 2.0 ×106 = = s = 921.6 s ; 2170 Lt dt ΣLt Δt Σt 2 Lt Δt 2 2.06 ×109 ?t = ? 921.6 2 = 9.996 ×10 4 ; ΣLt Δt 2170

σ

2 t

∫ L t dt ? t = ∫ L dt
0 t ∞ 0 t

2

=

σ θ2 =

σ t2
t
2

=
1

9.996 ×10 4 = 0.12 ; 921.6 2
= 1 = 8 .3 。 0.12

N=
六、实验结果分析: 1、作 E (θ ) ? θ 曲线 a. 理想全混式的流动曲线 根据公式 E (θ ) = t E (t ) = N=1 时, E (θ ) N=2 时, E (θ )

σθ

2

NN θ N ?1e ? Nθ ,将 N=1,N=2,N=3,N=4 代入可得: ( N ? 1)!


= e ?θ

= 4θ e ?2θ ;

6

P.7 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

27θ 2 ?3θ N=3 时, E (θ ) = e ; 2 128θ 3 ?4θ N=4 时, E (θ ) = e 3
将上述四个式子作成曲线图即为 N 为 1~4 的 E (θ ) ? θ 理论曲线图

装 订 线

b. 实验测定 E(θ)~θ曲线 1)150rmp 搅拌时的曲线:

图十七:150rmp 搅拌时的 E(θ)~θ曲线 2)20rpm 搅拌时的曲线: 2、根据实验结果有如下分析: 1)由实验数据处理有:

图十八:20rpm 搅拌时的 E(θ)~θ曲线

7

P.8 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

表三、多釜串联流动特性测定实验结果汇总数据 项目 150rpm 釜 20rpm 釜 实际釜 一号釜 0.87 8.3 1 二号釜 1.92 3.3 2 三号釜 3.70 1.61 3 四号釜 5.26 0.84 4

根据以上数据汇总,可以明显看到第二组数据(20rpm 时)的数据有问题,应该是数据记录将 实验所用的釜顺序颠倒了,导致实验的结论与实际恰恰相反;同时看一看到,以上数据中,四号釜 的偏差最大,证明了实验中四号釜没有安装挡板导致混合效果最差;相对于 20rpm 而言,150rpm 的 搅拌速率更有利于物料的混合,这可以根据上面数据各釜偏离实际釜的情况进行判断。 由于釜内混合状态与多种因素有关系,比如流体流速、搅拌速率、温度波动等,所以实验中的 各项因素都将对釜的混合状态起到一定的作用。对于以上的数据置信范围应该较大,才能使得实验 数据得以应用。 装 订 线 实验中理论平衡电导应该为 0,但是在数据处理中,遇到最后的电导还是比较大,所以在处理 实验数据时人为干涉确定了实验平衡状态,根据实验数据确定为 1750sec 时为实验终点,这样才使 得实验数据处理有意义。 2)由理论 E(θ)~θ曲线与实际曲线比较可以看到,一号釜的 E 超过了 1,与实际相差较大,但 是,在 150rpm 的搅拌下,1,2,3,4 四釜的基本趋势与理论吻合,而对于 20rpm 的搅拌下,四釜 的趋势与理论相差甚远,所以说本次试验应该不十分成功,主要失败原因应该有以下: 1、实验设备与实验理论本身存在误差,实验设备的不稳定导致的误差不可以忽略;同时实验的 指导理论与实际试验的情况的差别也可以导致实验的误差; 2、实验数据的测量不准确也是导致实验误差最主要的晕啊因之一,主要是对于电导的测定,在 试验过程中,可以从最后的数据看到,电导变化波动非常大。同时,釜内的流动状态不稳定也会导 致实验的误差比较大,流动对于实验的影响很大,特别是混合,因为实验本就是表征混合状态; 3、实验中计量泵对于流量的控制十分不稳定,导致釜内流动的不均衡,也会导致实验的误差; 4、实验过程中,环境温度的变化对于电导测定影响较大,用电导表征浓度引起了比较大的实验 误差。

七、讨论、心得 1. 脉冲示踪前怎样根据每个釜出口电导率的变化来判断各釜内流体的情况? 【分析】在泵以及搅拌稳定的条件下,若釜出口处所测得的电导率先很快地上升,然后慢慢下 降,趋于稳定,说明釜内液体已经充满而且流动状况达到稳定。 2. 根据实验结果,你可得到那些结论?尚存在着哪些问题。 【分析】 根据实验结果, 我们发现实际情况与课本中的理论知识相符合。 釜数越大, 方差越小,
8

P.9 实验名称: 多釜串联流动特性测定 姓名: 李宝 学号: 3060902049

θ 越接近与 1,模型也越接近平推流。从实验数据处理结果上看,实验数据波动较大,对于实验结果 的影响较大,使得实验结果的误差较大,同时,20rpm 的结论基本与实际完全相反,可能是在数据 记录出现了差错。 3. 结合装置特点及操作条件,分析讨论实验值和理论值的偏差原因。 【分析】本实验用电导率的变化来表征示踪剂浓度的变化,属于间接测量,在其转化过程中会 有误差;电导率测量过程中的偏差对结果有很大的影响;另外,流体流速、搅拌速率以及温度的波 动也会使实验值与理论值产生偏差。 具体分析还可以见“实验结果分析”中的分析。 4. 试设计采用阶跃示踪法测定装置的流动特性的实验方法,并定性地画出各釜出口的浓度变化曲 线。 【分析】从某一时刻起,在入口出连续输入一定浓度、一定流速的示踪剂,测定出口示踪物的 浓度与时间的变化,得到 C~t 曲线,数据处理后得到 F(t)~t 曲线和 F(θ)~ θ 曲线。 F(θ)~ θ 曲线如下图十九所示:

装 订 线

图十九:F(θ)~ θ 示意图

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