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
0.015207137
0.152071
15
368
0.002279068
0.034186021
0.512790
20
406
0.002573124
0.051462477
1.029250
25
397
0.002503479
0.062586977
1.564674
30
383
0.002395143
0.071854282
2.155628
35
413
0.002627292
0.091955221
3.218433
40
441
0.002843965
0.113758588
4.550344
45
445
0.002874918
0.129371308
5.821709
50
445
0.002874918
0.143745898
7.187295
55
467
0.003045161
0.167483842
9.211611
60
461
0.002998731
0.179923855
10.795431
65
463
0.003014208
0.195923489
12.735027
70
480
0.003145759
0.220203116
15.414218
75
488
0.003207665
0.240574896
18.043117
80
479
0.003138020
0.251041639
20.083331
85
468
0.003052899
0.259496422
22.057196
90
465
0.003029684
0.272671574
24.540442
95
476
0.003114806
0.295906528
28.111120
100
470
0.003068376
0.306837570
30.683757
105
469
0.003060637
0.321366926
33.743527
110
463
0.003014208
0.331562828
36.471911
115
466
0.003037422
0.349303583
40.169912
120
459
0.002983254
0.357990515
42.958862
125
460
0.002990993
0.373874075
46.734259
130
454
0.002944563
0.382793156
49.763110
135
464
0.003021946
0.407962688
55.074963
140
463
0.003014208
0.421989054
59.078468
145
465
0.003029684
0.439304202
63.699109
150
474
0.003099329
0.464899341
69.734901
155
489
0.003215404
0.498387556
77.250071
160
483
0.003168974
0.507035797
81.125727
165
472
0.003083852
0.508835633
83.957879
170
484
0.003176712
0.540041047
91.806978
175
477
0.003122544
0.546445177
95.627906
180
463
0.003014208
0.542557355
97.660324
185
482
0.003161235
0.584828553
108.193282
190
479
0.003138020
0.596223893
113.282540
195
470
0.003068376
0.598333262
116.674986
200
466
0.003037422
0.607484492
121.496898
205
462
0.003006469
0.616326190
126.346869
210
455
0.002952301
0.619983221
130.196476
215
469
0.003060637
0.658037039
141.477963
220
464
0.003021946
0.664828085
146.262179
225
472
0.003083852
0.693866772
156.120024
230
482
0.003161235
0.727084147
167.229354
235
473
0.003091591
0.726523798
170.733093
240
462
0.003006469
0.721552613
173.172627
245
469
0.003060637
0.749856161
183.714759
250
471
0.003076114
0.769028503
192.257126
255
467
0.003045161
0.776515996
198.011579
260
481
0.003153497
0.819909249
213.176405
265
467
0.003045161
0.806967604
213.846415
270
463
0.003014208
0.813836033
219.735729
275
458
0.002975516
0.818266895
225.023396
280
453
0.002936824
0.822310840
230.247035
285
460
0.002990993
0.852432891
242.943374
290
461
0.002998731
0.869631964
252.193270
295
455
0.002952301
0.870928810
256.923999
300
458
0.002975516
0.892654794
267.796438
305
453
0.002936824
0.895731451
273.198093
310
454
0.002944563
0.912814449
282.972479
315
456
0.002960039
0.932412398
293.709905
320
467
0.003045161
0.974451446
311.824463
325
469
0.003060637
0.994707152
323.279824
330
456
0.002960039
0.976812989
322.348286
335
451
0.002921348
0.978651516
327.848258
340
458
0.002975516
1.011675433
343.969647
345
450
0.002913610
1.005195278
346.792371
350
451
0.002921348
1.022471734
357.865107
355
453
0.002936824
1.042572673
370.113299
360
453
0.002936824
1.057256795
380.612446
365
447
0.002890395
1.054994018
385.072817
370
440
0.002836226
1.049403768
388.279394
375
437
0.002813011
1.054879301
395.579738
380
442
0.002851703
1.083647148
411.785916
385
448
0.002898133
1.115781159
429.575746
390
446
0.002882656
1.124235941
438.452017
395
434
0.002789797
1.101969633
435.278005
400
435
0.002797535
1.119013940
447.605576
405
440
0.002836226
1.148671692
465.212035
410
431
0.002766582
1.134298460
465.062369
415
437
0.002813011
1.167399760
484.470900
420
439
0.002828488
1.187964998
498.945299
425
432
0.002774320
1.179085966
501.111536
430
436
0.002805273
1.206267459
518.695007
435
430
0.002758843
1.200096836
522.042123
440
428
0.002743367
1.207081339
531.115789
445
429
0.002751105
1.224241721
544.787566
450
425
0.002720152
1.224068288
550.830729
455
429
0.002751105
1.251752770
569.547511
460
428
0.002743367
1.261948673
580.496389
465
436
0.002805273
1.304452019
606.570189
470
429
0.002751105
1.293019345
607.719092
475
426
0.002727890
1.295747779
615.480195
480
427
0.002735628
1.313101618
630.288776
485
423
0.002704675
1.311767438
636.207207
490
422
0.002696937
1.321499042
647.534530
495
426
0.002727890
1.350305580
668.401262
500
414
0.002635030
1.317515170
658.757585
510
408
0.002588600
1.320186245
673.294985
520
413
0.002627292
1.366191856
710.419765
530
410
0.002604077
1.380160863
731.485257
540
415
0.002642769
1.427095071
770.631338
550
402
0.002542171
1.398193841
769.006613
560
403
0.002549909
1.427949001
799.651440
570
399
0.002518956
1.435804743
818.408704
580
397
0.002503479
1.452017861
842.170359
590
398
0.002511217
1.481618254
874.154770
600
399
0.002518956
1.511373414
906.824048
610
395
0.002488002
1.517681495
925.785712
620
400
0.002526694
1.566550280
971.261174
630
391
0.002457049
1.547941002
975.202831
640
385
0.002410619
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