多釜串联

实验报告
课程名称： 化工专业实验1 指导老师： 黄灵仙 成绩：__________________ 实验名称： 多釜串联流动特性的测定 实验类型：___________同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得
一、实验目的
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。

二、实验内容和原理
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
1
()(1)!N Nt N t
N t E t e
N t t --
⎛⎫
= ⎪
-⎝⎭
（1）
令-
=t t /θ，代入上式 θθθN N N
e N N E ---=1)()!1()( （2）
式中 N —釜数
t — 整个装置的平均停留时间，(= N(V R )i / v)
(V R )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 )
()()()C t C t E t Co Cdt
∞
=
=
⎰ 或写成离散型函数1
()
()n
C t E t C t
=-
∆∑
及 1
()
()()n
tC t E tE t C t
θ==
∆∑ （3）
据式（3）可得一组实验测定E ( θ ) ~ θ曲线，可与图一（a ）所得到的一组曲线进行拟合比较。

（a ）理论值
（b ）实验值
图1 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2
θσ
因为 2
1
N
θσ=
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
四、实验步骤
利用分配到得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1500ml，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。

图3 釜式反应器混合特性研究远程实验操作界面
（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，然后关闭阀门；（2）打开蠕动泵，设置流量为最大值，使四个釜充满（约15min），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，等待转速稳定；
（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（4s），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
实验数据由计算机记录并保存，对保存后的数据进行以下处理。

1. 计算各釜流出曲线的面积
作出4个反应釜出口示踪剂电导率随时间变化的图线如（搅拌桨转速250r/m ）
4个反应釜的L – t 曲线
通过origin 积分，可以得到如下结果
釜序号 1号反应釜 2号反应釜 3号反应釜 4号反应釜 面积
2186.0503
1908.7835
2456.5701
2450.15622
2. 计算中浓度C 以电导率L 来代替
对上述曲线分别积分得
0L L t
=∆∑，平均停留时间
tL t t
L t ∆=
∆∑∑，
()2
2
2t
Lt t t L t
σ
∆=
-∆∑∑，
()
2
2
2
t t θσσ=
，
21
N θσ=
釜序号 L 0 t t L ∆∑
2
t t L ∆∑
N 1 2352.388 579285.808 246.254 317148633.033 74178.654 1.223 0.818 2 2456.224 960556.432 391.070 571771755.787 79848.834 0.522 1.915 3 2218.144 1203564.994 542.600 862911519.021
94609.370
0.321 3.112 4
2219.244
1512979.906
681.755
1270843139.525 107857.404
0.232
4.309
3. 理论E(θ)~ θ曲线： 由()1
()(1)!
N N N E N e N θθθ--=
-分别画出N = 1，2，3，4时的理论曲线如下：
由t t
θ=，1
()()()n
tC t E tE t C t
θ==-∆∑
得到实验中实际的E ( θ )～θ曲线如下：
六、实验结果与分析
1. 由平均停留时间来看，1、2、3、4釜的平均停留时间依次增大，方差依次减小，符合实际情况；
2. 由上述计算得到的模型参数——釜数N来看，前两个反应釜的N值小于理论值，后两个反应釜的N值大于理论值，原因可能是因为后一段时间内釜内状况已经平衡，但由于从数据上反映出来的L-t关系还没有趋于稳定。

实验时各搅拌桨的设定速度虽然一致，但实际操作时并不是恒定不变的，各釜之间有一定的差距，加上其他如计量泵等不稳定实验条件，测得的数据必定带有一定的偏差。

随着釜数的增加，偏离程度先减小后增大，4号釜的正偏差最大，可能原因是4号釜内部光滑无挡板，但是搅拌桨的不同在数据上无法反应出来。

3. 从第三步分析出的E ( θ )～θ曲线可以看出曲线走向跟理论情况基本一致，1、2、3、4釜出现峰值的时间依次延长，峰值依次增大，虽然本实验虽有一定的偏差，但并没有违背理论。

4. 各个搅拌器的特点：桨式搅拌器结构简单，常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮；锚式搅拌器为慢速型搅拌器，适用于中高粘度液体的混和、传热或反应等过程，常在层流状态操作，产生水平环向流，如为折叶或角钢型叶，可增加浆叶附近的涡流；螺旋式搅拌器排除性能好，剪切力低。

低速时呈对流循环状态，高速时呈湍流分散状态，较大的叶倾角和叶片扭曲度能使搅拌器在过渡流甚至湍流时也能达到较高的流动场，适用于低粘度的混合、溶解、固体悬浮、传热、反应、传质、取、结晶操作；加了挡板有助于改善流型，增加釜内流体的湍动程度。

七、思考题
1．脉冲示踪前怎样根据每个釜出口电导率的变化来判断釜内流体的情况？
电导率的大小是釜出口溶液相应浓度的反映，电导率先很快上升，然后降低，达到稳定值时不再变化，表明此时釜内的液体已充满，流体流动正常。

2．根据实验结果，你可以得到哪些结论？尚存在哪些问题？
根据实验结果可知实际情况与理论知识相符合。

釜数越大，方差越小，θ越接近1。

前两个反应釜的N值小于理论值，后两个反应釜的N值大于理论值。

实验中4号釜未装挡板，导致结果相对其他几个釜的正偏差较大。

但是其他几个釜不同的搅拌桨的区别没能体现出来。

3．结合装置特点及操作条件，分析讨论实验值和理论值偏差的原因
本实验全部在电脑的控制下进行，物料的流量基本变化不大，相对来说也比较稳定，但有些设定值并非输入状态的值，而是由手拖动鼠标设定的，这使得需设定值相同的几项只是接近，而存在着一定的误差，从而使实验结果产生误差。

实验装置灵敏度不够高，不能准确测出溶液浓度随时间的变化。

示踪剂进入反应釜后由于反应釜漏液使得部分示踪剂漏掉或者示踪剂被限制在反应釜的死区无法正常流入下一个反应釜。

在实验装置中，反应器比比较粗糙，示踪剂在反应器内被吸附于器壁而减少，在反应器内可能出现短路或漏流，是器内流体往往偏离理想流动而造成不同程度的返混，没有出现理论上的停留时间分布。

4．设计采用阶跃示踪法测定装置的流动特性的实验方法，并定性画出各釜出口的浓度变化曲线。

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。

数据处理跟本实验相仿，进而可得到E(θ)~ θ曲线。

E(θ)~ θ曲线大致如下图：。