胡瑞生 王瑞達(dá) 劉啟業(yè) 高官俊 段毅文

(1內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010021;2內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

多釜串聯(lián)性能研究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)*

胡瑞生1＊＊王瑞達(dá)1劉啟業(yè)1高官俊1段毅文2

(1內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010021;2內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

多釜串聯(lián)實(shí)驗(yàn)有利于理解多釜串聯(lián)反應(yīng)器的返混特性、停留時(shí)間分布與多釜串聯(lián)模型的關(guān)系、模型參數(shù)的物理意義、模型參數(shù)的計(jì)算方法和停留時(shí)間分布的測(cè)定方法。該改進(jìn)設(shè)計(jì)加入了一個(gè)并行的大釜對(duì)照反應(yīng)器，能使學(xué)生更直觀地了解系統(tǒng)的流動(dòng)特性，理解多釜串聯(lián)模擬理想反應(yīng)器的實(shí)際意義。相比單理想反應(yīng)器，多釜串聯(lián)模擬是在較高濃度下進(jìn)行的，減少了混合作用所產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)，使過程的推動(dòng)力得以提高。

多釜串聯(lián) 返混 停留時(shí)間分布

我國綜合性大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)大多是在原化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個(gè)新專業(yè)，要求應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生主要掌握化學(xué)與化工相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本技能。因此，我們?cè)趹?yīng)用化學(xué)等專業(yè)中開設(shè)了典型的多釜串聯(lián)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)是模擬化學(xué)工業(yè)中最具代表性的釜式反應(yīng)，是一個(gè)接近實(shí)際情況的反應(yīng)體系，具有培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的作用。

在研究工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的液相反應(yīng)時(shí)，不僅要了解濃度、溫度等因素對(duì)反應(yīng)速度的影響，還要考慮物料的流動(dòng)特性和傳熱與傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)速度的影響。由于種種原因造成的渦流、速度分布等使物料產(chǎn)生不同程度的返混。反應(yīng)器的返混程度是很難直接觀察和度量的，通常采用測(cè)定停留時(shí)間分布來探求反應(yīng)器的返混程度，通過測(cè)定反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，對(duì)過程的物理實(shí)質(zhì)加以概括和簡(jiǎn)化，得出流動(dòng)模型［1］。

目前多數(shù)學(xué)校開設(shè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的多釜串聯(lián)儀器為脈沖輸入三釜串聯(lián)，不僅可以很好地了解停留時(shí)間分布測(cè)定的原理和實(shí)驗(yàn)方法，還能用理想反應(yīng)器的串聯(lián)模型來描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流動(dòng)特性［2］。但是只有串聯(lián)模型而沒有對(duì)比的理想反應(yīng)器很難讓學(xué)生直觀地理解流動(dòng)特性。因此，本實(shí)驗(yàn)加入了一個(gè)并行的大的理想反應(yīng)釜作為對(duì)照，學(xué)生不僅可以通過理想反應(yīng)器和串聯(lián)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比直觀地理解系統(tǒng)的流動(dòng)特性，還可以更清晰地理解多釜串聯(lián)模擬理想反應(yīng)器的意義;既節(jié)省了空間和材料資源，還減少了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，使學(xué)生對(duì)流動(dòng)特性的理解更為系統(tǒng)深入，同時(shí)也便于教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

在連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中激烈攪拌，使反應(yīng)器內(nèi)物料發(fā)生混合，反應(yīng)器出口處的物料會(huì)返回流動(dòng)與進(jìn)口物料混合，這種空間上的反向流動(dòng)就是返混。限制返混的措施是分割，有橫向分割和縱向分割。當(dāng)一個(gè)釜式反應(yīng)器被分成多個(gè)反應(yīng)器后，返混程度就會(huì)降低［3］。

在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的物料之間的混和稱為返混。返混程度的大小一般很難直接測(cè)定，通常是通過測(cè)定物料停留時(shí)間分布來進(jìn)行研究。我們發(fā)現(xiàn)，在測(cè)定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布時(shí)，相同的停留時(shí)間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時(shí)間分布不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此不能用停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而是要借助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型來間接表達(dá)。

物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間是隨機(jī)的，須用概率分布方法來描述。所用的概率分布函數(shù)為停留時(shí)間分布密度函數(shù)f(t)和停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)。停留時(shí)間分布密度函數(shù)f(t)的物理意義是:同時(shí)進(jìn)入的N個(gè)流體粒子中，停留時(shí)間介于t到t+dt間的流體粒子所占的分率為f(t)dt。停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)的物理意義是:流過系統(tǒng)的物料中停留時(shí)間小于t的物料的分率。

停留時(shí)間分布的測(cè)定方法有脈沖法、階躍法等，常用的是脈沖法。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，在入口處瞬間注入一定量Q的示蹤物料，同時(shí)開始在出口流體中檢測(cè)示蹤物料的濃度變化。

由停留時(shí)間分布密度函數(shù)的物理含義，可知:

由此可見，f(t)與示蹤劑濃度c(t)成正比。因此，本實(shí)驗(yàn)用水作為連續(xù)流動(dòng)的物料，以飽和硝酸鉀或氯化鉀溶液作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測(cè)溶液電導(dǎo)值。在一定范圍內(nèi)，示蹤劑濃度與電導(dǎo)值成正比，可用電導(dǎo)值來表達(dá)物料的停留時(shí)間變化關(guān)系，即:

這里的L(t)=Lt－L∞;Lt為t時(shí)刻的電導(dǎo)值，L∞為無示蹤劑時(shí)的電導(dǎo)值。

停留時(shí)間分布密度函數(shù)f(t)有2個(gè)概率特征值，平均停留時(shí)間(數(shù)學(xué)期望)和方差σ。

若采用離散形式表達(dá)，并取相同時(shí)間間隔Δt，則:

若也用離散形式表達(dá)，并取相同Δt，則:

在測(cè)定了一個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間分布后，要評(píng)價(jià)其返混程度，就需要用反應(yīng)器模型來描述。本文采用的是多釜串聯(lián)模型。

所謂多釜串聯(lián)模型是將一個(gè)實(shí)際反應(yīng)器中的返混情況與若干個(gè)全混釜串聯(lián)時(shí)的返混程度等效。這里的若干個(gè)全混釜個(gè)數(shù)n是虛擬值，并不代表反應(yīng)器個(gè)數(shù)，n稱為模型參數(shù)，n并不限于整數(shù)［4］。多釜串聯(lián)模型假定每個(gè)反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無返混，每個(gè)全混釜體積相同，這樣就可以推導(dǎo)得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)關(guān)系，并得到σ與n的關(guān)系為:

2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

圖1為改進(jìn)前裝置圖，圖2為改進(jìn)后裝置圖。反應(yīng)器為不銹鋼制成的攪拌釜，釜Ⅰ、釜Ⅱ、釜Ⅲ有效容積均為1L，釜Ⅳ有效容積為3L;攪拌方式為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的葉輪攪拌;脈沖法加入示蹤劑，由電腦控制電磁閥加入;硝酸鉀或氯化鉀飽和溶液為示蹤劑，水為實(shí)驗(yàn)流體［5］。

改進(jìn)前(圖1)為一個(gè)普通的多釜串聯(lián)裝置，水為流體，硝酸鉀或氯化鉀飽和溶液為示蹤劑，由電腦控制電磁閥加入，馬達(dá)帶動(dòng)各葉輪進(jìn)行攪拌，電腦收集電極測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算處理、輸出結(jié)果。改進(jìn)后的裝置(圖2)在原有基礎(chǔ)上并行了一個(gè)容積為串聯(lián)釜總和的大釜作為對(duì)照，各個(gè)參數(shù)與串聯(lián)釜相同，由電腦控制電磁閥同時(shí)加入示蹤劑，電極檢測(cè)，同時(shí)收集處理數(shù)據(jù)。

圖1 改進(jìn)前裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

將示蹤劑溶液加入高位罐內(nèi)，將清水加入另一個(gè)高位罐內(nèi);水槽注水;檢查電路是否正確;調(diào)電極常數(shù)并調(diào)零。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作

(1)將三通閥轉(zhuǎn)向示蹤劑一側(cè)。

(2)接通水泵電源，向釜內(nèi)充水，并使各釜穩(wěn)定流動(dòng)，調(diào)整轉(zhuǎn)子流量計(jì)穩(wěn)定在20～40L/h。

圖2 改進(jìn)后裝置圖

(3)待各釜內(nèi)充滿水，調(diào)整各釜攪拌，使轉(zhuǎn)速一致(200～400r/min)。

(4)用計(jì)算機(jī)控制加入定量示蹤劑，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄反應(yīng)器出口示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的曲線，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5)改變實(shí)驗(yàn)條件，待穩(wěn)定后重復(fù)步驟。

3.3 結(jié)束實(shí)驗(yàn)

關(guān)閉電機(jī)，排放釜內(nèi)水，關(guān)閉電源。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［6-8］。

4 結(jié)果與討論

轉(zhuǎn)速為300r/min，數(shù)據(jù)處理計(jì)算結(jié)果如表1;圖3為改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)的f(t)-t圖，圖4為改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的f(t)-t圖。

由表1看出串聯(lián)釜平均停留時(shí)間要高出單釜將近三分之一，可見在實(shí)際運(yùn)用中，串聯(lián)釜反應(yīng)器比單釜反應(yīng)器有更充分的停留時(shí)間，使反應(yīng)更加完全。串聯(lián)釜Ⅰ、釜Ⅱ、釜Ⅲ與單釜Ⅳ的σ由小到大依次遞增，而且單釜的σ明顯高于串聯(lián)的3個(gè)釜，結(jié)合所得單釜的σ更趨近于1，串聯(lián)釜的σ更趨近于0，可見單釜流動(dòng)狀況接近全混流，多釜串聯(lián)接近平推流，所得虛擬釜數(shù)n也與實(shí)際釜相吻合。

由圖3與圖4均可清晰看出各釜停留時(shí)間分布以及各釜流體隨時(shí)間的濃度變化。由圖4可直觀地看出多釜串聯(lián)模型除了最后一個(gè)釜，所有其他反應(yīng)器都在比原來高的反應(yīng)物濃度下進(jìn)行反應(yīng)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差，這主要是因?yàn)楦鞲獙?shí)際狀態(tài)均未達(dá)到所假想的理想狀態(tài)。示蹤劑在各釜內(nèi)壁上也可能有一定的粘連，并未完全混合均勻。串聯(lián)釜Ⅰ比單釜Ⅳ更接近全混流狀態(tài)，可見體積小更有利于混合。另外，提高攪拌速度也有利于加強(qiáng)各釜的混合。

圖3 改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)的f(t)-t圖

圖4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的f(t)-t圖

5 結(jié)語

目前很多學(xué)校開設(shè)了單釜反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)和多釜串聯(lián)反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)，但通常兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不能同時(shí)測(cè)定，需要分別測(cè)定和采集數(shù)據(jù)。本文提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在不減少實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不降低要求的情況下，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省了空間和材料資源，而且還減少了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，使學(xué)生對(duì)流動(dòng)特性的理解更為系統(tǒng)深入，同時(shí)也便于教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。從處理后的數(shù)據(jù)可看出串聯(lián)釜與單釜的流動(dòng)特性與實(shí)際情況相符，除了最后一個(gè)反應(yīng)器外，所有其他反應(yīng)器都在比原來高的反應(yīng)物濃度下進(jìn)行反應(yīng)，減少了混合作用所產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)，使過程的推動(dòng)力得以提高，能使學(xué)生更直觀地理解多釜串聯(lián)模擬理想反應(yīng)器的實(shí)際意義。

［1］陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程.第3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007

［2］朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程.第5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012

［3］武漢大學(xué).化學(xué)工程基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2001

［4］朱開宏，袁渭康.化學(xué)反應(yīng)工程分析.北京:高等教育出版社，2002

［5］武漢大學(xué)，蘭州大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，等.化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社，2005

［6］王艷花，黃向紅，喬軍.化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012

［7］王培義，張春霞，尹志剛.化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)(精細(xì)化工方向).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008

［8］楊世芳，周艷，曾嶸.化工技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011

內(nèi)蒙古自治區(qū)化工實(shí)驗(yàn)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

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