多釜串聯(lián)性能研究實驗的改進*

胡瑞生 王瑞達 劉啟業(yè) 高官俊 段毅文

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

多釜串聯(lián)性能研究實驗的改進*

胡瑞生1＊＊王瑞達1劉啟業(yè)1高官俊1段毅文2

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

多釜串聯(lián)實驗有利于理解多釜串聯(lián)反應(yīng)器的返混特性、停留時間分布與多釜串聯(lián)模型的關(guān)系、模型參數(shù)的物理意義、模型參數(shù)的計算方法和停留時間分布的測定方法。該改進設(shè)計加入了一個并行的大釜對照反應(yīng)器，能使學生更直觀地了解系統(tǒng)的流動特性，理解多釜串聯(lián)模擬理想反應(yīng)器的實際意義。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)，使過程的推動力得以提高。

多釜串聯(lián) 返混 停留時間分布

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

在研究工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)器內(nèi)進行的液相反應(yīng)時，不僅要了解濃度、溫度等因素對反應(yīng)速度的影響，還要考慮物料的流動特性和傳熱與傳質(zhì)對反應(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，通常采用測定停留時間分布來探求反應(yīng)器的返混程度，通過測定反應(yīng)器的停留時間分布，對過程的物理實質(zhì)加以概括和簡化，得出流動模型［1］。

目前多數(shù)學校開設(shè)的教學實驗中所用的多釜串聯(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間分布測定的原理和實驗方法，還能用理想反應(yīng)器的串聯(lián)模型來描述實驗系統(tǒng)的流動特性［2］。但是只有串聯(lián)模型而沒有對比的理想反應(yīng)器很難讓學生直觀地理解流動特性。因此，本實驗加入了一個并行的大的理想反應(yīng)釜作為對照，學生不僅可以通過理想反應(yīng)器和串聯(lián)模型的實驗結(jié)果對比直觀地理解系統(tǒng)的流動特性，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，還減少了實驗的系統(tǒng)誤差，使學生對流動特性的理解更為系統(tǒng)深入，同時也便于教師指導學生學習。

1 實驗原理

在連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中激烈攪拌，使反應(yīng)器內(nèi)物料發(fā)生混合，反應(yīng)器出口處的物料會返回流動與進口物料混合，這種空間上的反向流動就是返混。限制返混的措施是分割，有橫向分割和縱向分割。當一個釜式反應(yīng)器被分成多個反應(yīng)器后，返混程度就會降低［3］。

在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時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定，通常是通過測定物料停留時間分布來進行研究。我們發(fā)現(xiàn)，在測定不同狀態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布時，相同的停留時間分布可以有不同的返混情況，即返混與停留時間分布不存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此不能用停留時間分布的實驗測定數(shù)據(jù)直接表示返混程度，而是要借助于反應(yīng)器數(shù)學模型來間接表達。

物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間是隨機的，須用概率分布方法來描述。所用的概率分布函數(shù)為停留時間分布密度函數(shù)f(t)和停留時間分布函數(shù)F(t)。停留時間分布密度函數(shù)f(t)的物理意義是:同時進入的N個流體粒子中，停留時間介于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)的物料中停留時間小于t的物料的分率。

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

由停留時間分布密度函數(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，本實驗用水作為連續(xù)流動的物料，以飽和硝酸鉀或氯化鉀溶液作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測溶液電導值。在一定范圍內(nèi)，示蹤劑濃度與電導值成正比，可用電導值來表達物料的停留時間變化關(guān)系，即:

這里的L(t)=Lt－L∞;Lt為t時刻的電導值，L∞為無示蹤劑時的電導值。

停留時間分布密度函數(shù)f(t)有2個概率特征值，平均停留時間(數(shù)學期望)和方差σ。

若采用離散形式表達，并取相同時間間隔Δt，則:

若也用離散形式表達，并取相同Δt，則:

在測定了一個系統(tǒng)的停留時間分布后，要評價其返混程度，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)模型是將一個實際反應(yīng)器中的返混情況與若干個全混釜串聯(lián)時的返混程度等效。這里的若干個全混釜個數(shù)n是虛擬值，并不代表反應(yīng)器個數(shù)，n稱為模型參數(shù)，n并不限于整數(shù)［4］。多釜串聯(lián)模型假定每個反應(yīng)器為全混釜，反應(yīng)器之間無返混，每個全混釜體積相同，這樣就可以推導得到多釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)關(guān)系，并得到σ與n的關(guān)系為:

2 實驗裝置與流程

圖1為改進前裝置圖，圖2為改進后裝置圖。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;攪拌方式為馬達驅(qū)動的葉輪攪拌;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，水為實驗流體［5］。

改進前(圖1)為一個普通的多釜串聯(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，馬達帶動各葉輪進行攪拌，電腦收集電極測試數(shù)據(jù)，并進行計算處理、輸出結(jié)果。改進后的裝置(圖2)在原有基礎(chǔ)上并行了一個容積為串聯(lián)釜總和的大釜作為對照，各個參數(shù)與串聯(lián)釜相同，由電腦控制電磁閥同時加入示蹤劑，電極檢測，同時收集處理數(shù)據(jù)。

圖1 改進前裝置圖

3 實驗步驟

3.1 實驗準備

將示蹤劑溶液加入高位罐內(nèi)，將清水加入另一個高位罐內(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 實驗操作

(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，調(diào)整轉(zhuǎn)子流量計穩(wěn)定在20～40L/h。

圖2 改進后裝置圖

(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)用計算機控制加入定量示蹤劑，同時進行數(shù)據(jù)采集，記錄反應(yīng)器出口示蹤劑濃度隨時間變化的曲線，存儲數(shù)據(jù)。

(5)改變實驗條件，待穩(wěn)定后重復步驟。

3.3 結(jié)束實驗

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

4 結(jié)果與討論

轉(zhuǎn)速為300r/min，數(shù)據(jù)處理計算結(jié)果如表1;圖3為改進前實驗的f(t)-t圖，圖4為改進后實驗的f(t)-t圖。

由表1看出串聯(lián)釜平均停留時間要高出單釜將近三分之一，可見在實際運用中，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也與實際釜相吻合。

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

通過實驗數(shù)據(jù)可看出理論數(shù)值與實驗結(jié)果有一定的偏差，這主要是因為各釜實際狀態(tài)均未達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各釜的混合。

圖3 改進前實驗的f(t)-t圖

圖4 改進后實驗的f(t)-t圖

5 結(jié)語

目前很多學校開設(shè)了單釜反應(yīng)器實驗和多釜串聯(lián)反應(yīng)器實驗，但通常兩個實驗不能同時測定，需要分別測定和采集數(shù)據(jù)。本文提出的改進設(shè)計能夠達到預期目標，在不減少實驗內(nèi)容，不降低要求的情況下，不僅提高了實驗效率，節(jié)省了空間和材料資源，而且還減少了實驗的系統(tǒng)誤差，使學生對流動特性的理解更為系統(tǒng)深入，同時也便于教師指導學生學習。從處理后的數(shù)據(jù)可看出串聯(lián)釜與單釜的流動特性與實際情況相符，除了最后一個反應(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)，使過程的推動力得以提高，能使學生更直觀地理解多釜串聯(lián)模擬理想反應(yīng)器的實際意義。

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

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

［3］武漢大學.化學工程基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2001

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

［5］武漢大學，蘭州大學，復旦大學，等.化工基礎(chǔ)實驗.北京:高等教育出版社，2005

［6］王艷花，黃向紅，喬軍.化工基礎(chǔ)實驗.北京:化學工業(yè)出版社，2012

［7］王培義，張春霞，尹志剛.化學工程與工藝專業(yè)實驗(精細化工方向).北京:化學工業(yè)出版社，2008

［8］楊世芳，周艷，曾嶸.化工技術(shù)基礎(chǔ)實驗.北京:化學工業(yè)出版社，2011

內(nèi)蒙古自治區(qū)化工實驗系列課程教學團隊項目

＊＊通訊聯(lián)系人，E-mail:cehrs@imu.edu.cn