多釜串联性能研究实验的改进*

胡瑞生 王瑞达 刘启业 高官俊 段毅文

(1内蒙古大学化学化工学院 内蒙古呼和浩特 010021;2内蒙古师范大学化学与环境学院 内蒙古呼和浩特 010020)

多釜串联性能研究实验的改进*

胡瑞生1＊＊王瑞达1刘启业1高官俊1段毅文2

(1内蒙古大学化学化工学院 内蒙古呼和浩特 010021;2内蒙古师范大学化学与环境学院 内蒙古呼和浩特 010020)

多釜串联实验有利于理解多釜串联反应器的返混特性、停留时间分布与多釜串联模型的关系、模型参数的物理意义、模型参数的计算方法和停留时间分布的测定方法。该改进设计加入了一个并行的大釜对照反应器，能使学生更直观地了解系统的流动特性，理解多釜串联模拟理想反应器的实际意义。相比单理想反应器，多釜串联模拟是在较高浓度下进行的，减少了混合作用所产生的稀释效应，使过程的推动力得以提高。

多釜串联 返混 停留时间分布

我国综合性大学应用化学专业大多是在原化学专业的基础上于20世纪90年代发展起来的一个新专业，要求应用化学专业的学生主要掌握化学与化工相关学科的基础知识、基本理论和基本技能。因此，我们在应用化学等专业中开设了典型的多釜串联性能测定实验，此实验是模拟化学工业中最具代表性的釜式反应，是一个接近实际情况的反应体系，具有培养学生实践应用能力的作用。

在研究工业生产反应器内进行的液相反应时，不仅要了解浓度、温度等因素对反应速度的影响，还要考虑物料的流动特性和传热与传质对反应速度的影响。由于种种原因造成的涡流、速度分布等使物料产生不同程度的返混。反应器的返混程度是很难直接观察和度量的，通常采用测定停留时间分布来探求反应器的返混程度，通过测定反应器的停留时间分布，对过程的物理实质加以概括和简化，得出流动模型［1］。

目前多数学校开设的教学实验中所用的多釜串联仪器为脉冲输入三釜串联，不仅可以很好地了解停留时间分布测定的原理和实验方法，还能用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性［2］。但是只有串联模型而没有对比的理想反应器很难让学生直观地理解流动特性。因此，本实验加入了一个并行的大的理想反应釜作为对照，学生不仅可以通过理想反应器和串联模型的实验结果对比直观地理解系统的流动特性，还可以更清晰地理解多釜串联模拟理想反应器的意义;既节省了空间和材料资源，还减少了实验的系统误差，使学生对流动特性的理解更为系统深入，同时也便于教师指导学生学习。

1 实验原理

在连续流动釜式反应器中激烈搅拌，使反应器内物料发生混合，反应器出口处的物料会返回流动与进口物料混合，这种空间上的反向流动就是返混。限制返混的措施是分割，有横向分割和纵向分割。当一个釜式反应器被分成多个反应器后，返混程度就会降低［3］。

在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小一般很难直接测定，通常是通过测定物料停留时间分布来进行研究。我们发现，在测定不同状态的反应器内停留时间分布时，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而是要借助于反应器数学模型来间接表达。

物料在反应器内的停留时间是随机的，须用概率分布方法来描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数f(t)和停留时间分布函数F(t)。停留时间分布密度函数f(t)的物理意义是:同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到t+dt间的流体粒子所占的分率为f(t)dt。停留时间分布函数F(t)的物理意义是:流过系统的物料中停留时间小于t的物料的分率。

停留时间分布的测定方法有脉冲法、阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。

由停留时间分布密度函数的物理含义，可知:

由此可见，f(t)与示踪剂浓度c(t)成正比。因此，本实验用水作为连续流动的物料，以饱和硝酸钾或氯化钾溶液作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，示踪剂浓度与电导值成正比，可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即:

这里的L(t)=Lt－L∞;Lt为t时刻的电导值，L∞为无示踪剂时的电导值。

停留时间分布密度函数f(t)有2个概率特征值，平均停留时间(数学期望)和方差σ。

若采用离散形式表达，并取相同时间间隔Δt，则:

若也用离散形式表达，并取相同Δt，则:

在测定了一个系统的停留时间分布后，要评价其返混程度，就需要用反应器模型来描述。本文采用的是多釜串联模型。

所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况与若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n是虚拟值，并不代表反应器个数，n称为模型参数，n并不限于整数［4］。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，这样就可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到σ与n的关系为:

2 实验装置与流程

图1为改进前装置图，图2为改进后装置图。反应器为不锈钢制成的搅拌釜，釜Ⅰ、釜Ⅱ、釜Ⅲ有效容积均为1L，釜Ⅳ有效容积为3L;搅拌方式为马达驱动的叶轮搅拌;脉冲法加入示踪剂，由电脑控制电磁阀加入;硝酸钾或氯化钾饱和溶液为示踪剂，水为实验流体［5］。

改进前(图1)为一个普通的多釜串联装置，水为流体，硝酸钾或氯化钾饱和溶液为示踪剂，由电脑控制电磁阀加入，马达带动各叶轮进行搅拌，电脑收集电极测试数据，并进行计算处理、输出结果。改进后的装置(图2)在原有基础上并行了一个容积为串联釜总和的大釜作为对照，各个参数与串联釜相同，由电脑控制电磁阀同时加入示踪剂，电极检测，同时收集处理数据。

图1 改进前装置图

3 实验步骤

3.1 实验准备

将示踪剂溶液加入高位罐内，将清水加入另一个高位罐内;水槽注水;检查电路是否正确;调电极常数并调零。

3.2 实验操作

(1)将三通阀转向示踪剂一侧。

(2)接通水泵电源，向釜内充水，并使各釜稳定流动，调整转子流量计稳定在20～40L/h。

图2 改进后装置图

(3)待各釜内充满水，调整各釜搅拌，使转速一致(200～400r/min)。

(4)用计算机控制加入定量示踪剂，同时进行数据采集，记录反应器出口示踪剂浓度随时间变化的曲线，存储数据。

(5)改变实验条件，待稳定后重复步骤。

3.3 结束实验

关闭电机，排放釜内水，关闭电源。进行数据处理［6-8］。

4 结果与讨论

转速为300r/min，数据处理计算结果如表1;图3为改进前实验的f(t)-t图，图4为改进后实验的f(t)-t图。

由表1看出串联釜平均停留时间要高出单釜将近三分之一，可见在实际运用中，串联釜反应器比单釜反应器有更充分的停留时间，使反应更加完全。串联釜Ⅰ、釜Ⅱ、釜Ⅲ与单釜Ⅳ的σ由小到大依次递增，而且单釜的σ明显高于串联的3个釜，结合所得单釜的σ更趋近于1，串联釜的σ更趋近于0，可见单釜流动状况接近全混流，多釜串联接近平推流，所得虚拟釜数n也与实际釜相吻合。

由图3与图4均可清晰看出各釜停留时间分布以及各釜流体随时间的浓度变化。由图4可直观地看出多釜串联模型除了最后一个釜，所有其他反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。

通过实验数据可看出理论数值与实验结果有一定的偏差，这主要是因为各釜实际状态均未达到所假想的理想状态。示踪剂在各釜内壁上也可能有一定的粘连，并未完全混合均匀。串联釜Ⅰ比单釜Ⅳ更接近全混流状态，可见体积小更有利于混合。另外，提高搅拌速度也有利于加强各釜的混合。

图3 改进前实验的f(t)-t图

图4 改进后实验的f(t)-t图

5 结语

目前很多学校开设了单釜反应器实验和多釜串联反应器实验，但通常两个实验不能同时测定，需要分别测定和采集数据。本文提出的改进设计能够达到预期目标，在不减少实验内容，不降低要求的情况下，不仅提高了实验效率，节省了空间和材料资源，而且还减少了实验的系统误差，使学生对流动特性的理解更为系统深入，同时也便于教师指导学生学习。从处理后的数据可看出串联釜与单釜的流动特性与实际情况相符，除了最后一个反应器外，所有其他反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应，减少了混合作用所产生的稀释效应，使过程的推动力得以提高，能使学生更直观地理解多釜串联模拟理想反应器的实际意义。

［1］陈甘棠.化学反应工程.第3版.北京:化学工业出版社，2007

［2］朱炳辰.化学反应工程.第5版.北京:化学工业出版社，2012

［3］武汉大学.化学工程基础.北京:高等教育出版社，2001

［4］朱开宏，袁渭康.化学反应工程分析.北京:高等教育出版社，2002

［5］武汉大学，兰州大学，复旦大学，等.化工基础实验.北京:高等教育出版社，2005

［6］王艳花，黄向红，乔军.化工基础实验.北京:化学工业出版社，2012

［7］王培义，张春霞，尹志刚.化学工程与工艺专业实验(精细化工方向).北京:化学工业出版社，2008

［8］杨世芳，周艳，曾嵘.化工技术基础实验.北京:化学工业出版社，2011

内蒙古自治区化工实验系列课程教学团队项目

＊＊通讯联系人，E-mail:cehrs@imu.edu.cn