《高等化学反应工程》课程教学资源（实验指导）化工基础实验指导书（共七个实验）

化工基础实验ⅡI指导书实验1平推流反应器流动性能测试一。实验目的1.了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。2．掌握停留时间分布特征值的计算方法。3.理解轴向混合模型，学会评价非理想流动的返混程度。二，实验原理管式反应器是化工中常用的反应器。本实验装置可测定管式反应器中停留时间分布，将数据测量结果用轴向扩散模型来定量返混程度，从而加深对返混的认识和理解。在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。反混程度的大小，一般很难直接测定，通常是用物料停留时间分布的测定来研究。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，在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪物料，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：c(t)E(t)= c(0)dt由此可知E（t）与示踪剂浓度c(t）成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCI作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCI浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化。停留时间分布密度函数E(t）在概率论中有两个特征值，平均停留时间（数学期望）i和方差？。f, tc(t)dti的表达式为：i=(1)J c(0)dt"t'c(t)dt-(0)的表达式为：：(2)J. c(t)dt若采用无因次时间9可得无因次平均停留时间和无因次方差。。11

化工基础实验 II 指导书 1 实验 1 平推流反应器流动性能测试 一. 实验目的 1. 了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。 2. 掌握停留时间分布特征值的计算方法。 3. 理解轴向混合模型，学会评价非理想流动的返混程度。 二. 实验原理 管式反应器是化工中常用的反应器。本实验装置可测定管式反应器中停留时间分布，将 数据测量结果用轴向扩散模型来定量返混程度，从而加深对返混的认识和理解。 在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。反混程度的大小， 一般很难直接测定，通常是用物料停留时间分布的测定来研究。 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， 在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪物料，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：   = 0 ( ) ( ) ( ) c t dt c t E t 由此可知 E（t）与示踪剂浓度 c (t) 成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料， 以饱和 KCl 作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl 浓度与电导 值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化。 停留时间分布密度函数 E (t) 在概率论中有两个特征值，平均停留时间（数学期望） t 和 方差 2  t 。 t 的表达式为：     = 0 0 ( ) ( ) c t dt tc t dt t （1） 2  t 的表达式为： 2 0 0 2 2 ( ) ( ) ( ) t c t dt t c t dt t = −      （2） 若采用无因次时间 t t  = ，可得无因次平均停留时间  和无因次方差 2  

化工基础实验ⅡI指导书@=1ao=9(3)72在测定了一个系统的停留时间分布后，如何评价其返混程度，则需要反应器模型来描述。这里我们采用的是轴向混和模型。轴向混合模型是一种适合于返混程度较小的非理想流动的流动模型，它是在平推流的基础上再送加一个轴向混合的校正。即：a'cac℃ = D.0(4)uaoz2atOzM如写成无因次形式，利用=，0=小，三iLCo(D.)a"ac(1)acac则：(5)(ul)a=ataz(Pe)a=2OuL式中Pe=称为Peclet准数，其物理意义是轴向对流流动与轴向扩散流动的相对Da大小，反映了返混程度。当Pe一→0时，对流传递速率较之扩散传递速率要慢得多，此属于全混流情况。反之，当Pe一→oo时，即Da=0，这就变为活塞流情况。由此可见，Pe越大，返混程度越小。Pe也就是轴向扩散模型的模型参数。Pe与方差之间的关系：%=2.2(1-e-Pe(6)PePe?因此只要测得系统的停留时间分布E（t)，则可求出该分布的方差，利用式（6）即可求出模型参数Pe。三.实验装置1.实验流程示意图2

化工基础实验 II 指导书 2  = 1 2 2 2 t  t   = （3） 在测定了一个系统的停留时间分布后，如何评价其返混程度，则需要反应器模型来描述。 这里我们采用的是轴向混和模型。 轴向混合模型是一种适合于返混程度较小的非理想流动的流动模型，它是在平推流的基 础上再迭加一个轴向混合的校正。即： z c u z c D t c a   −   =   2 2 （4） 如写成无因次形式，利用 0 c c c = ， t t  = ， L z z = 则： z c z c z Pe c z c uL D t c a   −         =   −         =   2 2 2 2 1 （5） 式中 Da uL Pe = ，称为 Peclet 准数，其物理意义是轴向对流流动与轴向扩散流动的相对 大小，反映了返混程度。 当 Pe→0 时，对流传递速率较之扩散传递速率要慢得多，此属于全混流情况。反之，当 Pe→∞时，即 Da=0，这就变为活塞流情况。由此可见，Pe 越大，返混程度越小。Pe 也就是 轴向扩散模型的模型参数。 Pe 与方差 2   之间的关系： ( ) Pe e Pe Pe − = − 1− 2 2 2 2   （6） 因此只要测得系统的停留时间分布 E (t) ,则可求出该分布的方差，利用式（6）即可求 出模型参数 Pe。 三. 实验装置 1. 实验流程示意图

化工基础实验ⅡI指导书电极管式反应器流口口温度计?文X文回流阀水箱管式反应器轴向混合测定实验流程示意图2.设备的主要技术数据（1）管式反应器直径50mm，高500mm。(2)转子流量计0.4-4.0L/min(3）离心泵WB50/025一，操作步骤1.准备工作(1)将饱和KCI液体注入标有KCI的储瓶内。(2)连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。(3)检查电极导线连接是否正确。2.实验操作(1)打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注入水，启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门。调节水流量维持在0.8-2L/min之间某值，直至各管式反应器釜充满水。(2)开启电导仪开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。调整完毕，备用。开启计算机电源，打开“返混程序”软件。(3)3

化工基础实验 II 指导书 3 流 量 计 温 度 计 泵 回流阀 水 箱 管 式 反 应 器 电极 管式反应器轴向混合测定实验流程示意图 2. 设备的主要技术数据 (1) 管式反应器直径 50mm，高 500mm。 (2) 转子流量计 0.4-4.0 L/min (3) 离心泵 WB50/025 一. 操作步骤 1. 准备工作 （1） 将饱和 KCl 液体注入标有 KCl 的储瓶内。 （2） 连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。 （3） 检查电极导线连接是否正确。 2. 实验操作 （1） 打开总电源开关，开启入水阀门，向水槽内注入水，启动水泵，慢慢打开进水转子 流量计的阀门。调节水流量维持在 0.8-2L/min 之间某值，直至各管式反应器釜充满 水。 （2） 开启电导仪开关，按电导率仪使用说明书分别调节“调零”、调温度和电极常数等。 调整完毕，备用。 （3） 开启计算机电源，打开“返混程序”软件

化工基础实验ⅡI指导书(4)在“返混程序”中进行“参数设定”，待整个实验系统运行稳定后，点击“实验开始”，开始采集数据。(5)待实验结束，点击“结束实验”按钮，并保存数据曲线图。3.停车(1)实验完毕，将KCI储瓶中KCI溶液放空，并注入蒸馏水，启动实验装置面板上电磁阀开关，冲洗电磁阀及管路，反复三、四次。(2)关闭各水阀门、电源开关，打开管式反应器排水阀，将水排空(3)退出实验程序，关闭计算机。二. 实验内容和数据处理1实验内容（1）用脉冲示踪法测定管式反应器停留时间分布：（2）改变水流量，观察不同流速下反应器中的返混程度。2.实验数据处理（1）由实验数据计算平均停留时间、方差，并计算无因次方差和模型参数：（2）将计算结果与计算机计算结果比较，分析偏差原因：（3）列出数据处理结果表；（4）讨论实验结果。三，思考题1.为何可采用Peclet准数反映返混程度？2.如何限制返混或加大管式反应器中的返混程度？4

化工基础实验 II 指导书 4 （4） 在“返混程序”中进行“参数设定”，待整个实验系统运行稳定后，点击“实验开始”， 开始采集数据。 （5） 待实验结束，点击“结束实验”按钮，并保存数据曲线图。 3. 停车 （1） 实验完毕，将 KCl 储瓶中 KCl 溶液放空，并注入蒸馏水，启动实验装置面板上电磁 阀开关，冲洗电磁阀及管路，反复三、四次。 （2） 关闭各水阀门、电源开关，打开管式反应器排水阀，将水排空。 （3） 退出实验程序，关闭计算机。 二. 实验内容和数据处理 1 实验内容 （1）用脉冲示踪法测定管式反应器停留时间分布； （2）改变水流量，观察不同流速下反应器中的返混程度。 2. 实验数据处理 （1）由实验数据计算平均停留时间、方差，并计算无因次方差和模型参数； （2）将计算结果与计算机计算结果比较，分析偏差原因； （3）列出数据处理结果表； （4）讨论实验结果。 三. 思考题 1. 为何可采用 Peclet 准数反映返混程度？ 2. 如何限制返混或加大管式反应器中的返混程度？

化工基础实验IⅡI指导书实验2全混流反应器返混性能测试一，实验目的1.通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。2.掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。3.学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。二，实验原理在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质有关以外，还与反应物料在反应器内停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器时开始，到其离开反应器为止的这一段时间。显然对流动反应器而言，停留时间不像间歇反应器那样是同一个值，而是存在着一个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体的扩散，以及反应器内的死区等。停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图1形象地描述，--c(t)Co(t)t=0tt图1脉冲法测停留时间分布由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此：5

化工基础实验 II 指导书 5 实验 2 全混流反应器返混性能测试 一. 实验目的 1. 通过实验了解停留时间分布测定的基本原理和实验方法。 2. 掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法。 3. 学会用理想反应器的串联模型来描述实验系统的流动特性。 二. 实验原理 在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质 有关以外，还与反应物料在反应器内停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应 越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器时开始，到其离开反应器为止的这一段时 间。显然对流动反应器而言，停留时间不像间歇反应器那样是同一个值，而是存在着一 个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体 的扩散，以及反应器内的死区等。 停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流 动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。 停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以 一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器 内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选 用的是脉冲输入法。 脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体 原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度 c(t)随时 间的变化。整个过程可以用图 1 形象地描述。 由概率论知识可知，概率分布密度函数 E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此