鄔勇奇 溫正慧

(華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院)

停留時間分布測定實驗裝置改進(jìn)與空時-均時對比分析

鄔勇奇 溫正慧

(華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院)

通過流程觀測和實驗數(shù)據(jù)分析，在原停留時間分布測定實驗裝置的基礎(chǔ)上，對它進(jìn)行了改進(jìn)。對不同轉(zhuǎn)速下的均時和空時進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明：合適的轉(zhuǎn)速有利于形成無死區(qū)、無短路的理想流動狀態(tài)。

停留時間分布 實驗裝置改進(jìn) 空間時間 平均停留時間 攪拌轉(zhuǎn)速

停留時間分布實驗數(shù)據(jù)對反應(yīng)器的運行狀態(tài)分析與設(shè)計具有重要意義[1～3]。反應(yīng)器中的動力學(xué)模型(如集總動力學(xué)模型[4])、流體混合、傳遞行為及反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型等都是反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容[5～7]，對于設(shè)備設(shè)計與控制具有重要作用。反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型有理想模型與非理想流動模型之分，停留時間分布測定是建立反應(yīng)器流動模型的有效手段。文獻(xiàn)[8，9]通過CFD技術(shù)、Fluent軟件等模擬反應(yīng)器內(nèi)的流場，獲得反應(yīng)器流體的停留時間分布并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。除了通過停留時間分布實驗數(shù)據(jù)求取系統(tǒng)的平均停留時間、方差、流動模型參數(shù)外[10,11]，還可以通過一系列實驗，如空時與均時的比較分析等，來深入研究設(shè)備內(nèi)部流體的流動狀況。通過流程觀察和數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)原有的實驗裝置，使之具備更完善的實驗功能。

1 原實驗裝置的改進(jìn)

影響停留時間分布測定實驗的因素較多，主要有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、流體流量、流體溫度、攪拌槳類型及轉(zhuǎn)速等。原停留時間分布測定實驗裝置(圖1)的主要設(shè)備和儀表有：流體儲箱、流體輸送用離心泵、流量計、示蹤劑注射系統(tǒng)、釜式反應(yīng)器、電動攪拌系統(tǒng)、電極與電導(dǎo)率儀、電腦等。

圖1 原停留時間分布測定實驗裝置框圖

圖1所示的實驗裝置為目前多數(shù)采用的通用實驗裝置，泵的輸送出口有一回流管路，目的是方便調(diào)節(jié)流量。實驗時在一定條件下加入示蹤劑，同時啟動示蹤劑電導(dǎo)率測量儀表，記錄實驗過程中電導(dǎo)率的變化(即濃度的變化)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以計算流體的平均停留時間、方差及模型參數(shù)等。

設(shè)備中流體混合的極限是達(dá)到完全混合狀態(tài)，此時為理想全混流，模型參數(shù)達(dá)極小值，即多釜模型參數(shù)n=1；若未達(dá)到完全混合狀態(tài)，則n>1。

理論上，在脈沖法實驗方法下，流體中示蹤劑的濃度或電導(dǎo)率最終將回歸起始基點，如圖2所示。但水流系統(tǒng)多次實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，系統(tǒng)最終的測定值無法回歸原點，導(dǎo)致流體電導(dǎo)率終值與初值產(chǎn)生差異，即Δμ≠0。部分實驗條件下的電導(dǎo)率差值Δμ見表1。

圖2 電導(dǎo)率與時間關(guān)系曲線

表1 水流系統(tǒng)部分實驗電導(dǎo)率差值Δμ

經(jīng)初步判斷，造成這種現(xiàn)象的原因是實驗中相關(guān)因素的波動。為此，在之后的實驗中加強(qiáng)了對相關(guān)因素的控制并確保數(shù)據(jù)精度，但最終結(jié)果仍無法回歸起點。

進(jìn)一步的判斷是實驗時間不夠，示蹤劑未完全排出設(shè)備。然而在之后的延長實驗中發(fā)現(xiàn)，Δμ并沒有減小，反而有時還略有增加，說明真正原因并非如此。

當(dāng)Δμ達(dá)到一定程度后，在計算均時與方差時，這種差異經(jīng)過時間t的放大，在tE(t)-t、t2E(t)-t(其中E(t)為停留時間分布密度函數(shù))曲線上表現(xiàn)的十分明顯，t2E(t)曲線后期甚至發(fā)生嚴(yán)重的翹尾，由實驗數(shù)據(jù)計算所得的模型參數(shù)n<1[11]，出現(xiàn)了實驗結(jié)果與理論背離的現(xiàn)象。

為了找出產(chǎn)生背離的真正原因，對圖1的實驗裝置進(jìn)行了觀察與分析，發(fā)現(xiàn)流體輸送用離心泵長時間運行做功、環(huán)境溫度變化等因素導(dǎo)致流體溫度變化，特別是泵出口回流液對槽溫的影響。由于電導(dǎo)率值既與濃度有關(guān)，也與溫度有關(guān)，因此流體溫度的變化使測量初值與終值產(chǎn)生差異，這種差值達(dá)到一定程度后將使模型參數(shù)發(fā)生背離。顯然，這種溫度變化引起的電導(dǎo)率差異并非濃度變化的真實反映。這也解釋了延長實驗時間后，Δμ并沒有消除反而有時還略有增加的原因。

為了證實上述分析，對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實驗裝置如圖3所示，R1～R3分別表示1號到3號反應(yīng)器。增加變頻器是為了降低泵的運行功率，減少流體的回流量，從而降低溫度的變化幅度。系統(tǒng)中的測溫儀表可以實時監(jiān)測溫度變化，為過程考察提供數(shù)據(jù)支持。進(jìn)出口增加的閥門有利于反應(yīng)器中持液量的精確檢測，以便更準(zhǔn)確測量空間時間。實驗數(shù)據(jù)可以通過電腦采集，也可以由電導(dǎo)率儀直接讀取，然后用Excel、Matlab等軟件編程處理。

圖3 改進(jìn)后的停留時間分布測定實驗裝置框圖

多次的實驗數(shù)據(jù)與計算驗證了上述分析與討論，消除流體溫度變化產(chǎn)生的影響后，模型參數(shù)背離的問題也得到了解決[11]。同時，改進(jìn)后的實驗裝置還可以進(jìn)行更多特定的實驗。

2 不同攪拌轉(zhuǎn)速下空時與均時的比較

對于不可壓縮流體，空間時間數(shù)值上等于停留時間分布統(tǒng)計的均時。但在一些情況下，兩者之間會出現(xiàn)差別。差別的原因可能來自于儀器誤差或計算誤差，當(dāng)在合理范圍內(nèi)時是許可的。產(chǎn)生差別的另一種原因就比較復(fù)雜，如反應(yīng)器中是否有死區(qū)、溝流及短路等現(xiàn)象，這就要求對反應(yīng)釜中混合狀態(tài)做更深入的探討。攪拌轉(zhuǎn)速是影響流體混合的關(guān)鍵因素之一，因此通過研究不同轉(zhuǎn)速下兩種時間的對比，來進(jìn)一步探討其中流體的混合狀態(tài)。

為便于持液量測量，于各反應(yīng)器進(jìn)出口加設(shè)了截止閥。實驗設(shè)置了3檔攪拌轉(zhuǎn)速：較高轉(zhuǎn)速、中等轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速。較高轉(zhuǎn)速設(shè)定在150～200r/min(更換反應(yīng)器和攪拌槳時可以將轉(zhuǎn)速提高至300～350r/min，轉(zhuǎn)速太高易發(fā)生溢出)，中等轉(zhuǎn)速范圍在100～140r/min，較低轉(zhuǎn)速為40～90r/min。

2.1 較高攪拌轉(zhuǎn)速下的空時與均時比較

在150、180r/min兩種轉(zhuǎn)速條件下，在總體積3L的釜式反應(yīng)器中，以一定的流量進(jìn)行停留時間分布測定。兩種時間最終計算結(jié)果見表2?？梢钥闯?，空時(釜液體積除以流量)大于均時；兩種轉(zhuǎn)速下，以均時為基準(zhǔn)，空時與均時兩者相差分別為7.91%、5.62%。

表2 較高轉(zhuǎn)速下的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2 中等攪拌轉(zhuǎn)速下的空時與均時比較

選擇100、130、140r/min共3種中等轉(zhuǎn)速，進(jìn)行停留時間分布數(shù)據(jù)測定，處理后獲得的相關(guān)計算結(jié)果見表3[11]。其中第2組數(shù)據(jù)的均時與空時均明顯大于其他兩組，主要原因是進(jìn)行實驗時，第2組的流量比其他兩組要低20%，導(dǎo)致流體在反應(yīng)器中的時間變長。表3中的數(shù)據(jù)說明，中等轉(zhuǎn)速下空時與均時相當(dāng)接近；以均時為基準(zhǔn)，3種轉(zhuǎn)速下，空時與均時相差分別為0.77%、0.11%、1.47%。

表3 中等轉(zhuǎn)速下的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.3 較低攪拌轉(zhuǎn)速下的空時與均時比較

選擇40、50、70r/min共3種較低轉(zhuǎn)速，進(jìn)行停留時間分布數(shù)據(jù)測定，處理后獲得的相關(guān)計算結(jié)果見表4。其中第2組數(shù)據(jù)的時間明顯大于其他兩組，原因是第2組的流量比其他兩組下調(diào)了三分之一。表中數(shù)據(jù)說明，低轉(zhuǎn)速下空時與均時之間的差別明顯大于中等轉(zhuǎn)速，而與高轉(zhuǎn)速相當(dāng)。以均時為基準(zhǔn)，3種轉(zhuǎn)速下空時與均時相差分別為4.31%、11.40%、7.98%。

表4 較低轉(zhuǎn)速下的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

對表2～4的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，實驗中經(jīng)過溫度校正處理后，對于均時與空時，在中等轉(zhuǎn)速下兩者的吻合度最好，說明這時反應(yīng)器內(nèi)的混合較為理想，基本不存在死區(qū)、短路等(死區(qū)、短路等將導(dǎo)致空時與均時產(chǎn)生差異，一般空時會大于均時)。而在高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速下，均時與空時的差別較大，而且空時大于均時，說明反應(yīng)器中存在一定的死區(qū)空間：高速攪拌下因壓力分布會形成流體局部死區(qū)；低轉(zhuǎn)速下，反應(yīng)器的邊角、構(gòu)件與壁面交接處易形成死區(qū)。低轉(zhuǎn)速下前期電導(dǎo)率數(shù)值出現(xiàn)忽高忽低的劇烈變化，說明流體初期混合不夠充分。與之相對，中高轉(zhuǎn)速下的電導(dǎo)率是迅速抬升而后緩慢下降的規(guī)律變化。

實驗中也進(jìn)行了流量變化的比較。釜式反應(yīng)器中流量在一定范圍內(nèi)變化，主要影響流體在反應(yīng)器中的停留時間，而對空時與均時的差值影響不大，這也說明此時死區(qū)成因更多與攪拌轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 結(jié)束語

通過對實驗流程的觀測和實驗數(shù)據(jù)的分析，對原停留時間分布測定實驗裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的實驗裝置可滿足多種任務(wù)下的實驗要求。通過對不同轉(zhuǎn)速下空時與均時的分析比較發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速是獲得理想混合狀態(tài)(無死區(qū)、短路等現(xiàn)象)的重要條件。

[1] 朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:108～124.

[2] 李紹芬.反應(yīng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:129～158.

[3] Levenspiel O.Chemical Reaction Engineering[M].New York:John Wiley & Sons,1999:257～334.

[4] 栗偉,蘇宏業(yè),牟盛靜,等.工業(yè)催化裂化過程在線工藝計算技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2009,36(1):18～22.

[5] 鄔勇奇,潘科.氯苯反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的研究[J].化工機(jī)械,2013,40(1):56～58.

[6] 陳新,張素貞,蔣慰孫.工業(yè)苯乙烯懸浮聚合反應(yīng)器動態(tài)建模[J].化工自動化及儀表,1987,14(6):5～10.

[7] 陳宗海,鮑遠(yuǎn)律,沈廉.流化床反應(yīng)器的建模與仿真[J].化工自動化及儀表,1994,21(3):20～23.

[8] 陳國南,李廣贊,王嘉駿,等.泰勒反應(yīng)器中流體流動及停留時間分布研究[J].化學(xué)工程,2005,33(6):22～25.

[9] 張彤輝,董玉平,郭飛強(qiáng),等.微型流化床反應(yīng)器液相冷態(tài)進(jìn)樣停留時間分布模擬與實驗[J].化工機(jī)械,2013,40(6):796～800.

[10] 樂清華.化學(xué)工程與工藝專業(yè)實驗[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:163～166.

[11] 鄔勇奇,溫正慧.流體溫度變化對反應(yīng)器中RTD測定的影響分析[J].化工機(jī)械,2015,42(2):184～187.

ImprovementofExperimentalDeviceforRTDDeterminationandComparisonofSpaceTimeandAverageResidenceTime

WU Yong-qi, WEN Zheng-hui
(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology)

Through observing the process and analyzing the experimental data, and through having original RTD(residence time distribution)experimental device based, the experimental device was improved and the average residence time and space time under different agitation speeds were compared and analyzed to show that, the suitable agitation speed is favorable to form ideal flow state without dead zone, short circuit and so on.

RTD, experimental device improvement, space time, average residence time, agitation speed

華中科技大學(xué)2013年度教學(xué)改革立項資助項目(No.13073)。

鄔勇奇(1964-)，副教授，從事反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計工作，tg20160415@163.com。

TQ056.2

A

0254-6094(2017)02-0141-04

2016-04-19，

2016-05-09)