流体温度变化对反应器中RTD测定的影响分析

邬勇奇 温正慧

(华中科技大学)

流体温度变化对反应器中RTD测定的影响分析

邬勇奇**温正慧

(华中科技大学)

采用脉冲法测量了搅拌反应器中的流体停留时间分布(RTD)，讨论了流体温度变化对停留时间分布的统计特征值及流动模型参数的影响。当实验过程中流体温度升高(或变化)，将导致电导率基线发生漂移。实验数据处理发现，这种基线漂移会加大停留时间分布的计算偏差，进一步影响模型参数的计算正确性和反应器设计。消除基线漂移的影响对获得正确的计算结果具有积极作用。

反应器 RTD 温度变化 基线漂移

反应器内进行的过程可分为化学反应过程和传递过程。其中，传递过程与设备尺寸、结构、流体物性及流动状况等密切相关。通过冷模试验所获得的传递过程规律可用于建立反应器数学模型。RTD测定就是最重要的实验内容之一。工业上，连续反应器内的流动与混合状态通常是各不相同的，反应的结果也受其影响。RTD测定是表征反应器内流动状态的有效途径，对于反应器运行的工况分析、设计与放大等具有重要意义。

有文献针对设备内停留时间分布的研究进行了大量报道[1～8]。笔者通过RTD相关实验和数据的处理与分析，考察了温度变化对反应器中流体停留时间分布计算结果(如数学特征值及模型参数等)的影响，从而为正确评价反应器的运行状态提供参考。

1 实验装置及流程

实验装置由反应器、水泵、水箱、电导电极、阀门、电导仪及转子流量计等组成。其中大反应釜内径150mm、内空高约160mm；小釜内径110mm、内空高约140mm。主要仪器型号：玻璃转子流量计，天津市自动化仪表十四厂LZB型，量程0～60L/h；数字电导率仪，天津市盛邦科技有限公司DDS-302；微型离心泵，阳江市新力工业有限公司粤华牌不锈钢微型离心泵，量程1.2～4.8m3/h。此外还有转速调节器及精密温度计等，实验装置如图1所示。

图1 RTD测定实验装置示意图1——π形管出口；2——搅拌电机； 3、4——示踪剂加入口； 5——电导仪； 6——三通阀； 7——电导电极； 8——转子流量计；9——水箱； 10——水泵

实验中所用流体为水，示踪剂为饱和KCl溶液。水从水箱由泵经流量计计量后送入釜中。KCl示踪剂用注射器从反应器顶部示踪剂入口快速加入反应器中。实验过程中的流体温度变化由精密温度计测量，流体电导率的变化由电导率仪测得，转速由电机调节。实验可分为单釜(大釜)与多釜(小釜)串联测定。由于水泵提供的量程大于实验所需流量，故多余流量经泵出口旁路回流至水箱中。

2 结果与讨论

2.1流体温度变化对其电导率数值的影响

在停留时间分布测定实验过程中，由于部分实验时间较长(与设备容积及流体流量有关)，或其他原因导致流体温度发生变化。这对RTD的测定和数据的处理会产生一定程度的影响。要消除温度变化对计算结果的影响，首先要掌握流体电导率与温度变化的关系曲线。考虑到实验环境是在12～18℃温度范围，本实验对14～17℃的水流体(载体)电导率随温度变化的情况进行了测定，结果见表1(不同的水质测量数据会有所不同)。

表1 水流体电导率随温度变化

从表1可以看出，流体温度每变化1℃，其电导率将产生(6.7～7.2)×10-3ms/cm的变化。本实验是通过测量示踪剂KCl溶液的电导率来获得反应器的停留时间分布的。载流体水本身存在一个电导率值，也即实验开始时流体电导率的初值。实验过程中由于泵体做功等原因使得流体温度升高，当采用脉冲法测量时，实验结束时的电导率终值会一直大于实验初值，导致电导率无法回归原点。这就造成了实验基线漂移(抬升)，并影响最终计算结果。

2.2实验数据处理方法(原则)

由于实验中使用的水流体并非去离子水，本身有一定的电导率，且随实验中温度的变化而变化。设实验中含示踪剂水流体的电导率仪表读数为μ1(t)，水流体本身的电导率值为μ0(t)，则示踪剂本身的电导率值μ(t)为：

μ(t)=μ1(t)-μ0(t)

(1)

式中t——流体在反应器中的停留时间，s。

实验中流体温度不断升高，水流体本身的电导率μ0(t)的计算式为：

μ0(t)=μ0(0)+k1(T-T0)

(2)

式中k1——温度变化导致水流体电导率变化的斜率，k1=(6.7～7.2)×10-3，可根据实验确立(本实验取范围内的均值)；

T——实验测量的流体温度；

T0——实验流体初始温度；

μ0(0)——水流体初始电导率，即实验初值(原点)。

温度未校正(不考虑基线漂移)的情况下，示踪剂电导率μ(t)的计算公式为：

μ(t)=μ1(t)-μ0(0)

(3)

温度已校正(已考虑基线漂移)的情况下，示踪剂电导率μ(t)的计算公式为：

μ(t)=μ1(t)-μ0(t)=μ1(t)-[μ0(0)+k1(T-T0)]

(4)

不同时间t下的温度T可通过精密温度计实时测量。假设示踪剂浓度为c(t)，实验范围内示踪剂浓度近似正比于其电导率μ(t)：

c(t)=k·μ(t)

(5)

其中，k为比例系数。停留时间分布密度函数E(t)计算式为：

(6)

流体的平均停留时间和方差计算式为：

(7)

(8)

从以上公式可以看出，示踪剂的电导率-时间曲线相当于示踪剂浓度-时间曲线，该曲线可以比较全面地反映容器内流体的RTD分布情况。

2.3流体温度变化未校正的RTD计算及结果

(9)

实验条件下反应器的空间时间τ可按反应器有效体积V与进口体积流量Q之比计算:

τ=V/Q

(10)

几组条件下的实验数据计算结果见表2。

表2 不同条件下RTD数据计算结果(温度未校正)

注：编号中的S表示单釜实验，下同。

2.4流体温度变化校正后的RTD计算及结果

按公式(4)修正温度变化引起的基线漂移影响，再按式(5)～(10)对实验数据进行处理后，所得计算结果列于表3。

表3 不同条件下RTD数据计算结果(温度已校正)

2.5对比分析

比较分析实验条件下的数据发现，温度修正与否对RTD计算中的相关曲线影响很大。图2是计算平均停留时间时t×E(t)-t曲线对比(实验序号3S)。

图2 t×E(t)-t曲线对比图

在进行RTD方差的计算时，这种曲线的差异表现得更加明显。在转速80r/min、流量16L/h实验条件下，所得的t2×E(t)-t曲线如图3所示。

图3 t2×E(t)-t曲线对比图

图3中两条曲线的差异在实验后半期十分显著。其原因在于未进行基线漂移修正的电导率数据无法回归原点，E(t)残存值大，致使曲线发生翘尾现象(时间越长越严重)。这样，模型参数的计算结果也将失真。

实际上，影响RTD实验数据测定的因素较多。除流体温度外，还与搅拌转速(高速、中速、低速)、流体流量、反应器尺寸与结构以及实验终止点的正确判定等一系列因素有关，可进一步深入探讨。

3 结束语

在进行停留时间分布实验测定时，如果流体的温度在实验过程中发生变化，这将导致基于电导率测量的实验基线发生相应的漂移。在此基础上的停留时间分布函数的计算(包括平均停留时间与方差等)将产生一定程度的偏差，从而进一步影响模型参数的计算与反应器设计。对此电导率基线漂移进行修正，实验条件下所得平均停留时间计算结果与空间时间吻合，模型参数N值约为1.1～1.2，比较接近全混流模型。

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AnalysisofFluidTemperatureInfluenceonRTDinAgitationReactor

WU Yong-qi, WEN Zheng-hui

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

The pulse method was adopted to measure fluid’s residence time distribution (RTD) in agitation reactor. The temperature change’s influences on RTD’s statistical characteristic value and the fluid model parameters were discussed to show that, the temperature’s rise or variation would result in conductivity baseline drift which can increase the error in calculating RTD and it further influences both model parameters and reactor design. Removing the baseline drift’s influence on the calculation results has positive role.

reactor, RTD, temperature variation, baseline drift

**邬勇奇，男，1964年1月生，副教授。湖北省武汉市，430074。

TQ052

A

0254-6094(2015)02-0184-04

2014-07-30，

2014-08-21)