停留时间分布实训指导书

《化学工程与工艺专业实训》课程指导书

制订教研室：武汉工程大学化学工程教研室

编者：孙国锋，吴晓宇

2013年9月

一、实训课程设置目的

1、使学生获得对化工生产岗位的感性认识，有利于理论和生产实践相结合，为更好地适应社会需求打下良好的实践基础。

2、培养学生观察问题、解决问题和向生产实践学习的能力和方法，以及培养学生的团队合作精神及群体意识。

3、使学生掌握所在岗位的化工生产工艺流程、工艺控制指标、操作原理、典型化工设备的结构与性能，培养化工生产操作技能。熟练的进行化工生产开停车操作、运行操作，能对生产过程中的异常现象、生产事故做出正确判断，并进行相应的处理。

4、通过生产实训，促进教学质量与师生专业技能水平的提高，提升院校化工技术类专业建设水平。

二、实训课程教学内容

（一）安全操作规程及纪律

1、 安全操作规程：

（1）加强防火管理，厂区内不准吸烟，不准使用明火，禁用汽油等易燃液体。

（2）在班前、班上不准喝酒，按规定穿戴劳动保护用品。

（3）安全装置不齐全的设备不准使用。

（4）不是自己分管的设备、工具不准动用。

（5）检修设备时安全措施不落实，不准开始检修。

（6）停机检修后的设备，未经彻底检查，不准启用。

（7）未办高处作业证，不系安全带，脚手架、跳板不牢，不准登高作业。

（8）未安装触电保安器的移动式电动工具，不准使用。

2、生产实训纪律：

（1）遵守厂方劳动纪律，服从厂方安排。

（2）严格遵守上述安全操作规程，未经许可不得开关阀门、按钮等。

（3）遵守作息时间，实训期间不迟到，不早退，不缺席。

（4）尊重工人师傅、听从师傅安排，要求勤看，勤问，勤记。

（5）实训期间保持良好形象，不做有损于学校形象的事情。

（二）实验室内小型连续流动反应器停留时间分布函数的测定

1、实验目的：

（1）了解利用电导率测定停留时间分布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）了解学会用理想反应器串联模型来描述实验系统的流动特性。

2、实验原理：

在连续流动的反应器中，由于反应物料的返混以及在反应器内出现的层流，死角，短路等现象，使得反

应物料在反应器中的停留时间有长有短，即形成停留时间分布，影响反应进程和最终结果。测定物料的停留时间分布是描述物料在反应器内的流动特性和进行反应器设计计算的内容之一。

停留时间分布可以用停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F(t)来表示，这两种概率分布之

间存在着对应关系，本实验只是用阶跃法来测定F(t)函数，然后利用dF(t)=E(t)dt求出E(t)。

用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布

规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。 数学期望对停留时间分布而言是就是平均停留时间，即 =⎰∞

0tE(t)dt

方差是对均值的二阶距，即

σt2=⎰t2E(t)dt-2 0∞

多釜串联模型中的模型参数N可由σt2来计算：

N=2

σ2

t

当N为整数时，代表该非理想流动反应器可以用N个等体积的全混流反应器串联来建立模型，当N为非

整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。

示踪剂在不同时刻浓度c(t)的检测通过电导率仪完成。电导率仪的传感为铂电极，当含有示踪剂的水溶

液通过安装在釜内液相出口的铂电极时，电导率仪将浓度c(t)转化为毫伏级的直流电压信号，该信号经放大器与A/D转机卡处理后，由模拟信号转换为数字信号。该代表浓度c(t)的数字信号在微机内用预先输入的程序进行数据处理并计算出每釜平均停留时间和方差以及N后，由打印机输出。

3、实验装置和步骤

（1）实验装置

图1 实验室小型停留时间分布测定实验装置

（2）实验步骤

准备阶段：

①在室温下，配制KCl饱和溶液500mL，取100mL。从釜中拆下电极头，然后把电极头分别插入KCl

饱和溶液，把电导仪打到校正档调整刻度，进行电极校正，然后装好电极。

②把料液槽中加满水，打开泵进口处阀门，关闭流量计阀门，检查各阀门开关情况，调整到适当位置。

③取400mL饱和KCl溶液，加入示踪剂加料槽的上层并封好加料口。

④检查各电路开关情况，设时间继电器为2s，插上电源，连上计算机接口，打开软件，待用。

三釜串联实验：

①将三釜串联的开关打开，大釜开关关闭，管式反应器开关关闭，将示踪剂加料的三通阀调整到三釜的

位置，打开泵回流开关。

②打开总电源开关，并打开泵开关，缓缓打开流量计调开阀，调到适当的流量位置（若流量偏小可适当

关闭泵回流阀）。

③缓缓调开各釜顶部放空阀，让水充满釜，打开搅拌开关，调开搅拌速率到适当位置。

④打开加示踪剂开关，以驱赶管路中的气体调整到恰好没有气泡混入釜中为最佳，关闭加示踪剂开关，

运行15min。

⑤打开软件，加示踪剂2s，同时记录数据，并进行处理。

⑥改变电机转数，按照上面相同的步骤重新实验。

⑦改变水流量，按照上面相同的步骤重新实验。

单釜实验：

① 将三釜串联的开关关闭，大釜开关打开，管式反应器开关关闭，将示踪剂加料的三通阀调整到大釜

的位置，打开大釜加示踪剂球阀开关，关闭管式反应器的球阀开关，打开泵回流开关。

② 打开总电源开关，并打开泵开关，缓缓打开流量计调开阀，调到适当的流量位置（若流量偏小可适

当关闭泵回流阀）。

③ 缓调开大釜顶部放空阀，让水充满釜，打开搅拌开关，调节搅拌速率到适当位置。

④ 开加示踪剂开关，以驱赶管路中的气体调整到恰好没有气泡混入釜中为最佳，关闭加示踪剂开关，

运行15min。

⑤ 开软件，加示踪剂2s，同时记录数据，并进行处理。

⑥ 改变电机转数，按照上面相同的步骤重新实验。

⑦ 改变水流量，按照上面相同的步骤重新实验。

实验结束：

① 实验完毕，关闭搅拌开关、泵开关，关上总电源开关，清洗示踪剂加料槽中的KCl溶液，放出釜内

液体（有必要的话活化电极）。

② 可把三釜串联开关关闭，打开大釜开关，将示踪剂加料阀调到大釜位置按上述操作进行大釜试验，

其数据与小釜数据进行比较。

4、数据处理

（1）将各个时刻所记录的电导率值，根据对应的温度下的电导率和浓度的关系，在25℃时，

c(t)=7.396⨯κ⨯10-6-4.5⨯10-4，

计算出相应的c(t)值，并根据

F(t)=c(t) c(∞)

求出各个时刻所对应的F(t)，然后利用dF(t)=E(t)dt求出E(t)。将所得结果分成若干段，每段时间间隔相同，按下表格式，将实验结果整理并填入，并作出E(t)~t曲线。

t min

c(t)×103g/ml

E(t)min-1

（2）以E(t)为纵坐标，t为横坐标，标绘出E(t)~t曲线。

（3）根据=∑[tE(t)]ii

i=1

mm来计算。

∑E(t)i

i=1

（4）根据σt=2∑[ti=1

m

i=1m2iE(ti)]-2来计算σt2。 i∑E(t)

（5）多釜串联模型中的模型参数N可由σ来计算：N=

5、注意事项 2t2σ2t。

本实验中，KCl的浓度和电导率之间的关系并是以线性关系处理的。实际上，KCl浓度只是在0～3 mol·L-1

的范围内，浓度和电导率之间的关系才近似为线性关系。为了得到精确的实验结果，对KCl浓度和电导率之间的关系可以作如下处理：

（1） 标准工作曲线法

在实验温度下，测出不同浓度KCl的电导率，然后作c～L标准工作曲线。实验时，测出电导率，通过

查标准工作曲线就可知KCl的浓度。

（2）回归法

由于KCl的浓度和电导率之间的关系并不完全是线性关系，因此可以可以将两者的关系用二次曲线表示：

c=aL+bL2 （公式1）

在实验温度发生变化时，溶液的电导率会发生变化，因此，系数a、b和温度的关系可以表达为：

a=d+eT （公式2）

b=f+gT （公式3）

即 c=(d+eT)L+(f+gT)L2 （公式4）

因此，可以先测出一组浓度c及其对应的电导率L，采用最小二乘法求出式（公式1）中的系数a、b值，

然后通过实验测出一组温度T及其对应的a、b值，进行线性回归得到温度常数d、e、f、g。这样在实验中，通过测定溶液的电导率值和实验温度，就可以通过式（公式4）求出溶液KCl的浓度c。

6、思考题

① 测定停留时间分布函数的方法有哪几种？本实验采用哪种方法？

② 模型参数与实验中反应釜的个数有何不同？为什么？

③ 如何测定KCl浓度和电导率之间的关系？

④ 实验中可以测得的反应器出口示踪剂浓度和时间的关系图，试问此曲线下的面积有何意义？

⑤ 在多釜串联实验中，为什么要在流体流量和转速稳定一段时间后才能开始实验？

（三）在普天实训基地的多功能实训平台上测定停留时间分布

1、实训目的

（1）掌握在工厂内正常的生产设备中测定停留时间分布的方法。

（2）比较实验室中测定停留时间分布和在中试型生产设备中测量停留时间分布的异同。

2、实训原理

和实验室测停留时间分布的原理相同。

3、实训装置和步骤

（1）实训装置

1-水罐；2-阀门；3-KCl水溶液；4-高位槽；5-三通；6-阀门；

7-三通；8-转子流量计； 9-电极；10-反应釜；11-搅拌浆；12-阀门；13-电机

图2 中试型停留时间分布函数测定实验装置

（2）操作步骤

①正式实验前，将KCl溶液注入标有KCl的储瓶内，将水注入标有H2O的储瓶内。连接好入水管线，打

开自来水阀门，使高位水槽有水溢出。检查电极导线连接是否正确。

②慢慢打开进入转子流量计的阀门（注意！初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别是死角处）。调

节水流量维持在30L/h，同时打开釜式反应器的入水阀，直至各釜充满水，并能正常地从最后一级流出。

③打开总电源开关，分别开启釜1、釜2、釜3的搅拌马达开关，后再旋转调节马达转速的旋钮，使三釜

搅拌程度大致相同（电流表指示小于20V）。开启电磁阀开关和电导仪总开关，再分别开启三个电导仪开关，将量程拨钮调到合适量程段后，将拨钮扳至“校正”位置，调节下方电位器使电导仪表针指示为满刻度1.0。至此，调整完毕。将拨钮板至“测量”位置，准备测量。

④开启计算机电源，在桌面上双击“多釜串联”图标，在主画面上按下“实验流程”按钮，调节“示踪

剂量”，“进水流量”，使显示值为实际实验值，在操作员号框中输入自己姓名或学号。

⑤按下“趋势图”按钮，调节“实验周期”、“阀开时间”使显示值为实验所需值（推荐实验周期1800

秒，10mv，阀开时间1～2秒），按下开始按钮，开始采集数据。

⑥待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮（数据保存位置因程序安装路径不同而不

同，如D:\Program Files\BYCIC\多釜串联\data\*.XXX，其中“*”为实验日期与时间，“XXX”为姓名或学号的前三位）。

⑦关闭釜式反应器的进水阀，打开管式反应器的进水阀，将水导入管式及应器，重复步骤（3）~（5）。

注意：调节水流量60L/h（推荐实验周期300秒，5mv，阀开时间0.2秒）。

⑧实验完毕，将实验柜上三通阀转至“H2O”位置，将程序中“阀开时间”调到最大，按“开始”按钮，

冲洗电磁阀。反复多次。

⑨关闭各水阀门，电源开关，打开釜底排水阀，将水排空。

⑩退出实验程序，关闭计算机。

4、数据处理

和实验室测停留时间分布的过程相同。

5、注意事项

（1）流量计校正曲线应平滑，斜率要小。

（2）生产装置系统的水密性要好。

（3）选择KCl（工业级，含量99%以上）作停留时间分布测试探针。

（4）应严格控制进料速率和排水速率。

（5）应注意分析仪器的使用方法。

6、思考题

（1）比较实验室测定停留时间分布的过程和多功能平台上测定停留时间分布的过程和结果有何异同。

（2）从所得的结果，解释对理想情况偏离产生的原因。

（3）思考研究停留时间在化学工程学中有什么实际意义。

（四）普天基地多功能实训平台用于氯化钙的生产

普天基地的多功能平台不但可以进行停留时间分布实验的测定，还可以模拟工厂生产过程进行一些中试型生产过程，如进行氯化钙的生产。下面就对采用测定停留时间的多功能平台的扩展功能进行一些介绍，以利于对其它实验操作过程进行指导。

1、氯化钙的基本性质及用途

氯化钙(CaCl2)系无机盐，化学式CaCl2·2H2O，为白色晶体或块状物，具有高溶解度，吸潮性强，是一种

用途广泛的化工产品，应用于化工、矿山、建筑、交通、冶炼、医药、轻工、染料、食品、农业、储藏等行业，并可作干燥剂、冷冻剂、除冰剂、凝固剂等。熔点782℃，沸点1600℃，密度2.15g/cm3（25℃）。氯化钙在水中的溶解度很大，0℃时100克水能溶解59.5克氯化钙，100℃时溶解159克。能形成含1、2、4、6个结晶水的水合物，它们存在的温度范围是：CaCl2·6H2O低于29℃；CaCl2·4H2O，29～45℃；CaCl2·2H2O，45～175℃；CaCl2·H2O，200℃以上。它也溶于乙醇，生成CaCl2·4C2H5OH，与氨作用，形成CaCl2·8NH3。

2、工业上生产氯化钙的工艺简述

用22%左右的稀盐酸与石灰石（含钙52%左右）反应制取22%的液体氯化钙，经过滤分离，将滤渣弃去，

滤液用石灰乳进行中和调节PH=8.9~9，氯化钙溶液中的杂质如Me2+、Fe3+、Al3+等形成难溶的Me(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀，用压滤机进行过滤，滤饼为固体废物，滤液进行三效强制循环真空蒸发将27%

氯化钙溶液浓缩到68~69%后进入结片机进行制片，片状氯化钙在流化床进行干燥生产74%二水氯化钙。

图1 氯化钙生产工艺示简图

3、生产氯化钙的装置及工艺流程

（1）生产装置

采用测定停留时间分布相同的多功能实训平台。

（2）生产工艺流程

① 原料配制

于塑料桶V1114配制50%碳酸钙矿粉悬浮液60L，并用塑料棒持续搅拌；

于塑料桶V1117配制50%碳酸钙矿粉悬浮液20L，并用塑料棒持续搅拌；

② 管路检查

打开P1101-1107恒流泵的泵前阀、泵后阀，各反应釜、接受罐、压滤罐的进料阀、放空阀，及各连接管

路的阀门。开启并检查各仪表的运行状况。

③运行

打开R1101反应釜的搅拌、P1101、P1103泵电源，按流量比1:1.1（碳酸钙矿粉悬浮液：31%盐酸溶液）调节泵出口阀门控制流量注入至R1101反应釜，待反应釜液面高度大约至60%处，开启R1101底阀、P1104泵进口阀及泵出口阀，开启泵P1104、R1102反应釜搅拌，通过调节P1104的流量使反应悬浮液注满R1101和R1102。控制P1101、P1103、P1104出口阀门开度调节流量，控制反应液体在两个反应釜中停留时间，其由R1102反应釜底阀出口处游离酸的含量在14g/L以下（酸碱滴定）所决定，用pH计在线监测，通过监测结果调整P1101、P1103泵出口阀门的开度。

打开R1102底阀、P1105泵进口阀及泵出口阀，开启R1103搅拌并调节P1105流速，将反应液输送至R1103，根据碳酸钙矿粉种类的区别调节沉淀剂溶液（无毒无害）的加入速度，沉淀剂通过真空抽至高位罐V1106，调节高位罐下方的阀门调节流量使沉淀剂溶液加入到R1103（该处需添加流量计）。

打开R1103底阀、P1106泵进口阀及泵出口阀，开启P1106，调节流量使流体稳定通过S1101过滤，并输送至R1104，开启加热带及R1104搅拌，加热流体温度至70~75℃，将事先配制的50%石灰乳水溶液通过P1110泵至R1104，以此调节体系pH至8.5~9，随后打开R1104底阀、P1108泵进口阀及泵出口阀，开启P1108，调节流量使流体稳定通过S1102过滤，并抽至R1106，反应釜内为待进一步浓缩的稀液体氯化钙产品。

④连续生产过程的停留时间测定

将塑料桶V1114中装满清水，调节P1101输送流量（输送碳酸钙+盐酸流量之和），并根据上述生产工艺依此打开各反应釜搅拌、底阀、泵进口阀及出口阀、泵及管路上的阀门，同时开启两台电导仪，待流量稳定后，且记录仪上显示的浓度在2min内觉察不到变化时，即认为终点己到，记录电导仪的读数；关闭P1101。实验完毕，关闭搅拌开关、泵开关，关上总电源开关，清洗示踪剂加料槽中的示踪剂，放出釜内液体。

4、注意事项

（1）选择碳酸钙，俗称石灰、石粉（工业级，含量99%以上，粒径80~120目）作为原料。

（2）选择盐酸（工业级，含量30~35%）作为生产原料。

（3）选择聚酰胺阴离子树脂（型号：E304/88）除去原料中的硫酸根。

（4）选择氢氧化钙（工业级，含量90%以上，小于等于400目）除去原料中的其它酸根。

（5）所用转子流量计的材质应选用非金属材料。

（6）制作产品应符合质量标准的要求。

（7）应注意控制加入原料的液面，特别是两种原料的进料量。

（8）严格控制变化的生产过程工艺条件。

（9）注意不同工艺条件的工艺参数收集。

三、实训教学计划安排

1、学生分组

为完成本实训教学任务，模拟实际化工厂生产岗位。指导教师在本模拟工厂中担任生产主管角色，学生进入实训装置后，立即对学生进行分组，根据学生人数将学生分为每组5-8人一组。结合本装置特点，每组人员内设置：班长一名，主控二名至三名，巡操二至四名，每组学生自行安排模拟岗位角色，但所有岗位角色必须轮换学习。

2、岗位任务

班长：负责生产指挥、协调和全班组成员管理；

主控：负责DCS系统操作，工艺指标监控、调整；

巡操: 负责现场设备运行操作和现场巡回检查、工艺指标监控；

3、模拟工厂

由指导教师对每个实训内容进行讲解后，安排学生进行相应的操作。

指导教师对每组班长下达生产指令，要求班长会同全班人员完成操作，其余未接受生产指令的班组待令学习；

运行班组完成生产操作任务后，待令班组接班继续完成新的生产操作任务。

四、实训教学考核

实训考核一：

以现场提高方式完成以下学习考核

1、本装置的工艺流程图；

2、本装置的设备及其作用；

3、本装置的仪器仪表及作用；

4、本装置内的管路内物料名称、流向、连接的设备及其作用

理论成绩20分，现场随机抽问两题，每题10分

实训考核二：

根据学生在实训操作环节的操作正确率、动手能力进行考核

操作成绩50分，操作错误1处个人扣10分，小组其余人扣5分。

实训考核三

实训后报告编写，按实训报告格式编写，必须包括以下内容

1、 绘制PID（带控制点的工艺流程）图

2、 实训操作环节的操作内容包括工艺指票、操作步骤、操作时间

报告成绩30分

五、实训课程时间分配表

实训一般安排教学时间为2周，具体安排如下。

六、参考文献

1、武汉大学主编. 化学工程基础. 北京：高等教育出版社，2001

2、刘光永主编. 化工开发实验技术. 天津：天津大学出版社，1994，p217.

3、魏飞，胡永琪，赖志平等. 石油化工，1998，24(4)：276

4、刘跃进. 石油化工，1995，34(6)：405

5、崔波，方晨昭，金青等. 青岛化工学院学报，2000，21(3)：196

化工生产实训记录

1 岗位工艺部分

1.1岗位说明

1) 岗位名称：2) 本岗位在生产流程中的作用：

1.2 岗位生产原理（化学反应）

1.3岗位工艺流程叙述

1.4岗位带控制点工艺流程图

1.5岗位设备布置图

1.6 岗位所用的原材料及其规格

1.7 岗位物料配比

1.8 岗位工艺条件

1.9 岗位工艺中控制指标

1.10 岗位工艺中控制指标分析方法

2. 岗位操作部分

2.1 岗位基本任务

2.2岗位定员及分工

2.3 岗位交接班内容

2.4岗位所属设备（设备一览表）

2.5岗位所属管道（管道材料一览表）

2.6岗位开车准备

2.7岗位正常操作步骤

2.8岗位非正常停车操作步骤

2.9岗位操作注意事项

3 岗位安全部分

3.1岗位原料物性、安全要求及处理方法

3.2岗位技术安全条例

3.3岗位设备、管道、阀门、仪表的安全操作要求

3.4用电安全操作要求

3.5岗位劳动保护及劳动环境的安全要求

3.6岗位在运行过程中遇到紧急停电、停水、停蒸汽安全操作要求

3.7岗位事故应急处理安全操作要求

3.8岗位长期停车前安全操作要求