1。5 中间包水模型实验研究方法

1。5。1 停留时间测定

中间包中，浸入式水口的钢液冲击，出水口处对钢液的抽吸作用以及中间包形状 对流体流动形态的影响，使得中间包中的流体流动状态及其复杂，形成非理想连续流 动[7]。流入中间包的各流体微团从流入到流出这一过程中，它们的流速分布不同，所 走路径不同，所以它们在中间包中的停留时间也不同。流体微团在中间包中的停留时 间的大小和分布，对于中间包冶金而言有着重要的影响。所以测定中间包中的流体停留时间的大小及分布，并利用其对钢液流动的状态及中间包冶金效果进行分析，为中 间包冶金的重要内容。文献综述

通常采用刺激—响应实验测量中间包停留时间分布。方法为：在中间包的流体注 入侧输入一个刺激信号，一般利用示踪剂完成信号的输入，并在中间包出口处设置一 个收集信号的装置，即为所谓的响应。通过响应曲线并通过计算得出流体停留时间的 分布。刺激—响应实验类似于黑箱实验。刺激—响应实验的优点在于即使流体的流动 状态不能够直接测量，依然可以通过响应曲线通过计算获得。

在冶金实验过程中常用的示踪剂有：如果是高温反应过程，通常采用高灵敏度的 同位素，不参加反应的元素如铜，金等作为示踪剂。如果是冷态反应过程，通常使用 电解质，染色剂，发光剂作为示踪剂，常用的电解质示踪剂有 NaCl，KCl 等。示踪 剂的加入方法通常有两种：脉冲式加入和阶跃式加入。最常见的示踪剂加入方法为脉 冲式加入。

响应信号要能准确地反应流体的流动状态，并且示踪剂不能干扰流体的流动，这 是刺激—响应实验准确的关键。所以为了使刺激—响应实验更加准确需要满足以下原 则：（1）刺激—响应实验必须为线性过程，所谓线性过程，即刺激信号的变化与响 应信号的变化是成比例的。所以，需要对刺激—响应信号进行线性检验，保证其在线 性范围内波动。（2）作为信号的示踪剂与反应器中的流体不能发生反应，示踪剂不 会因反应导致增加或减少，从而影响实验结果，即示踪剂必须是惰性的。（3）脉冲 加入表示信号的示踪剂时，示踪剂需要瞬时加入以形成脉冲信号，但在实际实验条件 下很难做到真正的瞬时加入，只能通过尽量缩短添加示踪剂的时间（一般要小于根据 流量计的平均停留时间的 5%），加入时间过长的话，会导致信号加入的时间误差过 大，从而影响表征反应器流体流动特征实验的准确性。（4）示踪剂信号要易于检测。

当流体以某一稳定的流量流经反应器时，各个流体微元亦通过不同的路径流经反 应器。它们的路径长短不一，停留时间不一。由于流体微元数量众多，它们的分布符 合统计规律。如图 1-1 所示，大部分流体微元都在中部范围，停留时间很小及过长的 流体微元都很少。我们称这种曲线为停留时间分布函数 E(t)，它的定义是：Edt 是在 反应器中的流体中在系统内寿命属于 t+dt 之间的分子。

图 1-1 停留时间分布函数

一般把出口的流体在反应器中的停留时间用来表示 E(t)。当反应器中的流体流速 恒定时，从出口或从入口定义的停留时间分布函数都是一样。流经系统的全部流体微 元可看为 1，因此：

寿命低于 t1 的流体微元所占的比例为：

寿命高于 t1 的流体微元所占的比例为：

实际上，停留时间分布函数 E(t)是一个概率分布函数，其值可通过其数学期望即 均值，方差等数值特征确定。停留时间分布函数的均值（亦可称为平均停留时间）为：