3.2.1　示踪剂

为了使流体的运动和混合的时间过程能够不失真地观察到,所用的示踪剂必须能忠实地跟随流体一起运动。溶解于流体中的可溶性物质一般能满足这个要求。严格地讲,一种化学物质在流场中的输运通量J,包括对流和扩散两部分:

J=uc-DΔc(3.13)

式中,u为流体主体的速度矢量;c为溶质的摩尔浓度;D为溶质示踪剂在流体中的分子扩散系数;Δc为浓度梯度,-DΔc即为溶质的扩散通量。一般情况下,溶质在液相中的扩散系数在10-9m2/s数量级,c在10mol/m3数量级,u约0.1m/s,反应器尺度1m,则对流通量uc约为扩散通量的108倍。因此,可以认为在被测试的反应器中,示踪剂是能准确地代表反应流体的运动和混合的。

同样,气体组分在常温常压的气相中的扩散系数在10-6m2/s数量级,c在10mol/m3数量级,则对流通量uc约为扩散通量的105倍。因此,气体示踪剂作为气相混合过程的标记物,也是适用的。例如,气体流经反应器时,以氢气、氦气等热导率高的气体作示踪剂,通过测定气体混合物的热导率变化,可以探测出反应器内某点示踪剂浓度的变化。

　　细微的异相颗粒也可以用来示踪。在流场可视化实验中,用电解方法在液相流场中就地产生的细小氢气泡,就是早期流场可视化实验的主要方法之一。细微的固体颗粒,其光学性质(不透明或有彩色)与透明的连续相流体有明显区别,也能作为示踪剂,这样容易检测和计数(颗粒数目代表示踪剂浓度);另外其粒径足够小、密度相差不大,则跟随性就好,示踪结果比较准确。

示踪剂与流体主体性质应有显著的区别,而且区别的强度是不随时间而改变的。常见而可利用的性质包括:电导率、颜色、温度等检测方便的性质,测定它们的电导率计、光电二极管、温度计等仪器技术十分成熟、品牌多、价廉易得。最好这些性质变化的测量信号能线性地反映示踪剂浓度的变化,使仪器信号到浓度值的转换准确、容易。按这些要求选定示踪剂是示踪实验设计的最重要的第一步。