3.2.1　示蹤劑

為了使流體的運動和混合的時間過程能夠不失真地觀察到,所用的示蹤劑必須能忠實地跟隨流體一起運動。溶解于流體中的可溶性物質一般能滿足這個要求。嚴格地講,一種化學物質在流場中的輸運通量J,包括對流和擴散兩部分:

J=uc-DΔc(3.13)

式中,u為流體主體的速度矢量;c為溶質的摩爾濃度;D為溶質示蹤劑在流體中的分子擴散系數;Δc為濃度梯度,-DΔc即為溶質的擴散通量。一般情況下,溶質在液相中的擴散系數在10-9m2/s數量級,c在10mol/m3數量級,u約0.1m/s,反應器尺度1m,則對流通量uc約為擴散通量的108倍。因此,可以認為在被測試的反應器中,示蹤劑是能準確地代表反應流體的運動和混合的。

同樣,氣體組分在常溫常壓的氣相中的擴散系數在10-6m2/s數量級,c在10mol/m3數量級,則對流通量uc約為擴散通量的105倍。因此,氣體示蹤劑作為氣相混合過程的標記物,也是適用的。例如,氣體流經反應器時,以氫氣、氦氣等熱導率高的氣體作示蹤劑,通過測定氣體混合物的熱導率變化,可以探測出反應器內某點示蹤劑濃度的變化。

　　細微的異相顆粒也可以用來示蹤。在流場可視化實驗中,用電解方法在液相流場中就地產生的細小氫氣泡,就是早期流場可視化實驗的主要方法之一。細微的固體顆粒,其光學性質(不透明或有彩色)與透明的連續相流體有明顯區別,也能作為示蹤劑,這樣容易檢測和計數(顆粒數目代表示蹤劑濃度);另外其粒徑足夠小、密度相差不大,則跟隨性就好,示蹤結果比較準確。

示蹤劑與流體主體性質應有顯著的區別,而且區別的強度是不隨時間而改變的。常見而可利用的性質包括:電導率、顏色、溫度等檢測方便的性質,測定它們的電導率計、光電二極管、溫度計等儀器技術十分成熟、品牌多、價廉易得。最好這些性質變化的測量信號能線性地反映示蹤劑濃度的變化,使儀器信號到濃度值的轉換準確、容易。按這些要求選定示蹤劑是示蹤實驗設計的最重要的第一步。