تدفق أحادي ومرحلتين في مفاعل سرير معبأ

تعد مفاعلات الطبقة المعبأة واحدة من أكثر أنواع المفاعلات شيوعا المستخدمة في الصناعة الكيميائية ، نظرا لمعدلات التحويل العالية. عادة ما تكون مفاعلات الطبقة المعبأة عبارة عن مفاعلات أنبوبية مملوءة بجزيئات محفزة صلبة. يحدث التفاعل على سطح الجسيم الصلب. وبالتالي ، فإن الجسيمات الصغيرة تتيح نسبة عالية من السطح إلى الحجم وبالتالي تحويل مرتفع. من الناحية المثالية ، يتدفق السائل عبر المفاعل بطريقة سدادة ، وبالتالي ، تسمى هذه المفاعلات أحيانا مفاعلات تدفق السدادة. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث سوء توزيع للتدفق أو التوجيه ، حيث لم يعد التدفق يحتفظ بالتوزيع المتساوي الشبيه بالمكونات. يؤدي هذا إلى انخفاض الضغط في المفاعل ويؤثر على معدل تحويل التفاعل. في هذا الفيديو ، سنناقش أساسيات مفاعل الطبقة المعبأة ونوضح كيفية قياس انخفاض الضغط وتوزيع التدفق للتدفق أحادي الطور ومرحلتين في الطبقة المعبأة.

في أنظمة الطبقة المعبأة أحادية الطور ، يمكن أن يكون السائل إما غازا أو سائلا. في المفاعلات ثنائية الطور ، يتدفق كل من السائل والغاز فوق الجسيمات الصلبة إما في طبقات التيار المشترك أو التيار المعاكس. في كل من الأنظمة أحادية الطور وثنائية الطور ، يمكن توجيه المفاعل إما أفقيا أو رأسيا. هذه المرحلة الصلبة معبأة بطريقتين. يتم توجيه التعبئة الملقاة بشكل عشوائي ، بينما تتكون التعبئة الهيكلية من شبكات هندسية محددة. كلما كانت التعبئة أكثر تجانسا ، انخفض انخفاض الضغط عبر السرير. يمكن وصف مفاعل الطبقة المعبأة المثالي مع تدفق أحادي الطور من خلال معادلة Ergun ، والتي تصف انخفاض الضغط عبر الطبقة وكيف يرتبط بحجم الجسيمات وطول السرير ومساحة الفراغ أو المسامية وسرعة السائل واللزوجة. ومع ذلك ، يجب تحليل أداء المفاعل الحقيقي والانحرافات عن المثالية تجريبيا عبر طريقة التتبع. في طريقة التتبع ، يتم حقن صبغة التتبع ، والتي يفترض أنها تتصرف بشكل مشابه للجزيئات المتفاعلة ، في العمود. تتم مراقبة الصبغة أثناء تدفقها عبر العمود ، ويقاس تركيزها عند الخروج كدالة للوقت. في تدفق القابس المثالي ، يجب أن يخرج جهاز التتبع في لحظة واحدة ويظهر التوزيع على شكل ارتفاع. ومع ذلك ، في العمود النموذجي ، تأخذ دالة التركيز شكل توزيع غاوسي. ثم يتم استخدام هذه الوظيفة لحساب توزيع وقت الإقامة. لتحديد الانحراف عن تدفق القابس ، يتم حساب متوسط وقت الإقامة ، أو احتمال خروج الجزيء من العمود في الوقت T ، كما هو موضح. بالنسبة للأسرة المعبأة ، يرتبط وقت الإقامة بحجم الفراغ ، وهو نتاج إجمالي حجم السرير والمسامية ، مقسوما على معدل التدفق الحجمي ، Q. عند وصف التدفق على مرحلتين في سرير معبأ ، يتم تطبيق نموذجين بسيطين. يفترض النموذج المتجانس أن الغاز والسائل والسرعات المتوسطة أو ثنائية الطور متساوية. ثم كثافة الطورين هي سرعة الكتلة ، G ، مقسومة على سرعة الطور ، UTP. يتم تعريف متوسط اللزوجة ثنائية الطور كما هو موضح ، حيث X هو جزء وزن البخار ، و mu L و mu G هما لزوجة المراحل السائلة والغازية المعنية. في نموذج التدفق الطبقي ، دلتا P لكل مرحلة تساوي بعضها البعض. وبالتالي ، فإن معادلة Ergun لكل مرحلة تساوي بعضها البعض. يجب معرفة انخفاض الضغط وكلا معدلي التدفق ، بينما يتم حساب المسامية من المعادلة. ثم يربط ميزان الكتلة سرعات الغاز والسائل بالسرعة ثنائية الطور. الآن بعد أن أصبحت على دراية باختبار التتبع ، دعنا نتعلم كيفية إجراء التجربة.

قبل أن تبدأ ، تعرف على الجهاز الذي يتم تشغيله باستخدام واجهة رسومية. يستخدم نظام التحكم لتنظيم الصمامات والتدفقات والعديد من المعلمات الأخرى. يتم استخدام السرير رقم أربعة ، المليء بالخرز الزجاجي والرمل الانفجاري ، في مرحلة واحدة ، بينما يتم استخدام السرير رقم خمسة ، المعبأ بالزجاج ، لتجربة التدفق على مرحلتين. ابدأ بفتح صمام المدخل والخروج ، بالإضافة إلى الملف اللولبي لإمداد المياه ، إلى السرير رقم أربعة لتحديد تدفق المياه. باستخدام وحدة التحكم في التدفق ، ارفع تدفق المياه تدريجيا عبر السرير وراقب التدفق باستخدام الضغط التفاضلي. تأكد من تغيير معدل التدفق لتغطية النطاق الكامل لجهاز إرسال DP. بعد ذلك ، قم بتشغيل مطياف الأشعة فوق البنفسجية / المرئية وتأكد من الاتصال بوحدة التحكم في التحكم. باستخدام معايير صبغة الفلورسنت ، قم بمعايرة مقياس الطيف.

بالنسبة للاختبار ، اختر متوسط معدل تدفق واحد وصبغة فلورية 50 جزء في المليون في الماء منزوع الأيونات كمتتبع. أولا ، أدخل مسبار مقياس الطيف في نقطة عينة المسبار. بعد ذلك ، باستخدام نظام التحكم ، قم بتغيير حالة صمام الحقن من التشغيل إلى الشحن. قم بحقن جهاز التتبع في صمام العينة باستخدام المحقنة وقم بتغيير حالة الصمام مرة أخرى إلى التشغيل. راقب امتصاص مقياس الطيف أثناء مرور المتتبع على السرير. لتنظيف غرفة الحقن للتجربة التالية ، قم بتغيير الحالة إلى الشحن وحقن 100 مل من الماء بحقنة نظيفة في الصمام. عندما يعود الامتصاص إلى خط الأساس، قم بتغيير الصمام إلى التشغيل وقم بتطهيره بالماء لمدة 10 إلى 15 دقيقة عند التدفق العالي قبل حقن التتبع التالي.

تأكد من إغلاق صمامات المياه في الأسرة. تأكد من أن صمامات المدخل والخروج إلى السرير رقم خمسة وصمام التصريف مفتوحان. علاوة على ذلك ، تأكد من إغلاق الصمام اليدوي للهواء إلى الأسرة. افتح منظم الهواء ببطء لإنشاء تدفق هواء ، ثم افتح الصمام اليدوي للهواء إلى الأسرة. بعد ذلك ، باستخدام وحدة التحكم في تدفق المياه ، اضبط التدفق على 700 مل في الدقيقة وافتح الصمام اليدوي. باستخدام الصمامات ، قم بتوجيه تدفق الماء والهواء إلى فاصل الغاز / السائل. تأكد من خروج الماء للتصريف. لتحقيق فصل أفضل للهواء والماء ، أغلق الصمام عن التصريف مؤقتا ، مما يؤدي إلى تراكم رأس سائل في فاصل الغاز / السائل. استخدم منظم الضغط ومقياس الاختبار الجاف على خط خروج الغاز لضبط تدفق الهواء. أغلق صمام التصريف لفترة وجيزة واستخدم مقياس الاختبار الرطب لقراءة تدفق الغاز. بمعدل تدفق سائل واحد ، قم بتغيير تدفق الهواء يدويا في المنظم لتغطية نطاق جهاز إرسال DP وجمع بيانات انخفاض الضغط لتجارب التدفق ثنائية الطور في السرير رقم خمسة.

الآن ، دعونا نفحص سلوك التدفق الحقيقي. للتدفق أحادي الطور ، احصل على توزيع وقت الإقامة. استخدم توزيع وقت الإقامة لحساب متوسط وقت الإقامة ومتوسط المسامية وكتلة التتبع. قارن كتلة التتبع المحسوبة بالقيمة الفعلية. بعد ذلك ، استخدم معادلة Ergun للتنبؤ بدلتا P لتجارب تدفق المياه. قارن انخفاض الضغط المحسوب باستخدام المسامية المحسوبة بالقيمة المقاسة. على سبيل المثال ، في هذا الشكل ، الحد الأدنى للمسامية لكرات العبوة المغلقة هو 0.36. بالنسبة للسرير الثالث والرابع ، تكون قيم المسامية المحسوبة المحددة من توزيعات وقت الإقامة منخفضة ، مما يؤدي إلى أن تكون دلتا Ps المتوقعة أعلى من القيم المقاسة. قد يشير هذا إلى التوجيه على طول جدران السرير. بالنسبة للتدفقات ثنائية الطور ، حدد انخفاض الضغط المتوقع باستخدام نظريات التدفق المتجانسة والطبقية ومقارنتها بالقيمة المقاسة. كما يتضح من هذا الجدول ، أثبت انخفاض الضغط المحسوب باستخدام نظرية التدفق المتجانس أنه أفضل من تلك التي تستخدم نظرية التدفق الطبقي. تشير انخفاض الضغط العالي المقاس إلى توجيه شديد في الطبقة الأفقية ، مما يعني أن السائل كان محصورا في جزء صغير من منطقة المقطع العرضي.

تستخدم مفاعلات السرير المعبأة على نطاق واسع في العديد من مجالات الصناعة والبحث. على سبيل المثال ، تستخدم مفاعلات الطبقة المعبأة لتحويل الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية الأرضية إلى وقود هيدروكربوني. تتضمن الخطوة الأولى الانحلال الحراري للكتلة الحيوية لإنتاج الزيت الحيوي باستخدام مفاعل الطبقة المميعة. مثل مفاعل الطبقة المميعة ، يستخدم مفاعل الطبقة المميعة جزيئات محفزة صلبة لتسهيل التفاعل ، لكنها معلقة في السائل ، بدلا من تعبئتها في سرير. تستخدم الخطوة الثانية في العملية مفاعل سرير معبأ لتحويل الزيوت الحيوية إلى وقود. هنا ، جزيئات المحفز مدعومة بالروثينيوم على الكربون في المرحلة الأولى من المفاعل ، والموليبدينوم الكوبالت على الألومينا في المرحلة الثانية. والنتيجة النهائية هي خليط هيدروكربوني لنطاق الوقود. يمكن أيضا استخدام مفاعلات الطبقة المعبأة للتحويل الأنزيمي ، مثل هضم البروتين قبل التحليل بواسطة قياس الطيف الكتلي. في هذا المثال ، يحدث التفاعل على جزيئات السيليكا C18 ، المعبأة في مفاعل ميكروفيليدي. هنا ، يرتبط البروتين الذي يتم هضمه بالجسيم ، بينما يتدفق الإنزيم عبر المفاعل في السائل. يمكن أن يؤدي استخدام مفاعل سرير معبأ لهضم البروتين ، مثل المثال الموضح هنا ، إلى تحسين المحصول وتقليل وقت الهضم وتكاليفه بشكل كبير.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove للتدفق أحادي الطور ومرحلتين في أسرة معبأة. يجب أن تفهم الآن أساسيات مفاعل السرير المزدحم وكيفية تحليل التدفق باستخدام اختبار التتبع. شكرا للمشاهدة!