充填層反応器内の単相および流れ

充填床反応器は、その高い変換率により、化学業界で使用される最も一般的なタイプの反応器の1つです。充填床反応器は、通常、固体触媒粒子で満たされた管状反応器です。反応は固体粒子の表面で起こります。したがって、小さな粒子は高い表面対体積比を可能にし、したがって高い変換を可能にします。理想的には、流体はプラグ方式で反応器内を流れるため、これらの反応器はプラグフロー反応器と呼ばれることもあります。ただし、流れやチャネリングの分布が不均一になり、流れが均一なプラグ状の分布を維持できなくなる可能性があります。これにより、反応器内の圧力損失が減少し、反応変換率に影響を与えます。このビデオでは、充填床反応器の基本について説明し、充填床内の単相および二相の流れの圧力損失と流れ分布を測定する方法を示します。

単相充填床システムでは、流体は気体または液体のいずれかです。二相反応器では、液体と気体の両方が、並流床または向流床の固体粒子上を流れます。単相システムと二相システムの両方で、反応器は水平または垂直に向けることができます。この固相は2つの方法でパックされています。ダンプされたパッキングはランダムに配向されますが、構造化されたパッキングは定義された幾何学的ネットワークで構成されます。パッキンが均質であるほど、ベッド全体の圧力損失は小さくなります。単相流の理想的な充填床反応器は、床を横切る圧力降下と、それが粒子サイズ、床長、空隙または空隙率、流体速度、および粘度にどのように関連しているかを説明するエルガン方程式で説明できます。ただし、実際の反応器の性能と理想からの逸脱は、トレーサー法を使用して実験的に分析する必要があります。トレーサー法では、反応物分子と同様に振る舞うと想定されるトレーサー色素をカラムに注入します。染料はカラム内を流れるときに監視され、出口の濃度は時間の関数として測定されます。理想的なプラグフローでは、トレーサーは一瞬で終了し、分布はスパイクとして現れます。ただし、一般的なカラムでは、濃度関数はガウス分布の形式を取ります。次に、この関数を使用して滞留時間分布を計算します。プラグフローからの偏差を定量化するために、平均滞留時間、つまり分子が時間Tでカラムから出る確率を図のように計算します。パックベッドの場合、滞留時間は、総ベッド容積と空隙率を体積流量Qで割った積であるボイドボリュームに関連しています。充填ベッドの二相流を説明する場合、2つの単純なモデルが適用されます。均質モデルでは、気体、液体、平均速度 (二相速度) が等しいと仮定します。次に、二相密度は質量速度Gを二相速度UTPで割ったものです。平均二相粘度は図に示すように定義され、Xは蒸気の重量分率であり、mu Lおよびmu Gはそれぞれの液相および気相の粘度である。層別流れモデルでは、各フェーズのデルタPは互いに等しくなります。したがって、各位相のエルグン方程式は互いに等しくなります。圧力損失と両方の流量がわかっている必要がありますが、空隙率は方程式から計算されます。次に、質量収支は、気体と液体の速度を二相速度に関連付けます。トレーサーテストについて理解したところで、次は実験の進め方を学んでいきましょう。

始める前に、グラフィカルインターフェースを使用して操作される装置について理解しておいてください。制御システムは、バルブ、流れ、およびその他のさまざまなパラメータを調整するために使用されます。ガラスビーズとブラストサンドを詰めた4番ベッドを単相に、ガラスを詰めた5番ベッドを二相流実験に使用します。まず、入口バルブと出口バルブ、および給水ソレノイドをベッド番号4まで開いて、水の流れを決定します。フローコントローラーを使用して、ベッドを通って水の流れを徐々に上げ、差圧を使用して流れを監視します。DPトランスミッターの全範囲をカバーするように流量を変化させてください。次に、UV / Vis分光計の電源を入れ、コントロールコンソールとの通信を確認します。蛍光色素の標準を使用して、分光計を校正します。

テストでは、トレーサーとして単一の平均流量と脱イオン水中の50 PPM蛍光色素を選択します。まず、分光器プローブをプローブのサンプルポイントに挿入します。次に、制御システムを使用して、インジェクションバルブのステータスを稼働状態から充電中に変更します。シリンジを使用してトレーサーをサンプルバルブに注入し、バルブの状態を運転状態に戻します。トレーサーがベッドを通過するときに分光計の吸光度を監視します。次の実験のために注入チャンバーを洗浄するには、状態を充電に変更し、きれいな注射器で100ミリリットルの水をバルブに注入します。吸光度がベースラインに戻ったら、バルブを作動状態に交換し、次のトレーサー注入の前に高流量で10〜15分間水でパージします。

ベッドのウォーターバルブが閉じていることを確認してください。ベッド番号5への入口バルブと出口バルブ、およびドレンバルブが開いていることを確認します。さらに、ベッドへの空気の手動バルブが閉じていることを確認してください。エアレギュレーターをゆっくりと開いて空気の流れを確立し、次に、ベッドへの空気の手動バルブを開きます。次に、水流コントローラーを使用して、流量を毎分700ミリリットルに設定し、手動バルブを開きます。バルブを使用して、水と空気の流れをガス/液体セパレーターにルーティングします。水が排出するために出ていることを確認します。空気と水の分離を改善するには、バルブをドレンに一時的に閉じます。これにより、ガス/液体セパレーターに液体ヘッドが蓄積します。ガス出口ラインの圧力調整器とドライテストメーターを使用して、空気の流れを調整します。ドレンバルブを短く閉じ、ウェットテストメーターを使用してガスの流れを読み取ります。1 回の液体流量で、DP トランスミッターの範囲をカバーするようにレギュレーターの空気流量を手動で変化させ、ベッド番号 5 での二相流実験の圧力降下データを収集します。

では、実際のフローの振る舞いについて見ていきましょう。単相流の場合、滞留時間分布を求めます。滞留時間分布を使用して、平均滞留時間、平均空隙率、およびトレーサー質量を計算します。計算されたトレーサー質量を実際の値と比較します。次に、エルグン方程式を使用して、水流実験のデルタPを予測します。計算された空隙率を使用して計算された圧力降下を測定値と比較します。たとえば、この図では、閉じたパック球の最小空隙率は 0.36 です。ベッド3と4では、滞留時間分布から決定された計算された空隙率の値が低く、予測デルタPが測定値よりも高くなります。これは、ベッドの壁に沿ってチャネリングしていることを示している可能性があります。二相流の場合、均質な層状流れ理論を使用して予測される圧力損失を決定し、それを測定値と比較します。この表からわかるように、均質な流れの理論を使用して計算された圧力損失は、層別流れ理論を使用した圧力損失よりも優れていることが証明されました。高い圧力降下は、水平ベッドでの深刻なチャネリングを示唆しており、液体が断面積のごく一部に限定されていたことを意味します。

充填床反応器は、産業や研究の多くの分野で広く使用されています。例えば、充填床反応器は、地上のリグノセルロース系バイオマスを炭化水素燃料に変換するために使用されます。最初のステップは、流動床反応器を使用してバイオオイルを製造するためのバイオマスの熱分解を含む。充填床反応器と同様に、流動床反応器は固体触媒粒子を利用して反応を促進しますが、それらは床に充填されるのではなく、流体に懸濁されます。プロセスの2番目のステップでは、充填ベッドリアクターを使用してバイオオイルを燃料に変換します。ここで、触媒粒子は、反応器の第一段階では炭素に支持されたルテニウムであり、第二段階ではアルミナにコバルトモリブデンが担持されています。最終結果は、燃料範囲の炭化水素混合物です。パックベッドリアクターは、質量分析による分析前のタンパク質の消化など、酵素変換にも使用できます。この例では、反応はマイクロ流体反応器に充填されたC18シリカ粒子で行われます。ここでは、消化されるタンパク質は粒子に結合し、酵素は液体中の反応器を流れます。ここに示す例のように、タンパク質消化に充填ベッドリアクターを使用すると、収量が向上し、消化時間とコストを大幅に削減できます。

Joveの満員ベッドでの単相流と二相流の紹介をご覧になりました。これで、パックベッドリアクターの基本と、トレーサーテストを使用して流れを分析する方法を理解できたはずです。ご覧いただきありがとうございます!