Eenfasige en tweetasige stroming in een gevulde reactor

Gevulde bedreactoren zijn een van de meest voorkomende typen reactoren die in de chemische industrie worden gebruikt, vanwege hun hoge conversiepercentages. Gevulde bedreactoren zijn doorgaans buisvormige reactoren gevuld met vaste katalysatordeeltjes. De reactie vindt plaats op het oppervlak van het vaste deeltje. Kleine deeltjes maken dus een hoog oppervlak-volume-verhouding mogelijk en dus een hoge conversie. Idealiter stroomt de vloeistof in plugstroom door de reactor, daarom worden deze reactoren soms plugflowreactoren genoemd. Er kunnen echter ongelijkmatige stroming of kanalisering optreden, waarbij de stroming niet langer de gelijkmatige plug-achtige verdeling behoudt. Dit veroorzaakt een daling van de drukval in de reactor en beïnvloedt de reactieconversiesnelheid. In deze video zullen we de basisprincipes van een gevulde bedreactor bespreken en laten zien hoe de drukval en stromingsverdeling van eenfasige en tweefasige stroming in het gevulde bed kunnen worden gemeten.

In enkelfasige gevulde bedsystemen kan de vloeistof een gas of een vloeistof zijn. In tweefasige reactoren stromen zowel vloeistof als gas over de vaste deeltjes in co-current of counter-current bedden. In zowel eenfasige als tweefasige systemen kan de reactor horizontaal of verticaal worden georiënteerd. Deze vaste fase is op twee manieren verpakt. Gesorteerde verpakking is willekeurig georiënteerd, terwijl gestructureerde verpakking bestaat uit gedefinieerde geometrische netwerken. Hoe homogener de verpakking, hoe lager de drukval over het bed. Een ideale gevulde bedreactor met enkelfasige stroming kan worden beschreven door de Ergun-vergelijking, die de drukval over het bed beschrijft en hoe deze gerelateerd is aan deeltjesgrootte, bedlengte, leegroven of porositeit, vloeistofsnelheid en viscositeit. Echter, de werkelijke reactorprestaties en afwijkingen van ideaal moeten experimenteel worden geanalyseerd via de tracermethode. In de tracermethode wordt een tracerkleur, waarvan wordt aangenomen dat deze zich vergelijkbaar gedraagt als de reactiemolecuul, in de kolom geïnjecteerd. De kleur wordt gemonitord terwijl deze door de kolom stroomt, en de concentratie bij de uitgang wordt gemeten als functie van de tijd. In ideale plugflow zou de tracer op één moment uit moeten komen en zou de verdeling eruitzien als een piek. In een typische kolom neemt de concentratiefunctie echter de vorm aan van een Gaussiaanse verdeling. Deze functie wordt vervolgens gebruikt om de verblijftijdverdeling te berekenen. Om de afwijking van plugflow te kwantificeren, wordt de gemiddelde verblijftijd, of de waarschijnlijkheid dat een molecuul de kolom op tijd T verlaat, berekend zoals getoond. Voor gevulde bedden is de verblijftijd gerelateerd aan het leegroven, dat het product is van het totale bedvolume en de porositeit, gedeeld door de volumetrische stromingssnelheid, Q. Bij het beschrijven van tweefasige stroming in een gevuld bed worden twee eenvoudige modellen toegepast. Het homogene model gaat ervan uit dat de gas-, vloeistof- en gemiddelde of tweefasige snelheden gelijk zijn. Dan is de tweefasige dichtheid massasnelheid, G, gedeeld door de tweefasige snelheid, UTP. De gemiddelde tweefasige viscositeit wordt gedefinieerd zoals getoond, waarbij X de gewichtsfractie van damp is, en mu L en mu G de viscositeiten zijn van de respectieve vloeistof- en gasfasen. In het gelaagde stromingsmodel is delta P voor elke fase gelijk aan elkaar. Dus is de Ergun-vergelijking voor elke fase gelijk aan elkaar. De drukval en beide stromingssnelheden moeten bekend zijn, terwijl de porositeit wordt berekend uit de vergelijking. Dan geeft de massabalans de relatie tussen de gas- en vloeistofsnelheden en de tweefasige snelheid. Nu u bekend bent met de tracertest, laten we leren hoe u het experiment kunt uitvoeren.

Voordat u begint, maakt u kennis met het apparaat, dat wordt bediend via een grafische interface. Het controlesysteem wordt gebruikt om de kleppen, stromingen en verschillende andere parameters te regelen. Bed nummer vier, dat is gevuld met glaskralen en blaaszand, wordt gebruikt voor de enkelfasige, terwijl bed nummer vijf, gevuld met glas, wordt gebruikt voor het tweefasige stromingsexperiment. Begin met het openen van de inlaat- en uitlaatklep, evenals de watersolenoïde, naar bed nummer vier om de waterstroom te bepalen. Gebruik de stromingsregelaar om de waterstroom geleidelijk door het bed te verhogen en bewaak de stroming met behulp van de differentiaaldruk. Zorg ervoor dat u de stromingssnelheid varieert om het hele bereik van de DP-zender te dekken. Schakel vervolgens de UV/vis-spectrometer in en zorg voor communicatie met de controleconsole. Gebruik standaarden van de fluorescente kleurstof om de spectrofotometer te kalibreren.

Voor de test kiest u een gemiddelde stromingssnelheid en een 50 PPM fluorescente kleurstof in gedeïoniseerd water als tracer. Plaats eerst de sonde van de spectrofotometer in de monsterpunt van de sonde. Vervolgens verandert u met behulp van het besturingssysteem de status van de injectieklep van lopend naar laden. Injecteer de tracer in de monsterspuitklep met behulp van de spuit en verander de klepstatus terug naar lopend. Bewaak de absorptie van de spectrofotometer terwijl de tracer het bed passeert. Om de injectiekamer voor het volgende experiment schoon te maken, verander de status in laden en injecteer 100 milliliter water met een schone spuit in de klep. Wanneer de absorptie terugkeert naar de basislijn, verander de klep in lopend en spoel deze gedurende 10 tot 15 minuten met water bij hoge stroming voor de volgende tracerinjectie.

Zorg ervoor dat de waterkleppen naar de bedden gesloten zijn. Controleer dat de inlaat- en uitlaatkleppen naar bed nummer vijf en de afvoerklep open zijn. Zorg er ook voor dat de handmatige klep voor de lucht naar de bedden gesloten is. Open langzaam de luchtregelaar om een luchtstroom tot stand te brengen. Open vervolgens de handmatige klep voor de lucht naar de bedden. Gebruik vervolgens de waterstroomsregelaar om de stroming op 700 milliliter per minuut in te stellen en open de handmatige klep. Gebruik de kleppen om de waterstroom en luchtstroom naar de gas/vloeistofscheider te leiden. Bevestig dat het water wordt afgevoerd. Om