$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Реакторы с насадочным слоем являются одним из наиболее распространенных типов реакторов, используемых в химической промышленности, благодаря их высокой скорости конверсии. Реакторы с насадочным слоем обычно представляют собой трубчатые реакторы, заполненные твердыми частицами катализатора. Реакция происходит на поверхности твердой частицы. Таким образом, мелкие частицы обеспечивают высокое отношение поверхности к объему и, следовательно, высокую конверсию. В идеале жидкость протекает через реактор по пробковой схеме, поэтому такие реакторы иногда называют реакторами с пробковым потоком. Однако может произойти неправильное распределение потока или каналирование, когда поток больше не сохраняет равномерное распределение, подобное свече. Это приводит к уменьшению перепада давления в реакторе и влияет на скорость конверсии реакции. В этом видео мы обсудим основы реактора с насадочным слоем и продемонстрируем, как измерить перепад давления и распределение потока однофазного и двухфазного потока в насадочном слое.
В системах с однофазным насадочным слоем жидкость может быть как газообразной, так и жидкой. В двухфазных реакторах как жидкость, так и газ протекают над твердыми частицами в одноточных или противоточных слоях. Как в однофазных, так и в двухфазных системах реактор может быть ориентирован как горизонтально, так и вертикально. Эта твердая фаза упакована двумя способами. Дампированная упаковка ориентирована случайным образом, в то время как структурированная упаковка состоит из определенных геометрических сетей. Чем однороднее уплотнение, тем меньше перепад давления на станине. Идеальный реактор с насадочным слоем и однофазным потоком можно описать уравнением Эргуна, которое описывает перепад давления в слое и его связь с размером частиц, длиной слоя, пустотным пространством или пористостью, скоростью жидкости и вязкостью. Тем не менее, реальная производительность реактора и отклонения от идеальных должны быть проанализированы экспериментально с помощью трассерного метода. При использовании индикаторного метода в колонку вводится индикаторный краситель, который, как предполагается, ведет себя аналогично молекулам реагента. Краситель контролируется по мере того, как он течет через колонку, и его концентрация на выходе измеряется как функция времени. В идеальном потоке пробки индикатор должен выйти в один момент, и распределение будет выглядеть как пик. Однако в типичной колонке функция концентрации принимает форму гауссова распределения. Затем эта функция используется для вычисления распределения времени пребывания. Для количественной оценки отклонения от пробкового потока рассчитывается среднее время пребывания или вероятность того, что молекула покинет колонну в момент времени T, как показано на рисунке. Для упакованных слоев время пребывания связано с объемом пустоты, который представляет собой произведение общего объема слоя и пористости, деленное на объемный расход Q. При описании двухфазного течения в насадочном слое применяются две простые модели. Однородная модель предполагает, что газовая, жидкая и усредненная, или двухфазная, скорости равны. Тогда двухфазная плотность равна скорости массы G, деленной на двухфазную скорость UTP. Средняя двухфазная вязкость определена, как показано на рисунке, где X — массовая доля пара, а mu L и mu G — вязкости соответствующих жидкой и газовой фаз. В модели стратифицированного течения дельта P для каждой фазы равна друг другу. Таким образом, уравнение Эргуна для каждой фазы равно друг другу. Перепад давления и обе скорости потока должны быть известны, в то время как пористость вычисляется по уравнению. Затем баланс масс связывает скорости газа и жидкости с двухфазной скоростью. Теперь, когда вы познакомились с тестом трассеров, давайте узнаем, как провести эксперимент.
Прежде чем начать, ознакомьтесь с аппаратом, управление которым осуществляется с помощью графического интерфейса. Система управления используется для регулирования клапанов, потоков и различных других параметров. Слой номер четыре, который наполнен стеклянными шариками и песком, используется для однофазного потока, в то время как слой номер пять, упакованный стеклом, используется для эксперимента с двухфазным потоком. Начните с открытия впускного и выпускного клапанов, а также соленоида подачи воды, в ложе номер четыре для определения расхода воды. С помощью регулятора расхода постепенно увеличивайте поток воды по слою и контролируйте расход с помощью перепада давления. Обязательно изменяйте расход так, чтобы он охватывал весь диапазон датчика перепада давления. Далее включите УФ/ВИД спектрометр и обеспечьте связь с пультом управления. Используя эталоны флуоресцентного красителя, откалибруйте спектрометр.
Для теста выберите один средний расход и флуоресцентный краситель 50 ppm в деионизированной воде в качестве индикатора. Сначала вставьте щуп спектрометра в точку отбора проб зонда. Затем с помощью системы управления измените состояние клапана впрыска с рабочего на зарядное. Введите индикатор в клапан для отбора проб с помощью шприца и измените состояние клапана на рабочее. Контролируйте поглощение спектрометра при прохождении индикатором слоя. Чтобы очистить камеру впрыска для следующего эксперимента, измените статус на зарядка и введите в клапан 100 миллилитров воды чистым шприцем. Когда абсорбция вернется к исходному уровню, переключите клапан в рабочее положение и продуйте его водой в течение 10–15 минут при высоком расходе перед следующим впрыском индикатора.
Убедитесь, что водяные клапаны к грядкам закрыты. Убедитесь, что впускной и выпускной клапаны к пятому слою и сливной клапан открыты. Кроме того, убедитесь, что ручной клапан для подачи воздуха к кроватям закрыт. Медленно откройте регулятор воздуха, чтобы создать поток воздуха, затем откройте ручной клапан для подачи воздуха к грядкам. Далее с помощью регулятора расхода воды установите расход на 700 миллилитров в минуту и откройте ручной клапан. С помощью клапанов направьте поток воды и воздуха к сепаратору газа/жидкости. Убедитесь, что вода выходит для стока. Чтобы добиться лучшего разделения воздуха и воды, временно закройте клапан для слива, что приведет к накоплению жидкостного напора в сепараторе газ/жидкость. Используйте регулятор давления и измеритель сухого теста на выходной линии газа для регулировки потока воздуха. Кратковременно закройте сливной клапан и используйте измеритель влажного теста для измерения расхода газа. При одном расходе жидкости вручную изменяйте расход воздуха в регуляторе, чтобы охватить диапазон действия преобразователя DP, и собирайте данные о перепаде давления для экспериментов с двухфазным потоком на пятом слое.
Теперь давайте рассмотрим реальное поведение потока. Для однофазного потока получают распределение времени пребывания. Используйте распределение времени пребывания для вычисления среднего времени пребывания, средней пористости и массы индикатора. Сравните рассчитанную массу трассера с фактическим значением. Затем используйте уравнение Эргуна для прогнозирования дельты P для экспериментов с потоком воды. Сравните рассчитанные перепады давления с использованием рассчитанных пор с измеренным значением. Например, на этом рисунке минимальная пористость для закрытых пакетных сфер равна 0,36. Для третьего и четвертого слоев расчетные значения пористости, определенные на основе распределений времени пребывания, низкие, что приводит к тому, что прогнозируемая дельта Ps выше измеренных значений. Это может указывать на прокладку каналов вдоль стенок кровати. Для двухфазных потоков определите прогнозируемый перепад давления с помощью теорий однородного и стратифицированного потока и сравните его с измеренным значением. Как видно из этой таблицы, перепад давления, рассчитанный с использованием теории однородных течений, оказался лучше, чем при использовании теории стратифицированных течений. Высокие перепады давления указывают на сильное образование каналов в горизонтальном слое, что означает, что жидкость была ограничена небольшой частью площади поперечного сечения.
Реакторы с насадочным слоем широко используются во многих областях промышленности и научных исследований. Например, реакторы с насадочным слоем используются для преобразования измельченной лигноцеллюлозной биомассы в углеводородное топливо. Первый этап включает в себя пиролиз биомассы для производства биомасла с использованием реактора с кипящим слоем. Как и в реакторе с насадочным слоем, в реакторе с кипящим слоем используются твердые частицы катализатора для облегчения реакции, но они находятся во взвешенном состоянии в жидкости, а не в слое. На втором этапе процесса используется реактор с насадочным слоем для преобразования биомасел в топливо. Здесь частицами катализатора являются рутений на основе углерода на первой ступени реактора и кобальт-молибден на оксиде алюминия на второй ступени. Конечным результатом является топливная линейная углеводородная смесь. Реакторы с насадочным слоем также могут использоваться для ферментативной конверсии, такой как расщепление белка перед анализом с помощью масс-спектрометрии. В этом примере реакция происходит на частицах кремнезема C18, упакованных в микрофлюидный реактор. Здесь перевариваемый белок связывается с частицей, в то время как фермент проходит через реактор в жидкости. Использование реактора с насадочным слоем для разложения белка, как показано здесь, может повысить производительность и значительно сократить время и затраты на разложение.
Вы только что посмотрели введение Юпитера в однофазный и двухфазный поток в уплотненных слоях. Теперь вы должны понять основы реактора с насадочным слоем и то, как анализировать поток с помощью индикаторного теста. Спасибо за просмотр!
