Overview
Quelle: Kerry M. Dooley und Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA
Das Ziel dieses Experiments ist es, das Ausmaß der Reservepositionen im typischen verpackten Bett Reaktoren in einphasigen und Zweiphasenströmung (Gas-Flüssigkeit) ermitteln und bewerten die Auswirkungen dieser Fehlverteilung auf Druckabfall. Die Konzepte der Residenz Zeitverteilung und Streuung werden durch den Einsatz von Tracer eingeführt, und diese Begriffe beziehen sich auf physische Fehlverteilung.
Channeling in einem einphasigen Strom kann an Wänden entlang oder durch bevorzugte Strömung durch einen größeren Teil des Querschnitts Bett auftreten. Channeling in Zweiphasenströmung kann resultieren aus noch komplexer Ursachen, und einfache Zweiphasenströmung Theorien selten Vorhersagen, Druckverluste in gepackten Betten. Ein Design-Ziel ist immer das Ausmaß des Channelns zu minimieren, indem Sie finden das optimale Bett und Partikel Durchmesser für die Design-Durchflussmengen und durch die Verpackung ein Bett in einer Weise absetzen zu minimieren. Es ist immer wichtig zu quantifizieren, wieviel Fehlverteilung auftreten kann und die Einheit seines Auftretens berücksichtigt zu entwerfen.
Des Permeameter Apparat Maßnahmen Druckabfall, ΔP und die Konzentration der Tracer (Farbstoff) beenden horizontale verpackte Betten von gepanzerten Glas für Wasser, Luft oder Zweiphasenströmung (Abbildungen 1 und 2). Wasser tritt durch ein Regelventil und durch manuelle Ventile zu fünf Betten (48" lange, 3" I.D.) mit unterschiedlicher Größe Glas Bead geworfen (zufällig) Packungen weitergeleitet werden kann. Der Druckabfall wird mit einem Druckaufnehmer gemessen. Der Wasserfluss wird durch einen Differenzdruck (DP, Blende) Sender und den Luftstrom durch einen trockenen Test Meter (ähnlich einem Hause Gaszähler) gemessen. Die Farbstoff-Probe ist flussaufwärts durch eine automatische Probenahme Ventil injiziert. Die Ausfahrt Konzentration des Farbstoffs aus einem Bett wird mit einer UV-Vis-Spektrometer gemessen. Residenz Zeit Ausschüttungen aus den Tests berechnet und im Vergleich zu den Vorhersagen der Theorien über Streuung in gepackten Betten. Zweiphasenströmung wird im Bett 5, enthält die größten Partikel untersucht werden.
Abbildung 1: Prozess-Instrumentierung-Diagramm des Apparates.
Abbildung 2. 3-d-Darstellung des Apparates. #1 Bett steht an der Spitze, Bett #5 unten. Das Wasser-Steuerventil ist auf der linken Seite (rote Mütze). Der DP-Sender ist in der oberen Mitte (blau).
Principles
Gas-Flüssig Gegenstrom vertikale verpackte Betten (Füllkörperkolonnen) werden häufig in Trennverfahren wie Destillation, Absorption und stripping eingesetzt. 1 Gleichstrom horizontale verpackte Betten dienen oft als Reaktoren oder Adsorber mit einem festen Katalysator oder Adsorbens. In beiden Fällen (als Trennzeichen oder Reaktoren) erhöht die Verpackung die Fläche des Dampfflüssigkeit Kontakt. 1 Packung kann in zwei Formen vorhanden: abgeladen, Verpackung, bestehend aus zufälligen oder einfache geometrische Formen von Materialien wie Lehm, Metalle oder keramische Oxide oder strukturierte Verpackung aus Metall und Kunststoff, bestehend aus hoch definiert miteinander verbunden geometrische Netzwerke (in der Regel aus Wellpappe Metalle oder Kunststoffe), die Druckverlust im Vergleich zu den gedumpten Packungen reduziert werden können. 1 jedoch kann ob horizontal oder vertikal, Fehlverteilung (Channeling) die Leistung der Separator, der Reaktor oder Adsorber beeinträchtigen; Manchmal können verschiedene Arten von Flow Distributoren zur Milderung eingesetzt werden. 2 die einphasigen kann auf die Vorhersagen der Ergun Gleichung verpackten Bett ΔP verglichen. 3
Indikatoren sind Farbstoffe, die augenblicklich in den vorgelagerten Fluß eingespritzt werden und deren Zusammensetzung in Abhängigkeit der Zeit bemisst sich in der Strömung flussabwärts des Bettes. 4 die messbare Tracer-Moleküle werden als Merkmal aller Moleküle, aus denen die Flüssigkeit fließen werden. Das Volumen der injizierten Tracer muss klein im Verhältnis zu dem System-Volume sein. Tritt perfekte Pfropfenströmung (keine axiale mischen) in einem verpackten Bett, würde die Tracer injiziert zum Zeitpunkt Null zu einem späteren Zeitpunkt als eine Spitze das Bett verlassen. Für jeden richtigen Bett wird die Tracer zerstreuen des Reaktors bei niedrigeren Konzentrationen über einen längeren Zeitraum verlassen. Wenn der Fluss nicht Maldistributed ist, wird die Ausbreitung durch die Gaußsche (Normal) Verteilung, mit dem Höhepunkt der Kurve an die durchschnittliche Verweilzeit beobachtet beschrieben. Mehr die Tracer breitet sich in Zeit, desto schlechter die Fehlverteilung und in der Regel die ärmeren den Trennung oder Reaktion Prozess.
Die Residenz Zeitverteilung (RTD) beschreibt die Verteilung der Fälle, in denen Moleküle im Bett verbringen können. Wenn M die Gesamtmasse der Tracer in das System, Q die volumetrische Durchflussrate injiziert ist und C(t) die Abwasser Konzentration ist, dann ist die Massenbilanz auf der Tracer:
(1)
Die linke Seite der Gleichung (1) stellt Tracer in Masse und die Rechte Seite dar Masse heraus. E (t) ist das Bett verlassen Residenz Zeitverteilung (FTE), einer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Mit Gleichung 1 für das Integral, E(t) kann es als berechnet werden:
(2)
E (t) dt ist der Bruchteil (Wahrscheinlichkeit) von Molekülen im Ausgang Strom der Verweilzeit zwischen t und t + dt. Die Begriffe E-Kurve und FTE sind Synonym. Für verpackte Betten bezieht sich die Verweilzeit auf dem Hohlraumvolumen (Produkt der gesamten Reaktorvolumen V und Porosität) geteilt durch den Volumenstrom Q. Die mittlere Verweildauer, 
, können definiert werden und im Zusammenhang mit E(t)dt, die Wahrscheinlichkeit eines gegebenen Moleküls Eintritt in das Bett bei t = 0 wird die Ausfahrt t:
(3)
Wie aus Gleichung 3 hervorgeht, hat E(t) inverse Zeiteinheiten. Manchmal ist die dimensionslose E-Kurve statt E-Kurve aufgetragen. Diese dimensionslose E-Kurve, E (t/), erhält man durch Multiplikation der E-Kurve von . Der Durchschnitt liegt bei 1. Ein weiterer guter Weg, um die Abweichung vom Pfropfenströmung ("Zerstreuung") zu quantifizieren ist, die Varianz der E-Kurve (σ2) geteilt durch seinen Mittelwert quadriert zu berechnen:
(4)
Diese Menge sollte invariant in Bezug auf Durchfluss für einen verpackten Bett wenn Fehlverteilung nicht vorhanden ist. Der Wertebereich durch molekulare Diffusion sollte:
(5)
für Rep < 40, wo Rep ist die Partikel Reynolds-Zahl, dp der durchschnittlichen Partikeldurchmesser und L Bett Länge. Bei höheren Werten von experimentellen σ2 als vorhergesagt durch Gleichung 5 und Abweichungen von der Gauß-Verteilung zeigen Fluss Fehlverteilung, wie einem "frühen" Gipfel in E (t)-Kurve oder einem langen Schweif auf den Hauptgipfel.
In einigen Fällen können Art und Umfang des die Fehlverteilung visuell beobachtet werden. Dies gilt insbesondere in Zweiphasenströmungen. Für Zweiphasenströmung, die homogene und die geschichteten Modell gibt es zwei einfache Modelle. 3 , 5 für homogene Strömung, die grundlegenden Annahmen sind, dass die tatsächliche Gasgeschwindigkeit, UG, tatsächliche flüssige Geschwindigkeit, UL und gemittelte Geschwindigkeit der Flüssigkeit-Gas-Gemisch, UTp sind gleich:
UL = UG = UTp (6)
Dann die zwei-Phasen-Dichte von G/UTp gegeben ist (G ist Masse Geschwindigkeit), und die gemittelte Zweiphasen-Viskosität, µTp, ist gegeben durch:
ΜTp-1 = μL-1 (1 - X) + μG-1 X (7)
wobei X die Qualität (Gewichtsanteil von Dunst in einer Dampf-Flüssigkeitsgemisch) und µL, μG ist, sind die Viskositäten der jeweiligen flüssigen und gasförmigen Phasen.
Für geschichtete Strömung, einmal den Druckabfall, total Porosität und beide Volumenstrom Preise bekannt sind, den Gas Volumenanteil in aktiv (d. h. nicht stagniert) fließen, α, kann berechnet werden durch Festlegen der Ergun Gleichungen (oder ähnliche Gleichungen für ΔP) gleich für beide Phasen. Man kann dann Vorhersagen ΔP/L. Unabhängig von der Art der Strömung müssen beide Phasen gleich Druck sinkt, weil sie parallel sind. Die Massenbilanz die Zweiphasen-Geschwindigkeit bezieht sich auf die eigentliche Phase Geschwindigkeiten:
UTp = UL (1 - α) + UG (α) = G [(1 - X) / ρL + X / ρG] (8)
Die Wirkung des Gasflusses auf die Flüssigkeit ist, seine effektive Querschnittsfläche zu reduzieren und eine fast Null-Shear-Schnittstelle bereitstellen. Auch soll die Wirkung der Flüssigkeitsstrom auf das Gas seine effektive Querschnittsfläche zu reduzieren. Daher überschreiten tatsächliche Zweiphasenströmung Druck Tropfen in der Regel des ΔP einfach auf der Grundlage der Messung oder Berechnung von α und Anwendung einer verpackten Bett-ΔP-Gleichung (mit α anstelle von ε) berechnet.
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Procedure
1. Inbetriebnahme das Gerät
Das Gerät ist in erster Linie durch die dezentrale Steuerung-System-Schnittstelle betrieben. Eine Dauerwelle P & ID-schematische erscheint und öffnen/schließen automatische Ventile ist Point & click.
- Um Wasserdurchfluss auf jedem Bett #4 und #5 herzustellen, öffnen Sie die ein- und Ausfahrt Ventile auf dem Bett getestet und die Wasserversorgung Magnetspule.
- Mithilfe der Durchflussregler um Wasser fließt durch das Bett, erhöhen sie allmählich zu starten. Gute Ausgangspunkte sind 400 mL/min für Bett #4 und 500 mL/min für Bett #5. Überwachen Sie den Differenzdruck über den Betten. Variieren Sie die Strömung um die gesamte Palette an den DP-Sender zu decken.
- Schalten Sie die Spektrometer-Ausrüstung und eine Kommunikation mit der Steuerung der Konsole. Spektrometer Verfahren sind detailliert in der Bedienungsanleitung (SpectraSuite). Die Kalibrierung des Spektrometers für die Fluoreszenzfarbstoff-Standards erfolgt.
- Führen Sie eine Tracer-Test jeweils auf Betten #4 und 5 mit 50 ppm färben in VE-Wasser als Tracer, mit einer einzigen durchschnittlichen Durchflussrate für jedes Bett.
- Legen Sie die Spektrometer-Sonde in Probe Prüfpunkt (Abb. 1). An der PERM-Schnittstelle ändern Sie Injektion Ventilstatus von "Running", "Laden."
- Injizieren des Tracers mit der Spritze in die Probe-Ventil zur Verfügung gestellt. Ändern Sie den Status auf "Ausführen".
- Reinigen der Injektion Kammer des Ventils Probe durch eine Änderung seines Status zurück zu "Laden", lösen und laden die Spritze mit Wasser, dann Injektion mindestens 100 mL Wasser in das Ventil. Wenn die injizierte Probe vollständig beendet wurde, das Bett (Spektrometer Extinktion Rückkehr zur Basis Linie), ändern Sie den Ventil-Status wieder auf "Ausführen" und lassen Sie das Wasser durchfließen das Ventil für 10-15 min bei hohem Durchsatz vor der erneuten Verwendung.
2. Durchführung von Zweiphasenströmungen Druckabfall Experimente
Achten Sie darauf, dass die Wasserventile, die Betten sind geschlossen, die ein- und Ausfahrt Ventile zu Bett #5 geöffnet sind, das Ablassventil geöffnet und das manuelle Ventil für die Luft zu den Betten geschlossen ist.
- Öffnen Sie langsam die Luftregler um einen Luftstrom (< 5 Psig anfangs) zu etablieren. Öffnen Sie das manuelle Ventil für die Luft, um die Betten.
- Wasser-Regler auf gewünschte Sollwert (700 mL/min) und öffnen Sie manuelles Ventil zu. Strecke Wasser/Luftstrom mit Gas-flüssig Abscheider (siehe Ventile in Abb. 1).
- Bestätigen Sie, dass Wasser beendet wird, um ablaufen zu lassen. Schließen Sie das Ventil zum Abfluss für einen Zeitraum von Zeit, um einen flüssigen Kopf im Gas-flüssig Abscheider aufzubauen. Dadurch werden bessere Trennung von Luft und Wasser.
- Einstellen Sie Luftstrom (in der Regel < 2 SCFM) als gewünschte mit Druckregler und das trockene Test Messgerät auf die Gasleitung Ausfahrt. Schließen Sie das Ablassventil für kurze Zeit, um eine korrekte Gasstrom lesen auf dem nassen Test-Zähler.
- Durchführen Sie Zweiphasenströmung Druck Tropfen (Verwendung DP Sender) Experimente über Bett #5, zu mehreren Luft Preisen. Versuchen Sie, die Reichweite des Senders DP zu decken. Trennen Sie das trockene Test Messgerät siehst du Wasser aus der Gasleitung Ausfahrt verlassen.
Verpackten Bett Reaktoren sind eines der häufigsten Arten von Reaktor verwendet in der chemischen Industrie, aufgrund ihrer hohen Conversion-raten. Verpackten Bett Reaktoren sind in der Regel Stahlrohr mit soliden Katalysatorpartikel gefüllt. Die Reaktion erfolgt auf der Oberfläche der festen Partikel. So ermöglichen kleine Partikel eine erhöhte Fläche zum Volumenverhältnis und somit eine hohe Konvertierung. Im Idealfall sind Flüssigkeit fließt durch den Reaktor in einen Stecker Mode, damit dieser Reaktoren Plug-Flow-Reaktoren bezeichnet. Fehlverteilung von Flow oder Channeling kann jedoch auftreten, wo fließen auch Stecker-ähnliche Verteilung nicht mehr hält. Dies bewirkt, dass den Druckverlust im Reaktor zu verringern und die Conversion-Rate der Reaktion betrifft. In diesem Video werden wir diskutieren die Grundlagen eines verpackten Bett Reaktors und zeigen Sie, wie zu messen Sie den Druck-Tropfen und fließen, Verteilung der einphasigen und zwei-Phasen-Strömung in das verpackte Bett.
In einphasigen verpackten Bettsysteme kann die Flüssigkeit Gas oder eine Flüssigkeit sein. In zwei-Phasen-Reaktoren Flüssigkeit und Gas über die festen Partikel in Gleichstrom oder Gegenstrom Betten fließen. Einphasige und zweiphasige Systeme kann der Reaktor entweder horizontal oder vertikal ausgerichtet werden. Diese feste Phase ist auf zweierlei Weise verpackt. Gedumpten Verpackung richtet sich nach dem Zufallsprinzip, definierte geometrische Netzwerke strukturierte Verpackung aus. Die homogenere die Verpackung, desto geringer der Druckabfall über dem Bett. Ein ideale verpackten Bett Reaktor mit einphasigen Strom kann durch die Ergun-Gleichung beschrieben werden, beschreibt den Druckabfall über dem Bett und wie es mit der Partikelgröße, Bettlänge, leere Raum oder Porosität, Fluidgeschwindigkeit und Viskosität zusammenhängt. Allerdings müssen echte Reaktor Leistung und Abweichungen vom Ideal experimentell über die Tracer-Methode analysiert werden. In der Tracer-Methode wird ein Tracer-Farbstoff, der in ähnlicher Weise verhalten, um die Reaktanten Moleküle angenommen wird, in die Spalte gespritzt. Der Farbstoff wird überwacht, wie es durch die Spalte fließt, und seine Konzentration beim Beenden als Funktion der Zeit gemessen. In ideale Pfropfenströmung die Tracer sollten in einem sofort verlassen und die Verteilung erscheint als eine Spitze. In einer typischen Spalte erfolgt jedoch die Konzentration-Funktion eine Gauß-Verteilung. Diese Funktion dient dann die Residenz zeitlichen Verteilung zu berechnen. Zur Quantifizierung der Abweichung vom Pfropfenströmung, die mittlere Verweildauer oder die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül die Spalte, zum Zeitpunkt T beendet wird, werden berechnet, wie gezeigt. Für verpackte Betten bezieht sich Verweilzeit auf dem Hohlraumvolumen ist das Produkt aus insgesamt Bett Volumen und Porosität, geteilt durch den Volumenstrom Q. Bei der Beschreibung von Zweiphasenströmung in einem verpackten Bett gelten zwei einfache Modelle. Die homogene Modell geht davon aus, dass Gas, Flüssigkeit, und im Durchschnitt, oder zwei-Phasen-Geschwindigkeiten gleich sind. Dann ist die zwei-Phasen-Dichte Masse Geschwindigkeit, G, geteilt durch die zwei-Phasen-Geschwindigkeit, UTP. Die durchschnittlichen zwei-Phasen-Viskosität wird definiert, wie gezeigt, wo X ist der Gewichtsanteil des Dampfes, und Mu L und Mu G sind die Viskositäten der jeweiligen Flüssigkeit und Gasphasen. In der geschichteten Flow-Modell ist Delta P für die einzelnen Phasen einander gleich. Somit ist die Ergun-Gleichung für die einzelnen Phasen einander gleich. Der Druckabfall und beide Volumenströme müssen bekannt sein, während die Porosität aus der Gleichung berechnet wird. Dann die Massenbilanz der Gas und flüssige Geschwindigkeiten der Zweiphasen-Geschwindigkeit betrifft. Nun, da Sie mit dem Taster Test vertraut sind, lassen Sie uns lernen, wie man das Experiment durchführen.
Bevor Sie beginnen, machen Sie sich vertraut mit dem Apparat, der über eine grafische Oberfläche bedient wird. Die Steuerung wird verwendet, um die Ventile, Abläufe und verschiedene andere Parameter zu regulieren. Bett Nummer vier, die mit Glasperlen und Blast Sand verpackt ist, dient für die einphasige, während Bett Nummer fünf, vollgepackt mit Glas, für das zwei-Phasen-Strömung-Experiment dient. Mit der Öffnung der Bucht starten Sie und beenden Sie, Ventil, sowie die Wasserversorgung Magnetspule zu Bett Nummer vier um den Wasserfluss zu bestimmen. Mit dem Flow-Controller, heben Sie der Wasserdurchfluss allmählich durch das Bett und überwachen Sie den Fluss mit Hilfe des Differenzdruckes. Achten Sie darauf, den Durchfluss um decken das gesamte Spektrum der DP-Sender variieren. Anschließend schalten Sie die UV/Vis-Spektrometer und sorgen für die Kommunikation mit der Steuerung der Konsole. Verwendung von Standards für die Fluoreszenzfarbstoff kalibrieren Sie das Spektrometer.
Wählen Sie für den Test eine einzelne durchschnittliche Durchflussmenge und einem Fluoreszenzfarbstoff 50 PPM in entionisiertem Wasser als der Tracer. Passen Sie zunächst die Spektrometer-Sonde in die Sonde Auswahlpunkt. Dann ändern Sie mit der Steuerung, des Einspritzventils Status von laufen zu laden. Injizieren Sie die Tracer in der Probe-Ventil mit der Spritze, und ändern Sie den Ventilstatus wieder zum laufen. Die Spektrometer-Extinktion zu überwachen, wie die Tracer Bett geht. Um die Injektion Kammer für den nächsten Versuch zu reinigen, ändern Sie den Status zu laden und injizieren Sie 100 Milliliter Wasser mit einer sauberen Spritze in das Ventil zu. Wenn die Extinktion zur Grundlinie zurückkehrt, ändern Sie das Ventil zum laufen und spülen Sie es mit Wasser 10 bis 15 Minuten bei hoher Durchfluss vor der nächsten Injektion Tracer.
Sicherstellen Sie, dass die Wasserventile zu den Betten geschlossen sind. Überprüfen Sie, dass die ein- und Ausfahrt Ventile zu Bett Nummer fünf und das Ablassventil geöffnet sind. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass das manuelle Ventil für die Luft zu den Betten geschlossen ist. Langsam öffnen Sie den Luftregler um einen Luftstrom zu etablieren, dann öffnen Sie das manuelle Ventil für die Luft, um die Betten. Als nächstes mit der Wasser-Regler legen Sie den Fluss auf 700 Milliliter pro Minute und das manuelle Ventil öffnen. Mit den Ventilen, leiten Sie das Wasser und den Luftstrom an der Gas/flüssig-Separator. Bestätigen Sie, dass das Wasser beendet wird, um ablaufen zu lassen. Um eine bessere Trennung von Luft und Wasser zu erreichen, schließen Sie das Ventil auf den Abfluss vorübergehend, führt zum Aufbau eines flüssigen Kopf im Gas/Flüssigkeit Abscheider. Verwenden Sie den Druckregler und die trockenen Test Meter auf der Gasleitung Ausfahrt, um den Luftstrom anzupassen. Schließen Sie das Ablassventil kurz und verwenden Sie die nassen Test Messgerät den Gasstrom zu lesen. Mit einer einzigen flüssigen Durchflussrate manuell variieren Sie die Luftströmung am Regler zu decken das Spektrum von der DP-Sender und Drop Druckdaten für Zweiphasenströmung Experimente am Bett Nummer fünf zu sammeln.
Nun, betrachten wir das echte Fließverhalten. Erhalten Sie für einphasige Strömung die Residenz Zeitverteilung. Verwenden Sie die Residenz Zeitverteilung um mittlere Verweilzeit, durchschnittliche Porosität und Tracer berechnen Masse. Vergleichen Sie die berechneten Tracer-Masse mit dem tatsächlichen Wert. Als Nächstes verwenden Sie Ergun Gleichung Delta P für die Wasser-Strömung-Experimente vorherzusagen. Vergleichen Sie die berechnete Druckverluste mit den berechneten Porositäten auf den gemessenen Wert. In dieser Abbildung ist beispielsweise die minimale Porosität für geschlossene Packung Sphären 0,36. Für Bett, drei und vier, berechnete Porosität ermittelten Werte aus der Residenz Zeit Distributionen sind niedrig, was zu den vorhergesagten Delta Ps höher ist als die gemessenen Werte. Dies deutet Channeling entlang der Wände des Bettes. Bestimmen Sie für die zwei-Phasen-Strömungen die vorhergesagten Druckabfall mit homogener und geschichtete Strömung Theorien und vergleichen Sie es mit dem gemessenen Wert. Wie aus dieser Tabelle zu sehen, des Druckverlusts berechnet, homogene Theorie, erwies sich als besser als die Verwendung von geschichteten Theorie. Die hohen gemessenen Druckverluste empfehlen schwere Channeling im horizontalen Bett, d. h. die Flüssigkeit auf einen kleinen Teil der Querschnittsfläche beschränkt war.
Bett, die Reaktoren sind weit verbreitet in vielen Bereichen der Industrie und Forschung verpackt. Verpackten Bett Reaktoren sind z. B. Kohlenwasserstoff Kraftstoffe Boden Lignocellulose Biomasse umwandeln. Der erste Schritt beinhaltet die Pyrolyse von Biomasse, Bio-Öl mit einem Wirbelschicht-Reaktor zu produzieren. Wie einem verpackten Bett Reaktor ein Wirbelschicht-Reaktor nutzt solide Katalysatorpartikel um eine Reaktion zu erleichtern, aber sie in der Flüssigkeit ausgesetzt sind, anstatt in einem Bett gepackt. Der zweite Schritt im Prozess verwendet einen verpackten Bett-Reaktor, die Bio-Öle in Kraftstoff umzuwandeln. Hier sind die Katalysatorpartikel Ruthenium auf Kohlenstoff in der ersten Stufe des Reaktors und Kobalt-Molybdän auf Aluminiumoxid in der zweiten Phase unterstützt. Das Endergebnis ist ein Kraftstoffgemisch Bereich Kohlenwasserstoff. Verpackt Bett Reaktoren auch für enzymatische Umwandlung, wie die Verdauung eines Proteins vor der Analyse durch Massenspektrometrie verwendet werden können. In diesem Beispiel erfolgt die Reaktion auf C18-Silica-Partikel, verpackt in einem Mikrofluidik-Reaktor. Hier ist das Protein verdaut das Teilchen, während die Enzym-fließt durch den Reaktor in der Flüssigkeit gebunden. Die Verwendung eines verpackten Bett Reaktors für Protein-Verdauung, wie im hier gezeigten Beispiel kann Verbesserung der Ausbeute und erheblich reduzieren Verdauung Zeit und Kosten.
Sie habe nur Jupiters Einführung in Einzel und zwei phase Flow in gepackten Betten beobachtet. Sie sollten jetzt die Grundlagen eines verpackten Bett Reaktors und wie man mit einem Tracer Test analysieren verstehen. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Erhalten die RTDs (E-Kurven, mit Gleichungen 1 - 2) nach Subtraktion einer entsprechenden Basislinie (falls erforderlich) aus den Spektrometer-Signalen. Ein Beispiel für Basislinienkorrektur für Bett #3 (hier nicht verwendet) ist in Abbildung 3. Mit Gleichungen 1-3, berechnen Sie die durchschnittliche Porosität, Tracer Masse, mittlere Verweilzeit, Varianz und Abweichung vom Mittelwert geteilt Quadrat aus der RTDs. vergleichen berechnet Tracer Masse mit eingespritzte Masse - wenn sie nicht innerhalb der erwarteten Genauigkeit, prüfen, wie die Basislinie wurde in das Spektrometer Messungen festgestellt (und vielleicht anders zu bestimmen). Untersuchen Sie, wie die Varianz im Vergleich zu der Vorhersage von der Zerstreuung Theorie (Gleichungen 4-5); Abweichungen zu übermäßigen Channeling bezeichnen.
Abbildung 3 . Bett #3 dimensionslose FTE E-Kurve (390 mL/min, 50 ppm Tracer Einspritzung) mit und ohne Basislinienkorrektur. Die berechneten aus den Gleichungen 2 und 3 war 3,6 Minuten. Die Basislinienkorrektur erfolgte durch Subtraktion von zwei durchschnittliche Ausgangswerte, eine vor und eine nach das Maximum. Der vorhergehende wurde von allen Werten vor das Maximum, das andere nach nach das Maximum aus allen Werten subtraced wurde abgezogen.
Sobald die Porositäten Betten (Gleichung 3) gefunden haben, kann die Ergun Gleichung verwendet werden, Vorhersagen der ΔP für die Wasser-Strömung-Experimente. Die durchschnittlichen Partikeldurchmesser muss zuerst berechnet werden. Da Partikel ziehen Sie bezieht sich auf Bereich für Durchfluss, die Fläche (d2) Gewichtung in der Regel der beste Weg, den mittlere Durchmesser für eine Reihe von Partikeln zu erhalten ist. Der mittlere Durchmesser berechnet werden kann wie folgt abrufen der Partikeldurchmesser aus den Angaben in der Materialliste (ωich ist der wt-Anteil der Teilchen des Durchmessers dich):
(9)
Die berechneten Porositäten können verwendet werden, um die Ursache von Abweichungen zwischen vorhergesagt (durch die Ergun Gleichung) und des ΔP gemessen. Beispielsweise ist die minimale Porosität für Kugeln dicht an dicht 0,36. Es ist unwahrscheinlich, dass jede echte ε eine gesamte Bett weniger als 0,3. Vorhersagen des ΔP >> tatsächlichen ΔP an den Wänden oder im oberen Teil des Bettes empfehlen Kanalisierung (Kurzschluss), Absetzen tritt. Solche Phänomene führt zu einer niedrigen ε aus der E-Kurve, was zu hohen prognostizierten ΔP berechnet. Dies ist der Fall in Abbildung 4 für beide Betten #3 und 4. Beachten Sie, dass je mehr ε erwartet = 0,36 reproduziert Ergun Gleichung Ergebnisse außer bei einer sehr hohe Durchflussrate, wo ein hoher Prozentsatz der Strömung durch niedrige Voidage Regionen wurde. Dieses Channeling kann tatsächlich im Experiment beobachtet werden.
Abbildung 4 . Experimentelle ΔP ist im Vergleich zu den Vorhersagen der Ergun Gleichung, sowohl bei ε = 0,36 und die ε Werte aus der E-Kurven ermittelt.
Vorhersagen des ΔP << tatsächlichen ΔP vorschlagen Channeling nur durch die untere Hälfte des Bett oder teilweise Bett Blockade. Für diese Betten ist dies unwahrscheinlich.
Für die zwei-Phasen-Strömungen zu berechnen vorhergesagten ΔP durch homogene Strömung und geschichtete Strömung Theorien Gleichungen 6-9. Für geschichtete Strömung muss man lösen die Ergun Gleichung und der Gleichung 9 gleichzeitig, α, Ergun ΔP/L (flüssig) Einstellung zu erhalten = Ergun ΔP/L (Gas). Anschließend vergleichen vs. tatsächliche ΔP berechnet und sehen, welche Theorie am besten zutrifft, oder wenn in der Tat entweder Theorie gilt. Andere Strömungsformen (z. B. Slug, Nebel oder inhomogene Schampus fließt) sind möglich, ebenso großen Fluss Verzerrungen durch Channeling, die oft mehr ist weit verbreitet in zwei-Phasen-Strömungen.
Für zweiphasige durchströmt Bett #5, die ΔP anhand homogene Theorie erweisen sich als besser als die Verwendung von geschichteten Theorie (Tabelle 1), obwohl beide Theorien gilt genau wie gesehen. Die hohe tatsächliche ΔP vorschlagen, schwere Channeling in einem horizontalen Bett während der Zweiphasenströmung - Flüssigkeit beschränkt sich auf einen kleinen Teil der Querschnittsfläche. In der Tat sah das Gas Volumen Brüche durch Sichtkontrolle geschätzt sein mindestens 0,90. Die Flüssigkeit wurde auch auf die-Wand-Region des unteren Voidage beschränkt, die ΔP erhöht. Die Ergebnisse spiegeln die Grenzen der einfacheren rheologischen Modelle für zwei-Phasen-Strömung, und daher weitaus komplexer Microrheological Modelle finden sind mehr verwenden heute.
Tabelle 1: Gas Volumen Brüche α und Druck fällt in zwei-Phasen-Strömung, Bett #5.
| Q-Wasser | Q-Luft | Q-Luft | Α (geschichtet) |
ΔDP (geschichtet) PSI |
ΔDP (homogene) PSI |
ΔDP (tatsächliche) PSI |
| mL/min | ft3/min | mL/min | ||||
| 1100 | 1,62 | 45900 | 0,58 | 2.2 | 12 | 17 |
| 1100 | 1.26 | 35700 | 0,47 | 1.7 | 10 | 14 |
| 1100 | 1.11 | 31400 | 0,38 | 1.5 | 9.5 | 11 |
| 1100 | 0.930 | 26300 | 0,19 | 1.3 | 8.6 | 8 |
| 500 | 0,73 | 20700 | 0,58 | 0.66 | 3.4 | 12 |
| 500 | 0,50 | 14200 | 0,47 | 0,50 | 2.7 | 9 |
| 500 | 0,39 | 11000 | 0,38 | 0,40 | 2.7 | 6 |
| 500 | 0,16 | 4250 | 0,19 | 0.29 | 1.4 | 3 |
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Applications and Summary
In diesem Experiment wurde das echte Fließverhalten der horizontalen verpackt Betten, beide in Einzel- und zwei-Phasen-Strömung, die einfachere theoretische Modelle für Druckabfall und Dispersion ("Flow" breitet sich in axialer Richtung, abweichende Pfropfenströmung) gegenübergestellt. Das Dienstprogramm von Markierversuchen in sondieren für Fehlverteilung ("channeling") in solchen Betten ist demonstriert worden, und es wurde auch nachgewiesen, dass bestimmte Kennzahlen berechnet aus der Tracer-Tests Aufschluss über die Ursache für das Channeling geben können. Diese Berechnungen mit Markierversuchen, wie die E-Kurve, computing sind normalerweise bekannt als "Residenz Zeitverteilung" (FTE) Theorie.
Channeling in einphasigen Strom kann entlang der Wände oder jede andere Region der niedrigen Voidage, z. B. auftreten, wenn Abrechnung in einem horizontalen Bett auftritt. Channeling in Zweiphasenströmung kann resultieren aus noch komplexer Ursachen, und wie einfach gesehen Zweiphasenströmung Theorien selten Vorhersagen Druckverluste in gepackten Betten. Channeling nachgelagerten Trennung Kosten erhöht oder das Produkt ruinieren kann. Ein Ziel des Designs ist immer das Ausmaß des Channelns zu minimieren durch finden der optimalen Bett und Partikeldurchmesser für eine gegebene gewünschte Q, und durch die Verpackung ein Bett in einer Weise absetzen zu minimieren.
Die Tracer-Methode der Prüfung ist eine einfache Möglichkeit, die FTE zu quantifizieren. Der Tracer sind jedoch selten die gleichen Moleküle wie in den Prozess verwendet (obwohl sie sich in der Nähe, wenn Isotope verwendet werden). Daher können Tracer Moleküle in der flüssigen Phase nicht in genau der gleichen Weise als Edukt oder adsorptiv Moleküle Verhalten. Insbesondere ist es wichtig, dass die Tracer nicht adsorbieren auf die festen Partikel, weil dann voll und ganz charakteristisch für ein Fluid -Molekül kann es nicht sein.
Die Zeit verbringt jedes Molekül der Reaktionspartner in einem chemischen Reaktor ist eine wichtige Determinante für die makroskopische Konvertierung und Selektivität, das gewünschte Produkt. Das Auftreten von "toten Zonen" (Regionen des stagnierenden Flow) führen oft zu schlechter als erwarteten Selektivitäten, auch wenn die Konvertierungen nicht sehr betroffen sind. Dies ist ein Grund, warum FTE Theorie im Reaktordesign so wichtig ist. 4
Tracer dienen auch durch Umwelt- und Erdöl-Ingenieure helfen Untergrund solide Verpackungsstruktur charakterisieren. Bei diesen Anwendungen werden zwei Brunnen gebohrt noch recht weit auseinander; eine Tracer ist in einer injiziert und erholte sich auf der anderen. Denn die Erde Untergrund ist sehr heterogen, die Abwasser Profile (E-Kurven) sind in der Regel eineiigen, auf das Vorhandensein von präferenziellen Fließwegen. Diese Informationen helfen, die Struktur der unterirdischen Schichten zu charakterisieren, was wichtig für die Modellierung von Erdöl Erholung und Schadstoffbelastung Transport im Grundwasser ist.
Umwelttechnik, kann die Verwendung der Partitionierung Tracer zu lokalisieren und zu quantifizieren, organische Verunreinigungen im Untergrund Schichten verwendet werden. Eine inerte Tracer wird eingespritzt, um die fließenden (Wasserphase) zwischen zwei Brunnen charakterisieren. Eine Partitionierung Tracer wird dann injiziert, bevorzugt in einer organischen Kontaminanten Phase zu partitionieren, falls vorhanden. Die Tracer ist leicht genug, die es schließlich aus der organischen Phase diffundieren wird. Dieses Verhalten manifestiert sich als eine Zeitverzögerung im Vergleich zu den inerten Tracer und Vergleich dieser beiden kann verwendet werden, um das Volumen der stagnierenden organische Phase vorhanden ableiten.
Zwei-Phasen-Strömungen sind auch häufig in Kraftwerken, in nicht-Reaktor, nicht-Adsorber Anwendungen gefunden. Ein Beispiel ist Wärmeübertragung, mit dem Dampf erzeugt in einem Kessel siedet. Sie sind auch in allen Destillationskolonnen, Absorber und Stripperinnen, obwohl in vertikale als horizontale Konfiguration gefunden.
Materialliste
| Name | Unternehmen | Katalog-Nummer | Kommentare |
| Ausrüstung | |||
| Bett #3 – Glasperlen | Grainger | 25-40 Mesh (50 %)
60-120 Mesh (50 %) |
Verpackt in parallel |
| Bett #4 – Glasperlen und Blast sand | Grainger | 60-120 Mesh (90 %) - Glas
80-120 Mesh (6 %) - Glas 120-200 Mesh (4 %) - sand |
Miteinander vermischt |
| Bett #5 – Glasperlen | Grainger | 5-10 Maschen | |
| Trocken-Test Messgerät | Sänger | Modell 803 | |
| Glasfaser-UV-Vis-Spektrometer | Ocean Optics | Modell USB2000 | Enthält die Lichtquelle Ocean Optics DT-1000 |
| Reagenzgläser | VWR | 10 mL | Für die Kalibrierung |
| Reagenzien | |||
| Gelb/grün fluoreszierenden Farbstoff | Cole-Parmer | 0298-17 | Verwendet, um die Tracer-Lösungen bilden |
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Bed #3 – glass beads | Grainger | 25-40 mesh (50%) 60-120 mesh (50%) |
Packed in parallel |
| Bed #4 – glass beads and blast sand | Grainger | 60-120 mesh (90%) - glass 80-120 mesh (6%) - glass 120-200 mesh (4%) - sand |
Mixed together |
| Bed #5 – glass beads | Grainger | 5-10 mesh | |
| Dry test meter | Singer | Model 803 | |
| Fiber-optic UV-Vis spectrometer | Ocean Optics | Model USB2000 | Includes Ocean Optics DT-1000 light source |
| Test tubes | VWR | 10 mL | For calibration |
| Reagents | |||
| Yellow/green fluorescent dye | Cole-Parmer | 0298-17 | Used to make up tracer solutions |
References
- Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Distillation Columns. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/DistillationColumns/DistillationColumns.html. Accessed 9/22/16.
- Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Absorbers. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/Absorbers/Absorbers.html. Accessed 9/22/16.
- Nevers, N., Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Ed., McGraw-Hill, 2004, Ch. 11. A derivation can be found in: M.M. Denn, "Process Fluid Mechanics", Prentice-Hall, 1980, Ch. 4.
- Fogler, H.S., "Elements of Chemical Reaction Engineering", Prentice-Hall, 2006, Ch. 13.1-13.3 and 14.3-14.4 (dispersion models); Levenspiel, O., "Chemical Reaction Engineering", 3rd Ed., John Wiley, 1999, Ch. 11 and 13 (dispersion models); Missen, R.W., Mims, C.A., and Saville, B.A., "Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics", John Wiley, 1999, Ch. 19 and 20.1.
- Levy, S., "Two Phase Flow in Complex Systems", John Wiley, 1999, Ch. 3.
