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填料床反应器中的单相和两相流

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填料床反应器是化学工业中最常用的反应器之一, 由于其转化率较高。填料床反应器通常是充满固体催化剂颗粒的管状反应器。反应发生在固体颗粒表面。因此, 小颗粒使高表面的体积比和高的转换。理想情况体流经反应器的插头方式 , 因此 , 这些反应堆有时被称为塞流反应器。然而, 流动或通入的不可能发生, 在流动不再保持甚而插座象发行。这使得反应器中的压降降低, 影响反应转化率。在这个视频中, 我们将讨论一个填料床反应器的基础, 并演示如何测量压降和流动分布的一相和两相流在填充床。

在单相填料床系统中, 流体可以是气体或液体。在两相反应器中, 无论是在共流层还是逆流床上, 液体和气体都流过固体颗粒。在一相和两相系统中, 反应器可以水平地或垂直地被安置。这个固相以两种方式包装。倾销包装是随机导向的, 而结构化包装由定义的几何网络组成。包装越均匀, 压降越低。额尔古纳市方程描述了一个理想的单相流填料床反应器, 它描述了床的压降及其与颗粒大小、床长、空隙或孔隙度、流体流速和粘度之间的关系。然而, 实际反应器的性能和偏离理想必须通过示踪法进行实验分析。在示踪法中, 被假定与反应物分子的行为相似的示踪染料被注入到该列中。染料被监测, 因为它流经柱, 其浓度后, 出口测量作为一个功能的时间。在理想的塞流中, 跟踪器应该在一个瞬间退出, 并且分布显示为尖峰。然而, 在一个典型的列中, 浓度函数采用高斯分布的形式。该函数用于计算停留时间分布。为了量化的偏差, 从堵塞流, 平均停留时间, 或概率, 一个分子将退出列在时间 T, 计算如图所示。对于填料床, 停留时间与空隙量有关, 即全床容积和孔隙率的乘积, 除以容积流速, Q。在填充床中描述两相流时, 应用了两个简单的模型。均匀模型假定气体、液体、平均或两相速度相等。然后两相密度是质量速度, G, 除以两相速度, UTP。平均两相粘度的定义如图所示, 其中 X 是蒸气的重量分数, 而μ L 和μ G 是各自的液相和气相中的黏度。在分层流模型中, 每个相位的三角洲 P 是相等的。因此, 每个阶段的额尔古纳市方程是相等的。压力降和两个流速必须知道, 而孔隙度是从方程计算的。然后, 质量平衡将气体和液体的速度与两相速度联系起来。现在你已经熟悉了示踪剂测试, 让我们学习如何进行实验。

在开始之前, 请熟悉使用图形界面操作的设备。控制系统用于调节阀门、流量和各种其它参数。床号四, 用玻璃珠和喷砂包装, 用于单相, 而床号五, 用玻璃包装, 用于两相流实验。从打开进水口和出口阀, 以及供水螺线管, 到床数四确定水流量。采用流量控制器, 通过床层逐步提高水流流量, 利用差压监测流量。确保改变流量, 以涵盖整个范围的 DP 发射机。接下来, 打开 UV 光谱仪, 确保与控制台的通信。使用荧光染料的标准, 校准光谱仪。

对于测试, 选择一个单一的平均流速和 50 PPM 荧光染料在去离子水作为示踪剂。首先, 将光谱仪探针插入探针样品点。然后, 采用控制系统, 将注入阀的状态从运行改为充电。使用注射器将示踪剂注入样品阀中, 并将阀门状态转换回运行。当示踪剂通过床时, 监测光谱仪的吸光度。为下一次试验清洗注射室, 改变状态为充电和注射100毫升水用干净的注射器入阀门。当吸光度返回基线时, 在下一次示踪剂注入前, 将阀门改为运行, 并在高流量下用清水冲洗10至15分钟。

确保床上的水阀关闭。检查入口和出口阀门到床五和排泄阀门是开放的。此外, 确保将空气的手动阀放到床上是闭合的。慢慢打开空气调节器, 建立一个气流, 然后, 打开手动阀的空气到病床。接下来, 使用水流控制器, 设置流量为每分钟700毫升, 并打开手动阀。使用阀门, 将水和气流流向气体/液体分离器。确认水已排出排水。为了达到更好的空气和水的分离, 暂时关闭阀门到排水管, 这将导致在气体/液体分离器的液体头的积聚。使用压力调节器和气体出口线上的干式测试仪来调节气流。简单地关闭排水阀, 使用湿式测试仪读取气体流量。在一个单一的液体流速, 手动改变空气流量的调节器, 以覆盖范围的 DP 发射机和收集的压力下降数据的两相流实验在床五。

现在, 让我们来看看真正的流行为。对于单相流, 获得停留时间分布。使用停留时间分布来计算平均停留时间、平均值孔隙度和示踪物质量。将计算出的跟踪器质量与实际值进行比较。接下来, 用额尔古纳市方程预测水流实验的三角洲 P。用计算出的孔隙量与实测值比较计算出的压降。例如, 在这个图中, 闭合包球体的最小孔隙率是0.36。对于床三和四, 由停留时间分布确定的孔隙度值较低, 导致预测的三角洲 Ps 高于实测值。这可能预示着沿着床的墙壁窜出。对于两相流, 利用均质和分层流理论确定预测压降, 并与实测值进行比较。从该表中可以看出, 采用均质流理论计算压降的方法比采用分层流理论的方法要好。高测量压力下降表明在水平床上有严重的窜流, 这意味着液体被限制在横截面积的一小部分。

填料床反应器广泛应用于工业和研究的许多领域。例如, 填料床反应器用于将地面纤维素生物量转换成碳氢化合物燃料。第一步是利用流化床反应器热解生物质生产生物油。像一个填料床反应器, 流化床反应器利用固体催化剂粒子来促进反应, 但他们是悬浮在液体中, 而不是在床上包装。该过程的第二步是使用填料床反应器将生物油转化为燃料。在反应器的第一阶段, 催化剂颗粒是在碳上支持的钌, 第二阶段是氧化铝中的钴钼。最后的结果是一个燃料范围的碳氢化合物混合物。填料床反应器也可用于酶的转化, 如蛋白质的消化之前, 通过质谱分析。在这个例子中, 反应发生在 C18 二氧化硅微粒, 被装入一个微流控反应器。在这里, 被消化的蛋白质与粒子结合, 而酶则流经反应器中的液体。使用填料床反应器的蛋白质消解, 如这里所示的例子, 可以提高产量, 大大减少消化时间和成本。

你刚刚看了朱庇特的介绍单和两相流的填充床。你现在应该了解一个填充床反应器的基本知识, 以及如何使用示踪剂测试来分析流量。谢谢收看!

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