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Ein- und zwei-Phasen-Strömung in einem verpackten Bett-Reaktor
 

Ein- und zwei-Phasen-Strömung in einem verpackten Bett-Reaktor

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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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