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Individual y dos fases de flujo en un Reactor de lecho empacado
 

Individual y dos fases de flujo en un Reactor de lecho empacado

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Reactores de lecho empacado son uno de los tipos más comunes de reactor utilizado en la industria química, debido a su tasa de conversión alta. Reactores de lecho empacado son típicamente tubulares reactores llenados de partículas de catalizador sólido. La reacción se produce en la superficie de la partícula sólida. Así, las partículas pequeñas permiten una superficie alta al cociente del volumen y por lo tanto alta conversión. Idealmente, fluido atraviesa el reactor en forma de enchufe, por lo tanto, estos reactores a veces se llaman reactores de flujo de tapón. Sin embargo, puede ocurrir mala distribución del flujo o canalización, donde flujo ya no mantiene la distribución incluso como el enchufe. Esto provoca la caída de presión en el reactor para disminuir y afecta a la tasa de conversión de la reacción. En este video, vamos a discutir los fundamentos de un reactor de lecho empacado y demostrar cómo medir la caída de presión y flujo de distribución del flujo monofásico y bifásico en la cama embalada.

En sistemas monofásicos de lecho empacado, el fluido puede ser líquido o un gas. En reactores de dos fases, líquido y gas fluyen sobre las partículas sólidas en camas co-corriente o contra corriente. En sistemas monofásico y bifásicos, el reactor puede orientarse horizontal o verticalmente. Esta fase sólida es embalada de dos maneras. Embalaje objeto de dumping es aleatoriamente orientado, mientras que el embalaje estructurado consiste en redes geométricas definidas. Más homogéneo el embalaje, menor caída de la presión a través de la cama. Un reactor de lecho empacado ideal con flujo monofásico puede ser descrito por la ecuación de Ergun, que describe la caída de presión a través de la cama y cómo se relaciona con tamaño de partícula, longitud de la cama, espacio vacío o porosidad, velocidad del fluido y viscosidad. Sin embargo, rendimiento del reactor real y desviaciones del ideal deben ser analizadas experimentalmente mediante el método de trazador. En el método de trazador, se inyecta un tinte trazador, que se supone que se comportan de manera similar a las moléculas de reactivo, en la columna. El tinte se monitorea mientras fluye a través de la columna, y su concentración al salir mide como una función del tiempo. En el flujo de enchufe ideal, el trazador debe salir en una instantánea y la distribución aparece como un punto. En una columna típica, sin embargo, la función de la concentración toma la forma de una distribución gaussiana. Esta función se utiliza entonces para calcular la distribución del tiempo de residencia. Para cuantificar la desviación de flujo tapón, el tiempo de residencia media o la probabilidad que una molécula salga de la columna al tiempo T, se calcula como se muestra. Para camas embaladas, tiempo de residencia se relaciona con el volumen de vacío, que es el producto de volumen de cama total y porosidad, dividido por la tasa de flujo volumétrico, Q. Al describir el flujo bifásico en un lecho empacado, se aplican dos modelos simples. El modelo homogéneo asume que el gas, líquido y media, o dos velocidades, son iguales. Entonces la densidad de dos fases es velocidad másica, G, dividida por la velocidad de dos fases, UTP. La viscosidad promedio de dos fases se define como se muestra, donde X es la fracción de peso de vapor, y mu L y mu G son las viscosidades de las fases gas y líquido respectivo. En el modelo de flujo estratificado, delta P para cada fase es igual a uno al otro. Por lo tanto, la ecuación de Ergun, para cada fase es igual a uno al otro. La caída de presión y tanto las tasas de flujo deben ser conocidas, mientras que la porosidad se calcula de la ecuación. Entonces el balance de masa relaciona con el gas y el líquido velocidades la velocidad dos fases. Ahora que está familiarizado con la prueba de trazadores, vamos a aprender cómo llevar a cabo el experimento.

Antes de comenzar, familiarícese con el aparato, que funciona mediante una interfaz gráfica. El sistema de control se utiliza para regular las válvulas, las corrientes y varios otros parámetros. Número de la cama cuatro, que está lleno de perlas de vidrio y sand blast, se utiliza para los modelos monofásicos, mientras que el número de la cama cinco, con vidrio, se utiliza para el experimento de flujo bifásico. Iniciar con la apertura de la entrada y salida de la válvula y el solenoide de suministro de agua, a cuatro del número de la cama para determinar el flujo de agua. Utilizar el controlador de flujo, aumentar el flujo de agua gradualmente a través de la cama y controlar el flujo mediante la presión diferencial. Asegúrese de variar el caudal para cubrir toda la gama del transmisor de DP. A continuación, encienda el espectrómetro UV/vis y asegurar la comunicación con la consola de control. Usando estándares del tinte fluorescente, calibrar el espectrómetro.

Para la prueba, elegir un solo caudal promedio y un tinte fluorescente de 50 PPM en agua desionizada como el tracer. En primer lugar, inserte la sonda del espectrómetro en el punto de muestreo de la sonda. Luego, utilizando el sistema de control, cambiar estado de la válvula de inyección de corriente a la carga. Inyectar el trazador en la válvula de la muestra con la jeringa y cambiar el estado de la válvula a correr. Monitorear la absorbancia espectrómetro el trazador pasa a la cama. Para limpiar el compartimiento de la inyección para el siguiente experimento, cambiar el estado de carga e inyectar 100 mililitros de agua con una jeringa limpia la válvula. Cuando la absorbancia vuelve a línea de fondo, cambiar la válvula de funcionamiento y purgar con agua durante 10 a 15 minutos a alto flujo antes de la siguiente inyección de trazador.

Asegúrese de que estén cerradas las válvulas de agua a las camas. Compruebe que las válvulas de entrada y salida al número cinco de la cama y la válvula de drenaje están abiertos. Además, asegúrese de que está cerrada la válvula manual para el aire a las camas. Lentamente el regulador de aire para establecer un flujo de aire, y, abra la válvula manual para el aire a las camas. A continuación, utilizar el controlador de flujo de agua, ajuste el flujo a 700 mililitros por minuto y abrir la válvula manual. Usando las válvulas, dirija el flujo de agua y aire para el separador de gas líquido. Confirmar que el agua está saliendo para drenar. Para lograr una mejor separación de aire y el agua, cerrar la válvula al desagüe temporalmente, que dará lugar a la acumulación de una cabeza de líquido en el separador de gas líquido. Utilice el regulador de presión y el medidor de prueba de seco en la línea de salida de gas para ajustar el flujo de aire. Cierre la válvula de drenaje brevemente y usar el medidor de prueba húmedo para leer el flujo de gas. En un solo caudal líquido, variar manualmente el flujo de aire en el regulador para cubrir el rango del transmisor de DP y recoger los datos de caída de presión para los experimentos de flujo bifásico en el número cinco de la cama.

Ahora, vamos a examinar el comportamiento del flujo real. Para el flujo monofásico, obtener la distribución del tiempo de residencia. Utilizar la distribución del tiempo de residencia para calcular el tiempo de residencia media, porosidad promedio y palpador masa. Comparar la masa de trazador calculado con el valor real. A continuación, utilizar la ecuación de Ergun para predecir delta P para los experimentos de flujo de agua. Comparar las gotas de presión calculada usando la porosidad calculada para el valor medido. Por ejemplo, en esta figura, la porosidad mínima de esferas cerradas pack es 0.36. Para cama de tres y cuatro, los valores de porosidad calculada determinados a partir de las distribuciones de tiempo de residencia son bajos, hacia el delta predicho Ps es mayor que los valores medidos. Esto podría indicar la canalización a lo largo de las paredes de la cama. Para los flujos de dos fases, determinar el descenso de la presión prevista mediante las teorías de flujo homogéneo y estratificado y se compara con el valor medido. Como se ve en esta tabla, el descenso de la presión calculada usando la teoría de flujo homogéneo, demostró para ser mejor que aquellos que utilizan la teoría del flujo estratificado. Las gotas de presión alta medido sugieren severa canalización en la cama horizontal, lo que significa el líquido fue confinado a una pequeña porción de la superficie transversal.

Lleno cama reactores son ampliamente utilizados en muchas áreas de la industria y la investigación. Por ejemplo, reactores de lecho empacado se utilizan para convertir biomasa lignocelulósica de la planta de combustible hidrocarburo. El primer paso consiste en la pirolisis de la biomasa para producir bio-oil mediante un reactor de lecho fluidizado. Como un reactor de lecho empacado, un reactor de lecho fluidizado utiliza partículas de catalizador sólido para facilitar una reacción, pero están suspendidas en el líquido, en lugar de lleno en una cama. El segundo paso en el proceso utiliza un reactor de lecho empacado para convertir los aceites bio combustible. Aquí, las partículas de catalizador son rutenio soportado en carbono en la primera etapa del reactor y cobalto molibdeno sobre alúmina en la segunda etapa. El resultado final es una mezcla de hidrocarburos de combustible gama. Lleno cama reactores pueden utilizarse también para la conversión enzimática, como la digestión de una proteína antes del análisis por espectrometría de masas. En este ejemplo, la reacción ocurre en las partículas de sílice C18, embalado en un reactor de microfluidos. Aquí, la proteína se digiere está ligada a la partícula, mientras que el enzima atraviesa el reactor en el líquido. El uso de un reactor de lecho empacado para la digestión de proteínas, como el ejemplo mostrado, puede mejorar el rendimiento y reducir considerablemente los costos y el tiempo de digestión.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al flujo de fase única y dos en camas embaladas. Ahora debe comprender los conceptos básicos de un reactor de lecho empacado y cómo analizar mediante una prueba de indicador de flujo. ¡Gracias por ver!

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