Laboratorium Inżynierii bioreaktorów Ćwiczenie 2: Rozkład czasu przybywania w reaktorach przepływowych

Transkrypt

1 EL Laboratorium Inżynierii bioreaktorów Ćwizenie 2: Rozkład zasu przybywania w reaktorah przepływowyh Wyznazenie rzezywistego rozkładu zasu przebywania w reaktorze mieszalnikowym metodą skokową oraz w dwóh reaktorah rurowyh metodą impulsową i porównanie uzyskanyh wyników z modelem idealnym. WPROWDZENIE zas przebywania składników w przestrzeni zynnej danego reaktora jest ważnym parametrem harakteryzująym proes tehnologizny. Tylko w przypadku reaktora okresowego wszystkie składniki mają identyzny, równy zas przebywania. Inazej jest w przypadku reaktorów przepływowyh. Rzezywisty zas przebywania ząstek w reaktorze przepływowym zależy od harakteru przepływu. Definiuje się dwa granizne, idealne modele przepływu: przepływ z idealnym przemieszaniem oraz przepływ tłokowy. W przepływie tłokowym elementy płynu, które w tym samym momenie weszły do aparatu, poruszają się w nim z jednakową prędkośią po drogah równoległyh i opuszzają go po identyznym zasie. Stan idealnego przemieszania oznaza, że właśiwośi płynu (temperatura, stężenie, et.) są jednolite w ałym reaktorze i identyzne z właśiwośiami strumienia opuszzająego reaktor. Reaktory takie nazywane są reaktorami idealnymi. W rzezywistośi przepływ w reaktorah jest zymś pośrednim między tymi stanami. W reaktorah zbiornikowyh nie zawsze osiągany jest stan idealnego przemieszania, zaś w reaktorah rurowyh występuje zawsze zjawisko mieszania w kierunku zgodnym z masowym przepływem płynu. Jest to tzw. zjawisko mieszania wzdłużnego, bądź dyspersji wzdłużnej, zależne od rodzaju aparatu, własnośi płynu i harakteru przepływu W aparatah rzezywistyh mamy wię do zynienia z przepływem dyspersyjnym o harakterze bliżej nieokreślonym, różniąym się w mniejszym lub większym stopniu od modeli idealnyh. W ten sposób zas przebywania poszzególnyh elementów jest różny i zawiera się w przedziale (, ). Ze względów praktyznyh ważna jest oena stopnia zbliżenia do stanu idealnego. Kryterium takiej oeny daje znajomość rozkładu rzezywistego zasu przebywania elementów płynu w układzie. Opisuje się go najzęśiej funkją E( oraz F(. Funkję E( nazywa się funkją gęstośi zasu przebywania i oznaza ona ułamek masy wprowadzonej substanji o zasie przebywania zawartym w przedziale od t do t+dt w strumieniu opuszzająym reaktor. Dla tak zdefiniowanej funkji obowiązuje zależność: E ( dt = 1 (1) 1

2 Funkja F(, nazywana funkją rozkładu bądź dystrybuantą zasu przebywania, podaje udział (np. molowy, masowy) ząstezek o zasie przebywania od do t. Między tymi dwoma funkjami istnieje śisła zależność: t = F( E( dt (2) Średni zas przebywania w reaktorze jest związany z funkjami E( i F( w następująy sposób: = te( dt = tdf( (3) SR zas przebywania może być także przedstawiony w postai bezwymiarowej (Ө względny zas przebywania) t θ = (4) gdzie V R = V R objętość roboza reaktora, Q - strumień objętośiowy (5) Q Wówzas można stosować także funkje E(Ө) oraz F(Ө), przy zym F(Ө)=F( (6) E(Ө)= E( (7) Do wyznazenia rozkładu zasu przebywania ząstezek w danym układzie stosuje się dwie metody: metodę skokową i metodę impulsową. Do tego typu badań stosuje się substanje wskaźnikowe, któryh stężenie może być w łatwy sposób monitorowane (pomiar absorbanji, przewodnośi, radioaktywnośi). Substanje te wprowadza się do strumienia reagentów na wejśiu do reaktora i rejestruje zmiany na wyjśiu. Do opisu sygnału skokowego stosuje się funkję F(, zaś do opisu sygnału impulsowego funkją E(Ө). Dla układów idealnyh mają zastosowanie następująe równania: a) reaktor rurowy z przepływem tłokowym:. metoda skokowa F( = O B. metoda impulsowa E( θ ) = O LdlaLt < = 1LdlaLt LdlaLt = LdlaLt = (8) (9) 2

3 b) reaktor zbiornikowy z idealnym wymieszaniem:. metoda skokowa F = ( = F( θ ) (1) O ( ) F = F ( θ ) = 1 exp θ (11) ( B. metoda impulsowa ( θ ) E θ ) = E( = = exp (12) E ( O θ ) = E ( = exp ( θ ) ( (13) Na rysunkah przedstawiono funkje na wejśiu i odpowiedzi układu na wyjśiu dla reaktora rurowego (a) oraz zbiornikowego (b) dla metody skokowej () i impulsowej (B): METOD SKOKOW F ( ) = a a reaktor rurowy reaktor zbiornikowy METOD IMPULSOW E ( θ ) = a a reaktor rurowy reaktor zbiornikowy θ 3

4 ZĘŚĆ EKSPERYMENTLN 1. PRTUR I MTERIŁY - 2 reaktory rurowe o różnej geometrii - reaktor zbiornikowy - pompy perystaltyzne - spektrofotometr - zerń eriohromowa (znaznik) 2. METODYK UWG!!! Każda z podgrup wykonuje 3 proesy: 1 reaktor rurowy metoda impulsowa; 2 reaktor rurowy B metoda impulsowa; 3 reaktor mieszalnikowy metoda skokowa Reaktor rurowy metoda impulsowa 1. Ustawić pompy między 1, a 15 obr/min. 2. Upewnić się, że wąż doprowadzająy do reaktora umieszzony jest w pojemniku z zystą wodą, natomiast wąż odprowadzająy (żółty pod stołem) przełożyć do pojemnika na zlewki!!! 3. Uruhomić pompę i napełnić reaktor wodą. 4. Określić objętośiowy strumień przepływu iezy przez reaktor na wyjśiu z reaktora przy użyiu stopera i ylindra w o najmniej 2-krotnym powtórzeniu. 5. Nabrać ok. 5 ml znaznika (,5% wodny roztwór zerni eriohromowej) do strzykawki i założyć na nią końówkę wężyka do wstrzykiwania. 6. Zatrzymać pompę. 7. Zdjąć zaisk z wężyka i POWOLI!!! wstrzyknąć znaznik tak, aby nie doprowadzić do jego wzburzenia. 8. Nie zaiskać wężyka i nie zdejmować strzykawki. 9. Natyhmiast po wprowadzeniu znaznika do reaktora włązyć pompę i uruhomić stoper (ZS STRT). 1. Pobrać pierwszą próbkę i zapisać rzezywisty zas pobrania próbki według stopera, w momenie, gdy zabarwiony znaznikiem roztwór zbliży się do wyjśia reaktora, 11. Kolejne próbki pobierać o ok. 1 min. Potem (od ok. 8-1 próbki) rzadziej np. zas pobrania kolejnyh próbek [min]:, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 15, 2, 25, 3; 12. We wszystkih próbkah zmierzyć absorbanję przy λ = 58 nm względem zystej wody jako odnośnika; 4

5 13. Po pobraniu ostatniej próbki do założonej strzykawki do pełna naiągnąć roztworu (zysta woda). 14. Następnie zatrzymać pompę. 15. Zaisnąć wężyk, zdjąć strzykawkę i dokładnie ją umyć. 16. Na podstawie wymiarów geometryznyh reaktora oblizyć jego objętość robozą; 2.2. Reaktor zbiornikowy metoda skokowa 1. Ustawienie pompy < 1 obr./min; 2. Upewnić się, że wąż doprowadzająy do reaktora umieszzony jest w pojemniku z zystą wodą, natomiast wąż odprowadzająy (żółty pod stołem) przełożyć do pojemnika na zlewki!!! 3. Uruhomić pompę i napełnić reaktor wodą. 4. Określić objętośiowy strumień przepływu iezy przez reaktor na wyjśiu z reaktora przy użyiu stopera i ylindra w o najmniej 2-krotnym powtórzeniu. 5. Przygotować zbiornik (5 litrowy) z roztworem znaznika o znanym stężeniu. 6. Pobrać próbkę znaznika i zmierzyć absorbanję ( MKSYMLN ) przy λ = 58 nm przed rozpozęiem proesu; 7. Zatrzymać pompę; 8. Przełożyć wąż doprowadzająy do zbiornika ze znaznikiem!!! 9. Uruhomić pompę i równoześnie włązyć stoper (ZS STRT) oraz pobrać pierwszą próbkę; 1. Próbki pobierać do momentu uzyskania stanu ustalonego w reaktorze, zyli do hwili gdy wartośi absorbanji próbek pobieranyh z wylotu z reaktora przestaną się zmieniać; 11. W zależnośi od ustalonego strumienia przepływu próbki pobierać o 1 lub 2 min. Potem (od ok próbki) rzadziej np. o 5 min; 12. We wszystkih próbkah zmierzyć absorbanję przy λ = 58 nm względem zystej wody jako odnośnika; 13. Po pobraniu ostatniej próbki zatrzymać pompę; 14. Przełożyć wąż doprowadzająy do pojemnika z zystą wodą!!! 15. Na podstawie wymiarów geometryznyh reaktora oblizyć jego objętość robozą; 16. Następny zespół może zaząć od punktu 9, traktują wodę jako znaznik i założyć bsorbanję do oblizeń = [ MKSYMLN MIERZON ]. Po zakońzeniu pomiarów uporządkować stanowisko pray, umyć szkło laboratoryjne, opróżnić wszystkie pojemniki, powyierać blaty. 5

6 3. OPROWNIE WYNIKÓW 3.1. Reaktory rurowe metoda impulsowa 1. Znają objętość robozą reaktora (V REKTOR ) oraz objętośiowy strumień przepływu ( Q ) oblizyć zas przebywania ząstek znaznika w warunkah idealnyh ( idealne ). 2. Wykreślić zależność bs(58) = f( i wyznazyć zas dla którego stężenie znaznika osiąga wartość maksymalną w przypadku rzezywistym (t max ). 3. Na podstawie uzyskanyh wyników (metodą grafizną) oblizyć średni (rzezywisty) zas przebywania ząstezek znaznika w reaktorze: SR t = t t ( dt ( dt, gdzie (dt pole oblizone pod wykresem bs(58) = f( 4. Porównać i skomentować wyznazone wartośi idealnego i średniego zasu przebywania z t max. 5. Dla wszystkih uzyskanyh próbek wyznazyć θ względny zas przebywania oraz funkję E(θ) (podpowiedź - patrz wprowadzenie do instrukji metoda impulsowa dla reaktora rurowego). 6. Na jednym wykresie przedstawić rzezywisty przebieg funkji rozkładu zasu przebywania E(θ) = f(θ) (punkty) oraz funkję dla warunków idealnyh (linia iągła), a następnie wyniki uzyskane eksperymentalnie porównać z warunkami idealnymi. 7. nalogizne oblizenia wykonać dla drugiego reaktora rurowego. 8. Na konie porównać wyniki uzyskane dla obu reaktorów rurowyh. Skomentować zastosowaną metodę wyznazania rozkładu zasu przebywania ząstek znaznika w reaktorze (dokładność, odhylenie od warunków idealnyh). Zaznazyć zy geometria reaktora ma wpływ na przebieg doświadzenia, a jeśli tak to napisać jaki Reaktor mieszalnikowy metoda skokowa 1. Znają objętość robozą reaktora (V REKTOR ) oraz objętośiowy strumień przepływu ( V ) wyznazyć zas przebywania ząstek znaznika w warunkah idealnyh ( idealne ). 2. Na podstawie uzyskanyh wyników eksperymentalnyh wyznazyć średni (rzezywisty) zas przebywania ząstezek znaznika w reaktorze: SR = t E( dt = (1 F( θ )) dθ = t df( = t (1 F( ) = t (1 ) = t (1 bs bs ) gdzie t t n -t (n-1) ; bs absorbanja hwilowa; bs pozątkowa absorbanja znaznika 6

7 3. Porównać i skomentować wyznazone wartośi idealnego i średniego zasu przebywania. 4. Dla wszystkih uzyskanyh próbek wyznazyć θ względny zas przebywania, funkję F(θ) oraz F idealne (θ) (podpowiedź - patrz wprowadzenie do instrukji metoda skokowa dla reaktora rurowego). 5. Na jednym wykresie przedstawić przebieg funkji rozkładu zasu przebywania F(θ) = f(θ) (punkty) oraz F idealne (θ) = f(θ) (linia iągła), a następnie wyniki uzyskane eksperymentalnie porównać z warunkami idealnymi. 6. Skomentować zastosowaną metodę wyznazania rozkładu zasu przebywania ząstek znaznika w reaktorze (dokładność, odhylenie od warunków idealnyh). LITERTUR: 1. Szarawara J., Skrzypek J. Podstawy inżynierii reaktorów hemiznyh, Wydawnitwo Naukowo-Tehnizne, W-wa 198, Rozdział XIII; 2. Wszystkie inne dostępne podręzniki z zakresu inżynierii hemiznej zawierająe informaje na temat rozkładu zasu przebywania. KRTKÓWK Do kartkówki obowiązuje znajomość instrukji, wykonania doświadzenia i niezbędnyh oblizeń, jak również materiał teoretyzny przedstawiony we wprowadzeniu do instrukji i zagadnienia dotyząe wyznazania zasu przebywania w reaktorah przepływowyh, które można znaleźć w dostępnej literaturze. 7