Inżynieria bioreaktorów - Rozkład czasu przybywania w reaktorach (2012/2013)

Transkrypt

1 Inżyniria bioraktorów - Rozkład zasu przybywania w raktorah (212/213) CEL Wyznazni rzzywistgo rozkładu zasu przbywania w raktorz miszalnikowym mtodą skokową i w dwóh raktorah rurowyh mtodą impulsową oraz porównani uzyskanyh wyników z modlm ym. WPROWDZENIE Czas przbywania składników w przstrzni zynnj dango raktora jst ważnym paramtrm haraktryzująym pros thnologizny. Tylko w przypadku go raktora okrsowgo wszystki składniki mają idntyzny, stały zas przbywania. Inazj jst w przypadku raktorów przpływowyh. Rzzywisty zas przbywania ząstk w raktorz przpływowym zalży od haraktru przpływu. Dfiniuj się dwa granizn, modl przpływu: przpływ z ym wymiszanim oraz przpływ tłokowy. W przpływi tłokowym lmnty płynu, któr w tym samym momni wszły do aparatu, poruszają się w nim z jdnakową prędkośią po drogah równolgłyh i opuszzają go po idntyznym zasi. Stan go wymiszania oznaza, ż właśiwośi płynu (tmpratura, stężni, t.) są jdnolit w ałym raktorz i idntyzn z właśiwośiami struminia opuszzajągo raktor. Raktory taki nazywan są raktorami ymi. W rzzywistośi przpływ w raktorah jst zymś pośrdnim między tymi stanami. W raktorah zbiornikowyh ni zawsz osiągany jst stan go wymiszania, zaś w raktorah rurowyh występuj zawsz zjawisko miszania w kirunku zgodnym z masowym przpływm płynu. Jst to tzw. zjawisko miszania wzdłużngo, bądź dysprsji wzdłużnj, zalżn od rodzaju aparatu, własnośi płynu i haraktru przpływu W aparatah rzzywistyh mamy wię do zyninia z przpływm dysprsyjnym o haraktrz bliżj niokrślonym, różniąym się w mnijszym lub większym stopniu od modli yh. W tn sposób zas przbywania poszzgólnyh lmntów jst różny i zawira się w przdzial (, ). Z względów praktyznyh ważna jst ona stopnia zbliżnia do stanu go. Krytrium takij ony daj znajomość rozkładu rzzywistgo zasu przbywania lmntów płynu w układzi. Opisuj się go najzęśij funkją E( oraz F(. Funkję E( nazywa się funkją gęstośi zasu przbywania i oznaza ona ułamk masy wprowadzonj substanji o zasi przbywania zawartym w przdzial od t do t+dt w struminiu opuszzająym raktor. Dla tak zdfiniowanj funkji obowiązuj zalżność: E ( dt 1 (1) 1

2 Funkja F(, nazywana funkją rozkładu bądź dystrybuantą zasu przbywania, podaj udział molowy ząstzk o zasi przbywania od do t w struminiu opuszzająym raktor dla zasu t. Między tymi dwoma funkjami istnij śisła zalżność: t F( E( dt (2) Śrdni zas przbywania w raktorz jst związany z funkjami E( i F( w następująy sposób: te( dt tdf ( (3) SR Czas przbywania moż być takż przdstawiony w postai bzwymiarowj (Ө względny zas przbywania) t (4) gdzi V R V R objętość roboza raktora, V - strumiń objętośiowy (5) V Wówzas można stosować takż funkj E(Ө) oraz F(Ө), przy zym F(Ө)=F( (6) E(Ө)= E( (7) Do wyznaznia rozkładu zasu przbywania ząstzk w danym układzi stosuj się dwi mtody: mtodę skokową i mtodę impulsową, polgają na zakłóniu ustalongo haraktru przpływu i obsrwaji skutków w zasi, gdy układ wraa do stanu ustalongo. Do tgo typu badań stosuj się substanj wskaźnikow, któryh stężni moż być w łatwy sposób monitorowan (pomiar absorbanji, przwodnośi, radioaktywnośi). Substanj t wprowadza się do struminia ragntów na wjśiu do raktora i rjstruj zmiany na wyjśiu. Do opisu sygnału skokowgo stosuj się funkję F(, zaś do opisu sygnału impulsowgo funkją E(Ө). Dla układów yh mają zastosowani następują równania: a) raktor rurowy z przpływm tłokowym:. mtoda skokowa F( O B. mtoda impulsowa E( ) O dla t 1 dlat dlat dla t (8) (9) 2

3 b) raktor zbiornikowy z ym wymiszanim:. mtoda skokowa F ( F( ) (1) O F F ( ) 1 xp (11) ( B. mtoda impulsowa E ) E( xp (12) E ( O ( ) E ( xp ida ln (13) Na rysunkah przdstawiono funkj na wjśiu i odpowidzi układu na wyjśiu dla raktora rurowgo (a) oraz zbiornikowgo (b) dla mtody skokowj () i impulsowj (B): 3

4 CZĘŚĆ EKSPERYMENTLN 1. MTERIŁY - 2 raktory rurow o różnj gomtrii - raktor zbiornikowy - pompy prystaltyzn - spktrofotomtr - zrń riohromowa (znaznik) 2. METODYK UWG!!! Każda z podgrup wykonuj 3 prosy: 1 raktor rurowy długi mtoda impulsowa; 2 raktor rurowy krótki mtoda impulsowa; 3 raktor miszalnikowy mtoda skokowa Raktor rurowy mtoda impulsowa 1. Ustawini pompy między 1, a 15 obr/min. 2. Upwnić się, ż wąż doprowadzająy do raktora umiszzony jst w pojmniku z zystą wodą. Natomiast wąż odprowadzająy (żółty pod stołm) przłożyć do pojmnika na zlwki!!! 3. Uruhomić pompę i napłnić raktor wodą. 4. Okrślić objętośiowy strumiń przpływu izy przz raktor na wyjśiu z raktora przy użyiu stopra i ylindra w o najmnij 2-krotnym powtórzniu. 5. Nabrać ok. 5 ml znaznika (,5% wodny roztwór zrni riohromowj) do strzykawki i założyć na nią końówkę wężyka do wstrzykiwania. 6. Zatrzymać pompę. 7. Zdjąć zaisk z wężyka i POWOLI!!! wstrzyknąć znaznik tak, aby ni doprowadzić do jgo wzburznia. 8. Następni ni zaiskać wężyka i ni zdjmować strzykawki. 9. Natyhmiast po wprowadzniu znaznika do raktora włązyć pompę i uruhomić stopr (CZS STRT). 1. W momni, gdy zabarwiony znaznikim roztwór zbliży się do wyjśia raktora, pobrać pirwszą próbkę i zapisać rzzywisty zas pobrania próbki wdług stopra. 11. Koljn próbki pobirać o 1 min. Potm (od ok. 8-1 próbki) rzadzij np. zas pobrania koljnyh próbk [min]:, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 15, 2, 25, 3, 12. W wszystkih próbkah zmirzyć absorbanję przy λ = 58 nm względm zystj wody jako odnośnika. 4

5 13. Po pobraniu ostatnij próbki do założonj strzykawki do płna naiągnąć roztworu (zysta woda). 14. Następni zatrzymać pompę. 15. Zaisnąć wężyk, zdjąć strzykawkę i dokładni ją umyć. 16. Na podstawi wymiarów gomtryznyh raktora oblizyć jgo objętość robozą Raktor zbiornikowy mtoda skokowa 1. Ustawini pompy < 1 obr./min. 2. Upwnić się, ż wąż doprowadzająy do raktora umiszzony jst w pojmniku z zystą wodą. 3. Natomiast wąż odprowadzająy (żółty pod stołm) przłożyć do pojmnika na zlwki!!! 4. Uruhomić pompę i napłnić raktor wodą. 5. Okrślić objętośiowy strumiń przpływu izy przz raktor na wyjśiu z raktora przy użyiu stopra i ylindra w o najmnij 2-krotnym powtórzniu. 6. Przygotować zbiornik (5 litrowy) z roztworm znaznika o znanym stężniu. 7. Przd rozpozęim prosu pobrać próbkę znaznika i zmirzyć absorbanję ( MKSYMLN ) przy λ = 58 nm. 8. Zatrzymać pompę. 9. Przłożyć wąż doprowadzająy do zbiornika z znaznikim!!! 1. Uruhomić pompę i równozśni włązyć stopr (CZS STRT) oraz pobrać pirwszą próbkę. 11. Następni próbki pobirać do momntu uzyskania stanu ustalongo w raktorz, zyli do hwili gdy wartośi absorbanji próbk pobiranyh z wylotu z raktora przstaną się zminiać. 12. W zalżnośi od ustalongo struminia przpływu próbki pobirać o 1 lub 2 min. Potm (od ok próbki) rzadzij np. o 5 min. 13. W wszystkih próbkah zmirzyć absorbanję przy λ = 58 nm względm zystj wody jako odnośnika. 14. Po pobraniu ostatnij próbki zatrzymać pompę. 15. Przłożyć wąż doprowadzająy do pojmnika z zystą wodą!!! 16. Na podstawi wymiarów gomtryznyh raktora oblizyć jgo objętość robozą. 17. Następny zspół moż zaząć od punktu 9, traktują wodę jako znaznik i założyć bsorbanję do oblizń = [ MKSYMLN MIERZON ]. Po zakońzniu pomiarów uporządkować stanowisko pray, umyć szkło laboratoryjn, opróżnić wszystki pojmniki, powyirać blaty. 5

6 3. OPRCOWNIE WYNIKÓW 3.1. Raktory rurow mtoda impulsowa 1. Znają objętość robozą raktora (V REKTOR ) oraz objętośiowy strumiń przpływu ( V ) oblizyć zas przbywania ząstk znaznika w warunkah yh (τ ). 2. Wykrślić zalżność bs(58) = f( i wyznazyć zas dla którgo stężni znaznika osiąga wartość maksymalną w przypadku rzzywistym (t max ). 3. Na podstawi uzyskanyh wyników (mtodą grafizną) oblizyć śrdni (rzzywisty) zas przbywania ząstzk znaznika w raktorz: SR t t t ( dt ( dt, gdzi (dt pol oblizon pod wykrsm bs58 = f( 4. Porównać i skomntować wyznazon wartośi go i śrdnigo zasu przbywania z t max. 5. Dla wszystkih uzyskanyh próbk wyznazyć θ względny zas przbywania oraz funkję E(θ) (podpowidź - patrz wprowadzni do instrukji mtoda impulsowa dla raktora rurowgo). 6. Na jdnym wykrsi przdstawić rzzywisty przbig funkji rozkładu zasu przbywania E(θ) = f(θ) (punkty) oraz funkję dla warunków yh (linia iągła), a następni wyniki uzyskan ksprymntalni porównać z warunkami ymi. 7. nalogizn obliznia wykonać dla drugigo raktora rurowgo. 8. Na koni porównać wyniki uzyskan dla obu raktorów rurowyh. Skomntować zastosowaną mtodę wyznazania rozkładu zasu przbywania ząstk znaznika w raktorz (dokładność, odhylni od warunków yh). Zaznazyć zy gomtria raktora ma wpływ na przbig doświadznia, a jśli tak to napisać jaki Raktor miszalnikowy mtoda skokowa 1. Znają objętość robozą raktora (V REKTOR ) oraz objętośiowy strumiń przpływu ( V ) wyznazyć zas przbywania ząstk znaznika w warunkah yh (τ ). 2. Na podstawi uzyskanyh wyników ksprymntalnyh wyznazyć śrdni (rzzywisty) zas przbywania ząstzk znaznika w raktorz: SR C t E( dt (1 F( )) d t df( t (1 F( ) t (1 ) t (1 C bs bs ) gdzi Δt t n -t (n-1) ; bs absorbanja hwilowa; bs pozątkowa absorbanja znaznika 3. Porównać i skomntować wyznazon wartośi go i śrdnigo zasu przbywania. 6

7 4. Dla wszystkih uzyskanyh próbk wyznazyć θ względny zas przbywania, funkję F(θ) oraz F (θ) (podpowidź - patrz wprowadzni do instrukji mtoda skokowa dla raktora miszalnikowgo). 5. Na jdnym wykrsi przdstawić przbig funkji rozkładu zasu przbywania F(θ) = f(θ) (punkty) oraz F (θ) = f(θ) (linia iągła), a następni wyniki uzyskan ksprymntalni porównać z warunkami ymi. 6. Skomntować zastosowaną mtodę wyznazania rozkładu zasu przbywania ząstk znaznika w raktorz (dokładność, odhylni od warunków yh). LITERTUR: 1. Szarawara J., Skrzypk J. Podstawy inżynirii raktorów hmiznyh, Wydawnitwo Naukowo-Thnizn, W-wa 198, Rozdział XIII; 2. Wszystki inn dostępn podręzniki zawirają informaj na tmat rozkładu zasu przbywania. KRTKÓWK Do kartkówki obowiązuj znajomość instrukji wykonania doświadznia oraz nizbędnyh oblizń, jak równiż matriał tortyzny przdstawiony w wprowadzniu do instrukji. 7