Inżynieria bioreaktorów - Rozkład zasu przybywania w reaktorah (218/219) CEL Wyznazenie rzezywistego rozkładu zasu przebywania w reaktorze mieszalnikowym metodą skokową i w dwóh reaktorah rurowyh metodą impulsową oraz porównanie uzyskanyh wyników z modelem idealnym. WPROWDZENIE Czas przebywania składników w przestrzeni zynnej danego reaktora jest ważnym parametrem harakteryzująym proes tehnologizny. Tylko w przypadku idealnego reaktora okresowego wszystkie składniki mają identyzny, stały 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 wymieszaniem 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 wymieszania 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 wymieszania, 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
Funkja F(, nazywana funkją rozkładu bądź dystrybuantą zasu przebywania, podaje udział molowy ząstezek o zasie przebywania od do t w strumieniu opuszzająym reaktor dla zasu 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 Czas przebywania może być także przedstawiony w postai bezwymiarowej (Ө względny zas przebywania) t (4) gdzie R R objętość roboza reaktora, Wówzas można stosować także funkje E(Ө) oraz F(Ө), przy zym - strumień objętośiowy (5) 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, polegająe na zakłóeniu ustalonego harakteru przepływu i obserwaji skutków w zasie, gdy układ wraa do stanu ustalonego. 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( ) O dlat 1 dlat dlat dlat gdzie: C bs maksymalna wartość absorbanji wyznazona dla barwnika (8) (9) 2
b) reaktor zbiornikowy z idealnym wymieszaniem:. metoda skokowa F ( F( ) (1) O F F ( ) 1 exp (11) ( B. metoda impulsowa E ) E( exp (12) ( O Eidea ) E ( exp (13) lne ( gdzie: C bs maksymalna wartość absorbanji wyznazona dla barwnika Na rysunkah przedstawiono funkje na wejśiu i odpowiedzi układu na wyjśiu dla reaktora rurowego (a) oraz zbiornikowego (b) dla metody skokowej () i impulsowej (B): 3
CZĘŚĆ EKSPERYMENTLN 1. 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 długi metoda impulsowa; 2 reaktor rurowy krótki metoda impulsowa; 3 reaktor mieszalnikowy metoda skokowa. 2.1. Reaktor rurowy metoda impulsowa 1. Ustawienie 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. 2,5 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. Następnie nie zaiskać wężyka i nie zdejmować strzykawki. 9. Natyhmiast po wprowadzeniu znaznika do reaktora włązyć pompę i uruhomić stoper (CZS STRT). 1. W momenie, gdy zabarwiony znaznikiem roztwór zbliży się do wyjśia reaktora, pobrać pierwszą próbkę i zapisać rzezywisty zas pobrania próbki według stopera. 11. Kolejne próbki pobierać o 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
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. 3. Natomiast wąż odprowadzająy (żółty pod stołem) przełożyć do pojemnika na zlewki!!! 4. Uruhomić pompę i napełnić reaktor wodą. 5. Określić objętośiowy strumień przepływu iezy przez reaktor na wyjśiu z reaktora przy użyiu stopera i ylindra w o najmniej 2-krotnym powtórzeniu. 6. Przygotować zbiornik (5 litrowy) z roztworem znaznika o znanym stężeniu. 7. Przed rozpozęiem proesu pobrać próbkę znaznika i zmierzyć absorbanję (MKSYMLN) przy λ = 58 nm. 8. Zatrzymać pompę. 9. Przełożyć wąż doprowadzająy do zbiornika ze znaznikiem!!! 1. Uruhomić pompę i równoześnie włązyć stoper (CZS STRT) oraz pobrać pierwszą próbkę. 11. Następnie próbki pobierać do momentu uzyskania stanu ustalonego w reaktorze, zyli do hwili gdy wartośi absorbanji próbek pobieranyh z wylotu z reaktora przestaną się zmieniać. 12. W zależnośi od ustalonego strumienia przepływu próbki pobierać o 1 lub 2 min. Potem (od ok. 1-12 próbki) rzadziej np. o 5 min. 13. We wszystkih próbkah zmierzyć absorbanję przy λ = 58 nm względem zystej wody jako odnośnika. 14. Po pobraniu ostatniej próbki zatrzymać pompę. 15. Przełożyć wąż doprowadzająy do pojemnika z zystą wodą!!! 16. Na podstawie wymiarów geometryznyh reaktora oblizyć jego objętość robozą. 17. 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
3. OPRCOWNIE WYNIKÓW 3.1. Reaktory rurowe metoda impulsowa 1. Znają objętość robozą reaktora (REKTOR) oraz objętośiowy strumień przepływu ( ) oblizyć zas przebywania ząstek znaznika w warunkah idealnyh (τidealne). 2. Wykreślić zależność bs(58) = f( i wyznazyć zas dla którego stężenie znaznika osiąga wartość maksymalną w przypadku rzezywistym (tmax) oraz max = dla zasu tmax 3. Na podstawie uzyskanyh wyników (metodą grafizną) oblizyć średni (rzezywisty) zas przebywania ząstezek znaznika w reaktorze: t t ( dt SR t, gdzie (dt pole oblizone pod wykresem bs58 = f( ( dt 4. Porównać i skomentować wyznazone wartośi idealnego i średniego zasu przebywania z tmax. 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. 3.2. Reaktor mieszalnikowy metoda skokowa 1. Znają objętość robozą reaktora (REKTOR) oraz objętośiowy strumień przepływu ( wyznazyć zas przebywania ząstek znaznika w warunkah idealnyh (τidealne). 2. Na podstawie uzyskanyh wyników eksperymentalnyh wyznazyć średni (rzezywisty) zas przebywania ząstezek znaznika w reaktorze: ) SR C t E( dt (1 F( )) d t df( t (1 F( ) t (1 ) t (1 C bs bs ) gdzie Δt tn-t(n-1); bs absorbanja hwilowa; bs pozątkowa absorbanja znaznika (maksymalna wartość absorbanji wyznazona dla barwnika w trakie eksperymentu) 3. Porównać i skomentować wyznazone wartośi idealnego i średniego zasu przebywania. 6
4. Dla wszystkih uzyskanyh próbek wyznazyć θ względny zas przebywania, funkję F(θ) oraz Fidealne(θ) (podpowiedź - patrz wprowadzenie do instrukji metoda skokowa dla reaktora mieszalnikowego). 5. Na jednym wykresie przedstawić przebieg funkji rozkładu zasu przebywania F(θ) = f(θ) (punkty) oraz Fidealne(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 zawierająe informaje na temat rozkładu zasu przebywania. KRTKÓWK Do kartkówki obowiązuje znajomość instrukji wykonania doświadzenia oraz niezbędnyh oblizeń, jak również materiał teoretyzny przedstawiony we wprowadzeniu do instrukji. 7