Ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά τριφασικών σπειροειδών αντιδραστήρων

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των ρευστοδυναμικών χαρακτηριστικών σπειροειδών αντιδραστήρων σε τριφασική λειτουργία των οποίων τα καταλυτικά σωματίδια είναι τοποθετημένα σε σειρά και στη συνέχεια η ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου για την επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων. Σχεδιάστηκαν πειράματα βηματικής επιβολής στη συγκέντρωση της υγρής φάσης με στόχο την εύρεση της κατανομής του χρόνου παραμονής των στοιχείων του ρευστού. Έγιναν πειράματα σε δυο κυκλικής διατομής αντιδραστήρες ίδιου μήκους, 4m, αλλά διαφορετικής διαμέτρου οι οποίοι είναι πληρωμένοι με σφαιρικά γυάλινα σωματίδια. Ο πρώτος έχει εσωτερική διάμετρο 2.5 mm ενώ ο δεύτερος 4 mm. Όλα τα πειράματα έγιναν σε συνθήκες κατωρροής (downflow) και δόθηκε έμφαση ώστε η ανάμειξη των ρευμάτων αερίου και υγρού να γίνονται ακριβώς στην είσοδο του αντιδραστήρα. Τα πειράματα και για τους δυο αντιδραστήρες έγιναν για παροχές υγρής φάσης στη περιοχή 4 g/h – 32 g/h και για παροχές αέριας φάσης 20 ml/h – 800 ml/h. Η επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων έγινε με την ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου σε γλώσσα FORTRAN το οποίο προσομοίωσε τη λειτουργία του αντιδραστήρα και υπολόγισε με βάση το πρότυπο της αξονικής διασποράς τον αριθμό Peclet, το υγρό παρακράτημα και την πραγματική ταχύτητα της υγρής φάσης. Από την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων προέκυψε ότι και οι δυο αντιδραστήρες λειτουργούν σε συνθήκες εμβολικής ροής με μόνη εξαίρεση τον αντιδραστήρα με τη μεγαλύτερη διάμετρο στον οποίο για τη μικρότερη παροχή υγρού (4.3g/h) παρατηρήθηκαν τιμές μικρότερες του εκατό και με τον αντιδραστήρα με τη μικρότερη διάμετρο να παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερες τιμές Pe σε σχέση με αυτόν με τη μεγαλύτερη διάμετρο. Το υγρό παρακράτημα (Holdup) και στους δυο αντιδραστήρες παρατηρήθηκε πως δε μεταβάλλεται αισθητά με την αλλαγή του λόγω των παροχών αλλά μόνο με την παροχή του υγρού και διαπιστώθηκε πως διαφέρει το πολύ κατά 0.1 στους δυο αντιδραστήρες με μεγαλύτερο εκείνου με τη μεγαλύτερη διάμετρο. Για τις πραγματικές ταχύτητες διαπιστώθηκε πως αυξάνονται όσο μεγαλώνει η παροχή του υγρού και οι τιμές τους είναι μικρότερες στον αντιδραστήρα με τη μεγαλύτερη διάμετρο. Τέλος για την πτώση πίεσης παρατηρήθηκε ότι αυξάνεται έντονα με τη μείωση της διαμέτρου του αντιδραστήρα.

The purpose of this thesis is to study the fluid dynamic characteristics of spiral reactors in three phase operation with catalytic particles arranged in series (string) and then to develop a mathematical model for the treatment of the experimental data. Step stimulus experiments were carried out using as tracer the concentration of liquid phase in order to find the residence time distribution of the tracer. Experiments were conducted in two reactors of circular diameter with the same length (4m) and different internal diameter each one filled with spherical glass particles. The first has an internal diameter of 2.5 mm while the second of 4 mm. All experiments were carried out in downflow conditions and emphasized so the mixing of liquid and gas streams to be right at the entrance of the reactor. The volumetric flow for both reactors, were for liquid phase 4 g/h - 32 g/h and for gas phase 20 ml/h - 800 ml/h. The treatment of the experimental data made with the development of mathematical model in FORTRAN language which simulated the operation of both reactors and based on the well-known model of axial dispersion. Three parameters were calculated, namely Peclet number, liquid holdup and real velocity in the liquid phase. The analysis of the experimental data showed that both reactors operated at plug flow with one sole exception that of the reactor with the larger diameter in which for the smallest liquid flow (4.3 g/h) values less than 100 observed. The reactor with the smaller diameter showed much higher values of Pe number compared to the greater diameter reactor. Holdup in both reactors was observed to vary considerably with different volumetric fluid flows, but not with changes of the ratio of gas to liquid superficial velocities. The greatest difference observed for both reactors was 0.1. The real velocity was found to increase with increasing the volumetric flow of liquid and each value is lower in the reactor with the larger diameter in all experimental conditions. Finally the pressure drop was found to increase strongly by reducing the diameter of the spiral reactor.