Laborpraktikum Grundlagen der Umwelttechnik II

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1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Maschinenbau und Energietechnik Versuchstag: Brennstoff- und Umweltlabor Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. J. Schenk Dipl.- Chem. Dorn Namen: Seminargruppe: Protokollant: Laborpraktikum Grundlagen der Umwelttechnik II Versuch: Verweilzeituntersuchungen (VZ) Zielstellung: Bestimmung der Verweilzeitspektren in einem kontinuierlichen Rührkessel und einer zweistufigen Rührkesselkaskade - Experimentelle Ermittlung der Verweilzeitspektren - Berechnung der Verweilzeitspektren - Diskussion eventueller Abweichungen Stand /14 1

2 Umweltverfahrenstechnik-Praktikum Versuch: Verweilzeituntersuchungen Bestimmung der Verweilzeitspektren in einem kontinuierlichen Rührkessel und einer zweistufigen Rührkesselkaskade 1. Aufgabenstellung Unter Verwendung der Impulsmethode sind die Verweilzeitspektren in einem kontinuierlichen Rührkessel und einer zweistufigen Rührkesselkaskade experimentell zu bestimmen. Die experimentell ermittelten Ergebnisse sind mit berechneten Werten zu vergleichen und die bestehenden Abweichungen zu diskutieren.. Theoretische Grundlagen Verweilzeituntersuchungen sind eine gebräuchliche Methode um das strömungstechnische Verhalten von Reaktoren und entsprechende Abweichungen vom idealen Verhalten beurteilen zu können. Dabei werden meist die Impuls- oder die Verdrängungsmethode angewendet. Je nach Art der spezifischen Besonderheiten der Reaktion finden als Tracer Farbstoffe, Elektolytlösungen oder radioaktive Substanzen Anwendung. Die Austrittswahrscheinlichkeit E( ) ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fluidelement, welches zum Zeitpunkt = in den Reaktor eintritt, zur Zeit t am Reaktoraustritt erscheint. Diese Wahrscheinlichkeit kann in Abhängigkeit der relativen Verweilzeit aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf der Tracerkonzentrationen am Austritt des kontinuierlichen Rührkessels bzw. der zweistufigen Kaskade, wie folgt, berechnet werden: ct E( ) (1) c wobei die dimensionslose relative Verweilzeit aus der Beziehung t () t resultiert. Für die theoretische Funktion der Austrittswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der relativen Verweilzeit E( ) eines strömungstechnisch idealen Rührreaktors gilt T, bzw. für Rührkesselkaskaden E ) ( e (3) R R R R E 1 ( ) e (4) ( R 1)! Dabei ist die relative Verweilzeit im Rührkessel bzw. in der gesamten Rührkesselkaskade.

3 Die theoretischen Grundlagen zur Problematik der Verweilzeituntersuchungen sind in der Literatur ausführlich beschrieben [1], [], [3]. 3. Versuchsdurchführung Die Versuchsapparatur besteht im Wesentlichen aus einer Reihenschaltung von zwei strömungstechnisch idealen kontinuierlichen Rührkesselreaktoren. Die Reaktionsvolumina der Rührkessel betragen V R, 1 =1556 ml und V R, = 155 ml. Die Inbetriebnahme der Kaskade erfolgt durch das Öffnen des Wasserhahnes und die Einstellung eines Volumenstromes von l/h am Ventil des Durchflussmessgerätes. Die Anzeige des Messgerätes ist in ml/min! Auf Grund des schwankenden Wasserdrucks muss der Volumenstrom während des Versuches ständig nachreguliert werden. Zur Herstellung des Tracers ist es zunächst erforderlich, g Natriumchlorid abzuwiegen und in etwa 8 ml Wasser vollständig zu lösen. Abschließend wird die Tracerlösung mit Wasser aufgefüllt, so dass ein Gesamtvolumen von 1 ml erreicht wird. Im weiteren Verlauf des Versuches werden die Rühraggregate eingeschaltet. Dabei muss die Rührerdrehzahl so bemessen sein, dass ein merklicher Lufteintrag verhindert wird. Vor dem eigentlichen Versuchsbeginn erfolgt die Messung der Leitfähigkeit des durch die Reaktoren strömenden Wassers. Die Messung des Verweilzeitspektrums beginnt mit der impulsartigen Zugabe von 15 ml der Tracerlösung mittels einer Messpipette in der Nähe des Eintrittsstutzens des ersten Reaktors (t = ). Danach wird die Leitfähigkeit in den Reaktoren jeweils im Abstand von einer Minute gemessen. Zur optischen Beobachtung des Verweilzeitspektrums in den zwei Rührreaktoren wird mit der Kochsalzlösung gleichzeitig ein Farbstoff in den ersten Reaktor mittels einer zusätzlichen Pipette impulsartig eingespritzt. Die Messungen werden beendet, wenn in den beiden Reaktoren keine signifikante Färbung des Wassers mehr zu erkennen ist bzw. die Leitfähigkeitsmesswerte annähernd die gemessenen Ausgangswerte des Wassers erreicht haben. 4. Versuchsauswertung a) Die Dichtefunktionen E( ) sind für den Einzelreaktor und die zweistufige Kaskade auf der Grundlage der gemessenen Leitfähigkeitsmesswerte zu berechnen und grafisch in einem Diagramm darzustellen. Dabei besteht folgende Eichbeziehung zwischen der Leitfähigkeit und der Massenkonzentration des Natriumchlorids c NaCl : 1,83. cnacl, 161 cnacl (5) b) Die theoretischen Dichtefunktionen E( ) des strömungstechnisch idealen Rührreaktors und der zweistufigen Rührreaktorkaskade sind zu berechnen und in zwei gesonderten Diagrammen zusammen mit den experimentell bestimmten Werten grafisch darzustellen. Die bestehenden Abweichungen sind zu diskutieren. 3

4 5. Kontrollfragen 1. Nennen Sie die wichtigsten Zielstellungen für experimentelle Untersuchungen des strömungstechnischen Verhaltens von Reaktoren unter Verwendung von Markierungssubstanzen (Tracern)?. Beschreiben Sie das Grundprinzip der Verweilzeituntersuchungen! 3. Welche Anforderungen bestehen an die Markierungssubstanzen? 4. Warum wird bei den Verweilzeituntersuchungen die Impulsmethode bevorzugt angewendet? 5. Wie lautet die Definitionsgleichung der Austrittswahrscheinlichkeit E( ) und der relativen Verweilzeit? 6. Skizzieren Sie den qualitativen Verlauf der Antwortfunktionen eines kontinuierlichen Rührkessels, einer Reihenschaltung aus zwei kontinuierlichen Rührkesseln und eines Rohrreaktors jeweils unter strömungstechnisch idealen Bedingungen! 7. Wie lautet die Gleichung zur Berechnung der Abhängigkeit der Austrittswahrscheinlichkeit E von der relativen Verweilzeit bei einem idealen kontinuierlichen Rührkesselreaktor? 6. Symbolverzeichnis Symbol Maßeinheit Bezeichnung c 1 NaCl g l Massenkonzentration des Natriumchlorids 1 ct, g l Massenkonzentration des Tracers zum Zeitpunkt t= R Anzahl der Reaktoren V R ml Reaktionsvolumen der Rührkesselreaktoren 1 ms cm elektrische Leitfähigkeit der Messsubstanz 1 ms cm elektrische Leitfähigkeit des Leitungswassers Literatur [1] Schenk, J. Vorlesungen zum Modul Prozess- und Anlagentechnik Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig [] Reaktionstechnik I Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie [3] Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden, Band 5 Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 4

5 Verweilzeituntersuchung Datum: Temperatur: Ausgangsleitfähigkeit in µs/cm: Praktikumsgruppe: Zeit in [min] Leitfähigkeit Kessel 1 in [µs/cm] Leitfähigkeit Kessel in [µs/cm] Durchflussmenge in [ml/min] 5