Reactor cu flux de tip Plug: Funcționare, Derivare, Caracteristici și Aplicațiile sale

Fluxul de blocare este o caracteristică semnificativă a acestor reactoare, astfel încât oricare două molecule pot fi introduse în reactor în mai puțin timp și pot ieși în același timp. Închideți fluxul reactor asigură un control eficient al timpului de reacție atunci când optimizează diviziunea reactanților, precum și a produselor. Așadar, un flux bun de buji este necesar pentru o performanță bună în reactoare. Așadar, reactoarele care utilizează chimie cu debit în bloc sunt denumite în mod normal reactoare cu flux bloc sau reactoare PFR. Reactorul Plug Flow sau PFR este un al treilea reactor de tip general în care nutrienții sunt introduși continuu în reactor și se deplasează în reactor ca un „dop”. Acest articol discută o prezentare generală a unui reactor de curgere cu dop , funcționarea și aplicațiile sale.

Ce este un reactor Plug Flow?

Reactorul de curgere cu dop sau reactorul cu flux cu piston este un reactor cu flux idealizat de tip dreptunghiular care utilizează un flux continuu de fluid pentru prelucrarea materialelor într-un tub. Acest reactor este folosit pentru a descrie reacții chimice într-o țeavă cilindrice astfel încât toate combinațiile de reacții chimice să fie furnizate la o viteză similară de-a lungul direcției de curgere, astfel; nu există integrare sau backflow.

Acest reactor include o conductă cilindrică cu deschideri la fiecare capăt pentru reactanți, precum și produse prin care se alimentează reactanții. Pentru menținerea unei reacții uniforme în acest reactor, în reactor este furnizată apă la o temperatură fixă. Fluxul obturator este produs în acest reactor prin introducerea continuu a materialului de la un capăt la celălalt capăt, se îndepărtează continuu materialele. Materialele produse frecvent în PFR, sunt; petrochimice, polimeri, produse farmaceutice, etc. Aceste reactoare au o gamă largă de aplicații în sisteme în fază lichidă sau gazoasă.

Reactorul cu flux de tip plug oferă un control remarcabil al timpului de rezidență, precum și condițiile de reacție. Așadar, ele oferă niveluri ridicate de conversie și sunt compatibile cu reacțiile prin eliberare de căldură (sau) sensibilitate ridicată la concentrațiile de reactant. Cu toate acestea, au unele limitări fără amestecare radială și pur și simplu amestecare axială.

Caracteristici cheie

Caracteristicile cheie ale unui reactor cu debit de tip plug includ următoarele.

Flux unidirecțional

În PFR, reactanții, precum și produsele se deplasează într-o singură direcție de-a lungul lungimii reactorului fără amestecare inversă.

Gradient de concentrație

Concentrația reactanților și produsele din acest reactor se modifică odată cu lungimea reactorului, deși este consecventă în orice secțiune verticală față de flux.

Timp de rezidență

Timpul de rezidență un volum separat de reactant care este cheltuit în PFR se numește timp de rezidență și este stabil pentru toate volumele.

Principiul de funcționare al reactorului cu flux de dop

Reactorul cu flux plug funcționează prin oxidarea alcoolilor și a altor compuși organici pentru a produce substanțe chimice fine cum ar fi; pigmenți și coloranți. Fluidele din acest reactor se deplasează într-o manieră continuă și uniformă prin conductă sau tub. Reactanții intră la un capăt al reactorului pentru a curge în tot reactorul și există la celălalt capăt.

Natura debitului de blocare în acest reactor asigură că reactanții chimici sunt expuși la condiții similare prin PFR și că fiecare timp de rezidență al reactantului este același. Așadar, un reactor cu debit de tip plug este o alegere remarcabilă pentru reacțiile principale care necesită controlul exact al timpului rezident, al temperaturii și presiunii.

Diagrama reactorului de curgere a bujului

Proiectarea unui reactor cu flux de tip plug poate fi realizată cu un tip de capilar care este un tub mic (sau) un canal fixat într-o placă. Acesta este un set de reactor continuu cu o intrare de reactanți și o ieșire a conținutului reactorului, care sunt efectuate continuu pe toată durata funcționării reactorului.

Un reactor cu flux de tip plug (PFR) nu are un agitator care are o formă cilindrică care să permită fluidului să se dezvolte cu o cantitate minimă de amestecare inversă, ca urmare, toate particulele de fluid care intră în reactor au un timp de rezidență similar. . Acest reactor poate fi considerat cu siguranță o serie de felii subțiri de fluid, cuprinzând un reactor discontinuu, complet agitat în felie pentru a se deplasa înainte în interiorul reactorului ca un piston.

Ecuația pentru bilanțul general de masă poate fi exprimată astfel pentru una dintre feliile de fluid din reactor:

Intrare = Ieșire + Consum + Acumulare

Unitățile fiecărei componente ale expresiei de mai sus sunt o viteză de rulare a materialului, cum ar fi mol/sec.

Derivarea ecuației reactorului de curgere a blocului

Reactorul Plug-flow este un reactor idealizat în care toate particulele dintr-o anumită secțiune au aceeași viteză și direcție de mișcare. Într-un reactor de curgere cu dop (PFR) nu există retur sau amestecare, astfel debitul unui fluid ca un dop de la intrarea la ieșire este prezentat în figura de mai jos.

Acest reactor este creat în funcție de echilibrul masei, precum și de echilibrul termic într-o cantitate diferențială de fluid. Dacă ne imaginăm că procedura este izotermă, atunci se ia în considerare doar echilibrul de masă.

Dacă ne imaginăm în condiții de echilibru, concentrațiile de reactanți nu variază în cele din urmă. Este o metodă tipică de operare a PFR. Ecuația matematică pentru PFR poate fi scrisă simplu ca;

udCi/dx = sursa

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Unde „Ci” este reactantul, „i” este concentrația, „u” este viteza fluidului, „νi” este coeficientul stoechiometric, „r” este viteza de reacție și „x” este poziția în interiorul reactorului. „Caf” este concentrația de reactant A la intrarea în reactor și „L” este lungimea reactorului. Viteza fluidului „u” este măsurată în funcție de debitul volumetric Fv (m3/s) și de regiunea secțiunii transversale a reactorului S (m^2):

u=Fv/S

Într-un PFR ideal, toate particulele lichide au fost în reactor exact aceeași cantitate de timp care se numește rezidență medie, măsurată ca;

T =L/u

Datele privind timpul de rezidență sunt utilizate în mod normal în ingineria reactorului chimic pentru a face predicții privind schimbările și concentrațiile de ieșire.

Reacție ireversibilă de ordinul întâi

Să considerăm o reacție simplă de descompunere:

A–>B

Ori de câte ori reacția este ireversibilă și de prim ordin, avem:

udCa/dx = -kCa

Unde „k” este o constantă cinetică. În general, constanta cinetică depinde în principal de temperatură. În general, o ecuație Arrhenius poate fi folosită pentru a descrie această relație. Aici, presupunem condiții izoterme, așa că nu vom folosi această dependență.

Modelul reacțiilor ireversibile de ordinul întâi poate fi rezolvat logic. Deci soluția urmează ca;

Ca = Caexp(-x*k/u)

Reacție ireversibilă de ordinul doi

Exemplul de reacție ireversibilă de ordinul doi ne permite să folosim cel de mai jos:

2A –> B

Odată ce reacția este ireversibilă și de ordinul doi, avem:

udCa/dx = -2k*(Ca)^2

Caracteristicile reactorului cu debit de tip plug

Caracteristicile unui reactor cu flux de tip plug includ următoarele.

• Reactanții dintr-un reactor cu curgere în bloc curg în tot reactorul într-un flux continuu, cu amestecare mică sau deloc.
• Reacția în PFR are loc atunci când reactanții se mișcă cu lungimea reactorului.
• Concentrația reactanților se modifică odată cu lungimea reactorului, iar viteza de reacție este în general mai mare la intrare.
• Aceste reactoare sunt utilizate frecvent pentru reacții acolo unde este necesară o cantitate mare de schimbare și acolo unde viteza de reacție nu răspunde la modificările de absorbție.
• Timpul de rezidență în PFR este în mod normal scurt.
• Biofilmul se formează aproape de interfața aer-lichid simulând medii precum cavitatea bucală, suprafețele de rocă umedă și perdelele de duș.
• Acest tip de reactor generează un biofilm consistent la forfecare scăzută care poate fi utilizat ca reactorul cu cupon de sticlă static pentru a verifica eficacitatea microbicidului.
• Biofilmul acestui reactor este analizat cu ușurință prin diferite metode, cum ar fi numărarea plăcilor viabile, determinarea grosimii și microscopia cu lumină.
• Reactanții din PFR sunt consumați continuu deoarece curg pe lungimea reactorului.
  Un PFR tipic ar putea fi un tub împachetat printr-un material solid.

Avantaje și dezavantaje

The Avantajele reactorului cu debit în bujie includ următoarele.

• Avantajul PFR față de CSTR este că acest reactor are un volum scăzut pentru un nivel spațiu-timp și conversie similar.
• Reactorul are nevoie de mai puțin spațiu și cantitatea de conversie este mare în PFR în comparație cu CSTR pentru un volum similar de reactor.
• Acest reactor este folosit frecvent pentru a decide procesul cinetică catalitică în fază gazoasă.
• Aceste reactoare sunt foarte eficiente în manipularea reacțiilor și pentru un grup mare de reacții „tipice” efect în rate de conversie mai mari pentru fiecare volum de reactor în comparație cu CSTR (Reactoare cu rezervor agitat continuu)
• Reactoarele sunt foarte potrivite pentru reacții rapide
• Transferul de căldură în PFR poate fi gestionat destul de mai bine în comparație cu reactoarele cu rezervor, ceea ce duce la o potrivire excelentă pentru sistemele extrem de exoterme
• Datorită caracterului de curgere a dopului și a nu are amestecare inversă, există un timp de rezidență constant pentru toți reactanții, ceea ce duce la o calitate fiabilă a produsului, în special acolo unde timpii de rezidență uriași duc la formarea de contaminare și carbonizare și multe altele.
• Întreținerea reactorului de curgere a blocului este ușoară deoarece nu există elemente în mișcare.
• Acestea sunt simple din punct de vedere mecanic.
• Rata sa de conversie este mare pentru fiecare volum de reactor.
• Calitatea produsului nu s-a schimbat.
• Excelent pentru a studia reacțiile rapide.
• Volumul reactorului este utilizat foarte eficient.
• Excelent pentru procese de mare capacitate.
• Mai puține căderi de presiune.
• Nu există mixare inversă
• Scalabilitate directă
• Controlul eficient al timpului de rezidență, controlul temperaturii, amestecarea eficientă, variația de la lot la lot este limitată etc.

The dezavantajele reactorului de curgere cu dop includ următoarele.

• Într-un PFR, performanța răspunsului exotermic este greu de controlat datorită gamei largi de profile de temperatură.
• Pentru un PFR, cheltuielile de întreținere și operaționale sunt costisitoare în comparație cu CST.
• Controlul temperaturii este dificil pentru un reactor.
• Punctele fierbinți apar în reactor ori de câte ori sunt utilizate pentru reacții exoterme.
• Este greu de controlat din cauza variațiilor de compoziție și temperatură.
• PFR-urile sunt costisitoare de proiectat și întreținut datorită designului și asamblarii lor complexe.
• PFR-urile sunt proiectate în mod obișnuit pentru reacții precise și este posibil să nu poată face față schimbărilor în materie de alimentare sau condiții de reacție.
• Acestea sunt greu de întreținut și de curățat din cauza designului lor îngust și lung.
• Reactanții din PFR pot curge neuniform, ceea ce duce la puncte fierbinți sau reacții incomplete.
• Este foarte important să rețineți că reactoarele cu debit nu se potrivesc în toate aplicațiile. Deci, trebuie să analizăm cu atenție timpul de rezidență, cinetica, problemele de selectivitate etc. pentru a decide ce tip de reactor este potrivit pentru o aplicație.

Aplicații

Aplicațiile reactoarelor cu flux plug includ următoarele.

• PFR-urile sunt utilizate în mod obișnuit în producția de îngrășăminte, produse chimice pe scară largă, petrochimice și farmaceutice.
• Aceste reactoare sunt utilizate în procesele de polimerizare, cum ar fi producția de polipropilenă și polietilenă.
• Reactoarele cu flux plug sunt potrivite pentru sistemele de reacție lichid-solid și gaz-solid.
• Acestea sunt potrivite pentru reacții eterogene sau omogene, cum ar fi; hidrogenarea uleiului și grăsimilor.
• PFR-urile sunt utilizate pentru oxidarea alcoolilor și a altor compuși organici și pentru a genera substanțe chimice fine, cum ar fi pigmenți și coloranți.

Astfel, aceasta este o privire de ansamblu asupra reactorului de curgere în bujie , funcționare, avantaje, dezavantaje și aplicații. Proiectarea și selectarea unui reactor cu flux bun este încă o artă, iar anii de cunoștințe vă fac să vă îmbunătățiți în efectuarea selecțiilor. Uneori, un reactor cu flux de tip plug este cunoscut și sub numele de CTR (reactor tubular continuu). Într-o formă idealizată, forma combinației de reacție poate fi măsurată pentru a fi formată din niște dopuri și fiecare dop are o concentrație uniformă. Acest PFR are presupunerea că nu există amestecare axială, astfel încât nu există amestecare inversă în reactor. Iată o întrebare pentru tine, ce este un reactor?