Reaktor z przepływem tłokowym: działanie, wyprowadzenie, charakterystyka i jego zastosowania

Przepływ tłokowy jest istotną cechą tych reaktorów, dzięki czemu dowolne dwie cząsteczki można wprowadzić do reaktora w krótszym czasie i wyjść w tym samym czasie. Przepływ tłokowy reaktor zapewnia efektywne kontrolowanie czasu reakcji przy optymalizacji podziału reagentów i produktów. Zatem dobry przepływ tłokowy jest niezbędny dla dobrej wydajności reaktorów. Zatem reaktory wykorzystujące chemię przepływu tłokowego są zwykle nazywane reaktorami z przepływem tłokowym lub reaktorami PFR. Reaktor z przepływem tłokowym, w skrócie PFR, to trzeci reaktor ogólnego typu, w którym składniki odżywcze są wprowadzane do reaktora w sposób ciągły i przemieszczają się po reaktorze w formie „korka”. W tym artykule omówiono przegląd a reaktor z przepływem tłokowym , jego działanie i zastosowania.

Co to jest reaktor z przepływem tłokowym?

Reaktor z przepływem tłokowym lub reaktor z przepływem tłokowym to reaktor z wyidealizowanym przepływem typu prostokątnego, który wykorzystuje ciągły przepływ płynu do przetwarzania materiałów w rurze. Reaktor ten służy do zobrazowania reakcji chemicznych zachodzących w cylindrycznej rurze, tak że wszystkie kombinacje reakcji chemicznych będą dostarczane z podobną prędkością wzdłuż kierunku przepływu, a zatem; nie ma integracji ani przepływu wstecznego.

Reaktor ten zawiera cylindryczną rurę z otworami na każdym końcu dla reagentów, jak również produktów, przez które dostarczane są reagenty. W celu utrzymania jednolitej reakcji w tym reaktorze do reaktora doprowadzana jest woda o ustalonej temperaturze. Przepływ tłokowy wytwarza się w tym reaktorze poprzez ciągłe wprowadzanie materiału z jednego końca na drugi koniec, przy czym materiały są w sposób ciągły usuwane. Najczęściej produkowanymi materiałami w PFR są: petrochemikalia, polimery, farmaceutyki itp. Reaktory te mają szeroki zakres zastosowań w układach fazy ciekłej lub gazowej.

Reaktor z przepływem tłokowym zapewnia doskonałą kontrolę czasu przebywania oraz warunków reakcji. Zapewniają więc wysoki poziom konwersji i są kompatybilne z reakcjami poprzez duże uwalnianie ciepła (lub) wrażliwość na stężenia reagentów. Mają jednak pewne ograniczenia bez mieszania promieniowego i po prostu mieszania osiowego.

Kluczowe cechy

Do najważniejszych cech reaktora z przepływem tłokowym należą:

Przepływ jednokierunkowy

W PFR reagenty i produkty przemieszczają się w jednym kierunku wzdłuż długości reaktora, bez mieszania wstecznego.

Gradient stężenia

Stężenie reagentów i produkty w tym reaktorze zmieniają się wraz z długością reaktora, chociaż są stałe w każdej sekcji pionowej w stosunku do przepływu.

Czas pobytu

Czas przebywania Oddzielna objętość reagenta wydalana w PFR nazywana jest czasem przebywania i jest stabilna dla wszystkich objętości.

Zasada działania reaktora z przepływem tłokowym

Reaktor z przepływem tłokowym działa poprzez utlenianie alkoholi i innych związków organicznych w celu wytworzenia wysokowartościowych chemikaliów, takich jak; pigmenty i barwniki. Płyny w tym reaktorze przemieszczają się w sposób ciągły i jednolity w rurze lub rurze. Reagenty wchodzą z jednego końca reaktora, przepływają przez reaktor i znajdują się na drugim końcu.

Charakter przepływu tłokowego w tym reaktorze zapewnia, że ​​reagenty chemiczne są wystawione na podobne warunki w PFR i że czas przebywania każdego reagenta jest taki sam. Zatem reaktor z przepływem tłokowym jest znakomitym wyborem w przypadku głównych reakcji, które wymagają dokładnej kontroli czasu przebywania, temperatury i ciśnienia.

Schemat reaktora z przepływem tłokowym

Projekt reaktora z przepływem tłokowym można wykonać za pomocą pewnego rodzaju kapilary, która jest małą rurką (lub) kanałem przymocowanym do płyty. Jest to zestaw reaktorów o działaniu ciągłym z wlotem reagentów i wylotem zawartości reaktora, które są wykonywane w sposób ciągły przez cały czas pracy reaktora.

Reaktor z przepływem tłokowym (PFR) nie ma mieszadła o cylindrycznym kształcie, które umożliwia rozwój płynu przy minimalnej ilości mieszania wstecznego, w wyniku czego wszystkie cząstki płynu trafiające do reaktora mają podobny czas przebywania . Reaktor ten z pewnością można uznać za serię cienkich plasterków płynu, składających się z małego reaktora wsadowego, całkowicie wymieszanego w kawałku, aby poruszać się w reaktorze niczym tłok.

Równanie ogólnego bilansu masy można wyrazić w następujący sposób dla jednego z wycinków płynu w reaktorze:

Wlot = wylot + zużycie + akumulacja

Jednostką każdego składnika powyższego wyrażenia jest szybkość przepływu materiału, np. mol/s.

Wyprowadzenie równania reaktora przepływu tłokowego

Reaktor tłokowy to wyidealizowany reaktor, w którym wszystkie cząstki w określonej sekcji mają tę samą prędkość i kierunek ruchu. W reaktorze z przepływem tłokowym (PFR) nie ma przepływu wstecznego ani mieszania, dlatego też przepływ płynu niczym korek od strony wlotowej do wylotowej pokazano na poniższym rysunku.

Reaktor ten powstaje w zależności od bilansu masowego i bilansu cieplnego w ramach zróżnicowanej ilości płynu. Jeśli wyobrazimy sobie, że procedura jest izotermiczna, wówczas brany jest pod uwagę jedynie bilans masowy.

Jeśli wyobrazimy sobie warunki stanu ustalonego, stężenia reagentów ostatecznie się nie zmienią. Jest to typowy sposób działania PFR. Równanie matematyczne dla PFR można zapisać po prostu jako;

udCi/dx = źródło

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Gdzie „Ci” to reagent, „i” to stężenie, „u” to prędkość płynu, „νi” to współczynnik stechiometryczny, „r” to szybkość reakcji, a „x” to położenie w reaktorze. „Caf” to stężenie reagenta na wlocie reaktora, a „L” to długość reaktora. Prędkość płynu „u” mierzy się w zależności od objętościowego natężenia przepływu Fv (m3/s) i obszaru przekroju poprzecznego reaktora S (m^2):

u=Fv/S

W idealnym PFR wszystkie cząstki cieczy przebywają w reaktorze dokładnie przez ten sam czas, który nazywa się średnim przebywaniem, mierzonym jako:

T = L/u

Dane dotyczące czasu przebywania są zwykle wykorzystywane w inżynierii reaktorów chemicznych do przewidywania zmian i stężeń wyjściowych.

Nieodwracalna reakcja pierwszego rzędu

Rozważmy prostą reakcję rozkładu:

A–>B

Ilekroć reakcja jest nieodwracalna i pierwszego rzędu, mamy:

udCa/dx = -kCa

Gdzie „k” jest stałą kinetyczną. Ogólnie rzecz biorąc, stała kinetyczna zależy głównie od temperatury. Ogólnie rzecz biorąc, do opisania tej zależności można zastosować równanie Arrheniusa. Zakładamy tutaj warunki izotermiczne, więc nie będziemy korzystać z tej zależności.

Model nieodwracalnych reakcji pierwszego rzędu można rozwiązać logicznie. Zatem rozwiązanie jest następujące;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Nieodwracalna reakcja drugiego rzędu

Przykład reakcji nieodwracalnej drugiego rzędu wykorzystajmy poniższy:

2A –> B

Gdy reakcja jest nieodwracalna i drugiego rzędu, mamy:

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

Charakterystyka reaktora z przepływem tłokowym

Charakterystyka reaktora z przepływem tłokowym jest następująca.

• Reagenty w reaktorze z przepływem tłokowym przepływają przez reaktor w sposób ciągły, z niewielkim lub żadnym mieszaniem.
• Reakcja w PFR zachodzi, gdy reagenty przemieszczają się wraz z długością reaktora.
• Stężenie reagentów zmienia się wraz z długością reaktora, a szybkość reakcji jest na ogół większa na wejściu.
• Reaktory te są często używane w reakcjach, w których konieczna jest duża ilość zmian i wszędzie tam, gdzie prędkość reakcji nie reaguje na zmiany absorpcji.
• Czas przebywania w PFR jest zwykle krótki.
• Biofilm tworzy się w pobliżu granicy faz powietrze-ciecz, symulując środowiska, takie jak jama ustna, mokre powierzchnie skalne i zasłony prysznicowe.
• Ten typ reaktora wytwarza spójny biofilm przy niskim ścinaniu, który można wykorzystać podobnie jak statyczny szklany reaktor kuponowy do sprawdzenia skuteczności środka bakteriobójczego.
• Biofilm w tym reaktorze można łatwo analizować różnymi metodami, takimi jak zliczanie żywych płytek, oznaczanie grubości i mikroskopia świetlna.
• Reagenty w PFR są zużywane w sposób ciągły, ponieważ spływają wzdłuż reaktora.
  Typowym PFR może być rurka wypełniona jakimś stałym materiałem.

Zalety i wady

The zalety reaktora z przepływem tłokowym uwzględnij poniższe.

• Przewaga PFR nad CSTR polega na tym, że reaktor ten ma małą objętość przy podobnym poziomie przestrzenno-czasowym i konwersji.
• Reaktor potrzebuje mniej miejsca i stopień konwersji w PFR jest wysoki w porównaniu z CSTR dla podobnej objętości reaktora.
• Reaktor ten jest często używany do decydowania o procesie kinetyki katalitycznej w fazie gazowej.
• Reaktory te są bardzo skuteczne w obsłudze reakcji i dla dużej grupy „typowych” reakcji zapewniają wyższe współczynniki konwersji dla każdej objętości reaktora w porównaniu z CSTR (reaktorami ze zbiornikiem z ciągłym mieszaniem).
• Reaktory bardzo dobrze nadają się do szybkich reakcji
• Przenikaniem ciepła w PFR można zarządzać znacznie lepiej w porównaniu z reaktorami zbiornikowymi, co prowadzi do doskonałego dopasowania do systemów wyjątkowo egzotermicznych
• Ze względu na charakter przepływu tłokowego i brak mieszania wstecznego, czas przebywania wszystkich reagentów jest stały, co prowadzi do niezawodnej jakości produktu, szczególnie tam, gdzie długie czasy przebywania prowadzą do tworzenia się zanieczyszczeń i zwęglenia i wielu innych.
• Konserwacja reaktora z przepływem tłokowym jest łatwa, ponieważ nie ma w nim ruchomych elementów.
• Są proste mechanicznie.
• Jego współczynnik konwersji jest wysoki dla każdej objętości reaktora.
• Jakość produktu nie uległa zmianie.
• Doskonała do nauki szybkich reakcji.
• Objętość reaktora jest wykorzystywana bardzo efektywnie.
• Doskonały do ​​procesów o dużej wydajności.
• Mniejsze spadki ciśnienia.
• Nie ma mieszania wstecznego
• Bezpośrednia skalowalność
• Efektywna kontrola czasu przebywania, kontrola temperatury, wydajne mieszanie, ograniczone różnice między partiami itp.

The Wady reaktora z przepływem tłokowym uwzględnij poniższe.

• W PFR trudno jest kontrolować reakcję egzotermiczną ze względu na szeroki zakres profili temperaturowych.
• W przypadku PFR wydatki na konserwację i koszty operacyjne są kosztowne w porównaniu z CST.
• Kontrola temperatury w reaktorze jest trudna.
• Zawsze, gdy reaktor jest używany do reakcji egzotermicznych, w reaktorze powstają gorące punkty.
• Trudno jest go kontrolować ze względu na skład i różnice temperatur.
• PFR są drogie w projektowaniu i utrzymaniu ze względu na ich złożoną konstrukcję i montaż.
• PFR są przeznaczone zazwyczaj do precyzyjnych reakcji i mogą nie być w stanie uwzględnić zmian w surowcach lub warunkach reakcji.
• Są one trudne w utrzymaniu i czyszczeniu ze względu na ich wąską i długą konstrukcję.
• Reagenty w PFR mogą przepływać nierównomiernie, co prowadzi do powstawania gorących punktów lub niekompletnych reakcji.
• Bardzo ważne jest, aby pamiętać, że reaktory z przepływem tłokowym nie nadają się do wszystkich zastosowań. Należy zatem dokładnie przeanalizować czas przebywania, kinetykę, kwestie selektywności itp., aby zdecydować, jaki typ reaktora jest odpowiedni do danego zastosowania.

Aplikacje

Zastosowania reaktorów z przepływem tłokowym obejmują:

• PFR są powszechnie stosowane w nawozach, produkcji chemicznej na dużą skalę, petrochemicznej i farmaceutycznej.
• Reaktory te są stosowane w procesach polimeryzacji, takich jak produkcja polipropylenu i polietylenu.
• Reaktory z przepływem tłokowym nadają się do układów reakcji ciecz-ciało stałe i gaz-ciało stałe.
• Nadają się one do reakcji heterogenicznych lub jednorodnych, takich jak; uwodornienie olejów i tłuszczów.
• PFR służą do utleniania alkoholi i innych związków organicznych oraz do wytwarzania wysokowartościowych substancji chemicznych, takich jak pigmenty i barwniki.

Zatem to jest przegląd reaktora z przepływem tłokowym , działanie, zalety, wady i zastosowania. Projektowanie i wybór dobrego reaktora przepływowego jest wciąż sztuką, a lata wiedzy pozwalają usprawnić dokonywanie wyborów. Czasami reaktor z przepływem tłokowym jest również znany jako CTR (ciągły reaktor rurowy). W wyidealizowanej formie można zmierzyć kształt kombinacji reakcji, która składa się z kilku korków, a każdy korek ma jednolite stężenie. Ten PFR zakłada, że ​​nie ma mieszania osiowego, a więc nie ma mieszania wstecznego w reaktorze. Oto pytanie do Ciebie, czym jest reaktor?