Zátkový průtokový reaktor: Práce, odvození, vlastnosti a jeho aplikace

Zátkový tok je významnou charakteristikou těchto reaktorů, takže jakékoli dvě molekuly mohou vstoupit do reaktoru za kratší dobu a vystoupit ve stejnou dobu. Zástrčkový tok reaktor poskytuje efektivní kontrolní reakční dobu při optimalizaci dělení reaktantů i produktů. Pro dobrý výkon v reaktorech je tedy nezbytný dobrý pístový tok. Takže reaktory, které používají chemii s pístovým tokem, se normálně nazývají reaktory s pístovým tokem nebo PFR reaktory. Reaktor s ucpávkovým tokem neboli PFR je třetí reaktor obecného typu, kde jsou živiny zaváděny nepřetržitě do reaktoru a pohybují se reaktorem jako „zástrčka“. Tento článek pojednává o přehledu a reaktor s pístovým tokem , jeho fungování a jeho aplikace.

Co je to plug Flow Reactor?

Reaktor s pístovým tokem nebo reaktor s pístovým tokem je reaktor s idealizovaným tokem obdélníkového typu, který používá kontinuální tok tekutiny pro zpracování materiálů v trubce. Tento reaktor se používá k znázornění chemických reakcí ve válcovém potrubí tak, že všechny kombinace chemických reakcí budou dodávány podobnou rychlostí ve směru toku, takže; nedochází k integraci ani zpětnému toku.

Tento reaktor obsahuje válcovou trubku s otvory na každém konci pro reaktanty a také produkty, kterými se reaktanty přivádějí. Pro udržení rovnoměrné reakce v tomto reaktoru se do reaktoru přivádí voda o pevné teplotě. Pístový tok se v tomto reaktoru vytváří kontinuálním zaváděním materiálu od jednoho konce k druhému, přičemž materiály kontinuálně odebírá. Často vyráběné materiály v PFR jsou; petrochemie, polymery, léčiva atd. Tyto reaktory mají širokou škálu aplikací v systémech v kapalné nebo plynné fázi.

Reaktor s pístovým tokem poskytuje vynikající kontrolu doby zdržení i reakčních podmínek. Poskytují tedy vysoké úrovně konverze a jsou kompatibilní s reakcemi díky vysoké citlivosti na uvolňování tepla (nebo) na koncentrace reaktantu. Mají však určitá omezení bez radiálního míchání a jednoduše axiálního míchání.

Klíčové vlastnosti

Mezi klíčové vlastnosti reaktoru s pístovým tokem patří následující.

Jednosměrný tok

V PFR se reaktanty i produkty pohybují v jednom směru po délce reaktoru bez zpětného míšení.

Koncentrační gradient

Koncentrace reaktantů a produkty v tomto reaktoru se mění s délkou reaktoru, i když jsou konzistentní v jakékoli sekci vertikální k toku.

Doba pobytu

Doba zdržení Samostatný objem reaktantu, který je spotřebován v PFR, se nazývá doba zdržení a je stabilní pro všechny objemy.

Princip činnosti reaktoru se zátkovým tokem

Reaktor s pístovým tokem funguje tak, že oxiduje alkoholy a další organické sloučeniny za vzniku jemných chemikálií jako; pigmenty a barviva. Tekutiny v tomto reaktoru se pohybují kontinuálním a jednotným způsobem v potrubí nebo trubce. Reaktanty vstupují na jednom konci reaktoru, aby proudily celým reaktorem a existují na druhém konci.

Charakter pístového toku v tomto reaktoru zajišťuje, že chemické reaktanty jsou vystaveny podobným podmínkám prostřednictvím PFR a že doba pobytu každého reaktantu je stejná. Reaktor s pístovým tokem je tedy vynikající volbou pro hlavní reakce, které vyžadují přesné řízení rezidentního času, teploty a tlaku.

Schéma reaktoru s uzávěrem průtoku

Konstrukce reaktoru s pístovým tokem může být provedena s nějakým typem kapiláry, což je malá trubka (nebo) kanálek ​​upevněný do desky. Jedná se o soustavu kontinuálního reaktoru se vstupem reaktantů a výstupem obsahu reaktoru, které jsou kontinuálně prováděny během provozu reaktoru.

Reaktor s pístovým tokem (PFR) nemá míchadlo, které má válcový tvar, který umožňuje, aby se tekutina vyvíjela s minimálním množstvím zpětného promíchání, v důsledku toho mají všechny částice tekutiny, které vstupují do reaktoru, podobnou dobu zdržení. . Tento reaktor lze jistě považovat za řadu tenkých plátků tekutiny, zahrnujících malý vsádkový reaktor, zcela promíchávaný v plátku, aby se pohyboval vpřed v reaktoru jako píst.

Rovnici pro obecnou hmotnostní bilanci lze vyjádřit takto pro jeden z tekutých plátků v reaktoru:

Vstup = Výstup + Spotřeba + Akumulace

Jednotky každé složky výše uvedeného výrazu jsou rychlost pohybu materiálu jako mol/s.

Odvození rovnice reaktoru s uzávěrem průtoku

Reaktor s pístovým tokem je idealizovaný reaktor, kde všechny částice v určité sekci mají stejnou rychlost a směr pohybu. V reaktoru s pístovým tokem (PFR) nedochází k žádnému zpětnému toku ani směšování, takže tok tekutiny jako zátka ze vstupní strany k výstupu je znázorněn na obrázku níže.

Tento reaktor vzniká v závislosti na hmotnostní bilanci i tepelné bilanci v rámci rozdílného množství tekutiny. Pokud si představíme, že postup je izotermický, pak se uvažuje pouze hmotnostní bilance.

Pokud si představíme ustálené podmínky, koncentrace reaktantů se nakonec nemění. Je to typický způsob provozu PFR. Matematickou rovnici pro PFR lze jednoduše napsat jako;

udCi/dx = zdroj

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Kde „Ci“ je reaktant, „i“ je koncentrace, „u“ je rychlost tekutiny, „νi“ je stechiometrický koeficient, „r“ je reakční rychlost & „x“ je poloha v reaktoru. „Caf“ je reaktant A koncentrace na vstupu do reaktoru & „L“ je délka reaktoru. Rychlost tekutiny „u“ se měří v závislosti na objemovém průtoku Fv (m3/s) a oblasti průřezu reaktoru S (m^2):

u = Fv/S

V ideálním PFR byly všechny kapalné částice v reaktoru přesně stejnou dobu, která se nazývá střední pobyt, měřeno jako;

T = L/u

Údaje o době zdržení se běžně používají v konstrukci chemických reaktorů pro předpovědi změn a výstupních koncentrací.

Ireverzibilní reakce prvního řádu

Uvažujme jednoduchou rozkladnou reakci:

A–>B

Kdykoli je reakce nevratná a prvního řádu, máme:

udCa/dx = -kCa

Kde „k“ je kinetická konstanta. Obecně platí, že kinetická konstanta závisí hlavně na teplotě. Obecně lze k popisu tohoto vztahu použít Arrheniovu rovnici. Zde předpokládáme izotermické podmínky, takže tuto závislost nebudeme používat.

Model pro nevratné reakce prvního řádu lze řešit logicky. Řešení tedy následuje takto;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Nevratná reakce druhého řádu

Příklad nevratné reakce druhého řádu použijeme níže uvedený:

2A –> B

Jakmile je reakce nevratná a druhého řádu, máme:

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

Charakteristiky reaktoru se zátkovým tokem

Charakteristiky reaktoru s pístovým tokem zahrnují následující.

• Reaktanty v reaktoru s pístovým tokem proudí celým reaktorem v kontinuálním toku s malým nebo žádným mícháním.
• Reakce v PFR nastává, když se reaktanty pohybují s délkou reaktoru.
• Koncentrace reaktantů se mění s délkou reaktoru a rychlost reakce je obecně vyšší na vstupu.
• Tyto reaktory se často používají pro reakce všude tam, kde je nutné velké množství změn a kde rychlost reakce nereaguje na změny absorpce.
• Doba zdržení v PFR je obvykle krátká.
• Biofilm se tvoří v blízkosti rozhraní vzduch-kapalina simulující prostředí, jako je dutina ústní, vlhké kamenné povrchy a sprchové závěsy.
• Tento typ reaktoru vytváří konzistentní biofilm při nízkém střihu, který lze použít jako reaktor se statickým skleněným kupónem ke kontrole účinnosti mikrobicidu.
• Biofilm tohoto reaktoru se snadno analyzuje různými metodami, jako je počítání živých ploten, stanovení tloušťky a světelná mikroskopie.
• Reaktanty v PFR se spotřebovávají nepřetržitě, protože stékají po délce reaktoru.
  Typickým PFR by mohla být trubice zabalená skrz nějaký pevný materiál.

Výhody a nevýhody

The výhody reaktoru s pístovým tokem zahrnout následující.

• Výhodou PFR oproti CSTR je, že tento reaktor má nízký objem pro podobnou časoprostorovou úroveň a úroveň konverze.
• Reaktor potřebuje méně prostoru a že množství konverze je vysoké v rámci PFR ve srovnání s CSTR pro podobný objem reaktoru.
• Tento reaktor se často používá k rozhodování o procesu katalytické kinetiky v plynné fázi.
• Tyto reaktory jsou velmi účinné při manipulaci s reakcemi a pro velkou skupinu „typických“ reakcí účinkují při vyšších rychlostech konverze pro každý objem reaktoru ve srovnání s CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• Reaktory jsou velmi vhodné pro rychlé reakce
• Přenos tepla v PFR může být řízen poměrně lépe ve srovnání s tankovými reaktory, což vede k vynikající vhodnosti pro extrémně exotermické systémy
• Vzhledem k charakteru pístového toku a nedochází ke zpětnému promíchávání, existuje konzistentní doba zdržení pro všechny reaktanty, což vede ke spolehlivé kvalitě produktu, zejména tam, kde dlouhé doby zdržení vedou ke kontaminaci a zuhelnatění a mnoha dalším.
• Údržba reaktoru s uzávěrem je snadná, protože neobsahuje žádné pohyblivé prvky.
• Ty jsou mechanicky jednoduché.
• Jeho míra konverze je vysoká pro každý objem reaktoru.
• Kvalita produktu se nezměnila.
• Skvělé pro studium rychlých reakcí.
• Objem reaktoru je využíván velmi efektivně.
• Vynikající pro velkokapacitní procesy.
• Menší pokles tlaku.
• Neexistuje žádné zpětné míchání
• Přímá škálovatelnost
• Efektivní kontrola času zdržení, kontrola teploty, účinné míchání, variace mezi dávkami jsou omezené atd.

The nevýhody reaktoru s pístovým tokem zahrnout následující.

• U PFR je těžké řídit výkon exotermické odezvy kvůli širokému rozsahu teplotních profilů.
• U PFR jsou náklady na údržbu a provoz nákladné ve srovnání s CST.
• Regulace teploty je pro reaktor obtížná.
• Horká místa se v reaktoru vyskytují vždy, když se používá pro exotermické reakce.
• Je těžké ho ovládat kvůli změnám složení a teplot.
• PFR jsou drahé na design a údržbu kvůli jejich složité konstrukci a montáži.
• PFR jsou obvykle navrženy pro přesné reakce a nemusí být schopny přizpůsobit se změnám v surovinách nebo reakčních podmínkách.
• Ty se kvůli úzkému a dlouhému provedení obtížně udržují a čistí.
• Reaktanty v PFR mohou proudit nerovnoměrně, což vede k horkým místům nebo neúplným reakcím.
• Je velmi důležité mít na paměti, že reaktory s pístovým tokem nemohou být vhodné pro všechny aplikace. Takže je třeba pečlivě analyzovat dobu zdržení, kinetiku, problémy se selektivitou atd., aby se rozhodlo, jaký typ reaktoru je vhodný pro danou aplikaci.

Aplikace

Aplikace reaktorů s pístovým tokem zahrnují následující.

• PFR se běžně používají v hnojivech, ve velké chemické, petrochemické a farmaceutické výrobě.
• Tyto reaktory se používají v polymeračních procesech, jako je výroba polypropylenu a polyethylenu.
• Reaktory s pístovým tokem jsou vhodné pro reakční systémy kapalina-pevná látka a plyn-pevná látka.
• Ty jsou vhodné pro heterogenní nebo homogenní reakce jako; hydrogenace olejů a tuků.
• PFR se používají k oxidaci alkoholů a dalších organických sloučenin ak výrobě jemných chemikálií, jako jsou pigmenty a barviva.

Tedy, toto je přehled reaktoru s pístovým tokem , fungování, výhody, nevýhody a aplikace. Návrh a výběr dobrého průtokového reaktoru je stále uměním a díky letitým znalostem se můžete ve výběru zlepšovat. Někdy je reaktor s pístovým tokem také známý jako CTR (kontinuální trubkový reaktor). V idealizované formě lze změřit tvar reakční kombinace tak, že se skládá z několika zátek a každá zátka má jednotnou koncentraci. Tento PFR předpokládá, že nedochází k axiálnímu míchání, takže nedochází k žádnému zpětnému míchání v reaktoru. Zde je pro vás otázka, co je to reaktor?