Ezeknek a reaktoroknak a lényeges jellemzője a dugós áramlás, így bármely két molekula rövidebb idő alatt bejuthat a reaktorba és egyszerre kiléphet. Dugós áramlás reaktor hatékonyan szabályozza a reakcióidőt a reaktánsok és a termékek elosztásának optimalizálásakor. Tehát a jó dugóáramlás szükséges a reaktorok jó teljesítményéhez. Tehát a dugós áramlású kémiát használó reaktorokat általában dugós áramlású reaktoroknak vagy PFR reaktoroknak nevezik. A Plug Flow Reactor vagy PFR egy harmadik általános típusú reaktor, ahol a tápanyagokat folyamatosan vezetik be a reaktorba, és „dugóként” mozognak a reaktorban. Ez a cikk áttekintést nyújt a dugós áramlású reaktor , működése és alkalmazásai.
Mi az a Plug Flow reaktor?
A dugattyús áramlású reaktor vagy dugattyús áramlású reaktor egy téglalap alakú idealizált áramlású reaktor, amely folyamatos folyadékáramot használ az anyagok feldolgozására a csőben. Ezt a reaktort egy hengeres csövön belüli kémiai reakciók ábrázolására használják úgy, hogy az összes kémiai reakciókombinációt hasonló sebességgel táplálják be az áramlási irány mentén, így; nincs integráció vagy visszaáramlás.
Ez a reaktor tartalmaz egy hengeres csövet, amelynek minden végén nyílások vannak a reagensek, valamint a reagensek táplálására szolgáló termékek számára. Az egyenletes reakció fenntartásához ebben a reaktorban rögzített hőmérsékletű vizet vezetünk a reaktorba. A dugóáramot ebben a reaktorban úgy állítják elő, hogy az egyik végétől a másikig folyamatosan bevezetik az anyagot, folyamatosan távolítja el az anyagokat. A PFR-ben gyakran előállított anyagok a következők; petrolkémiai anyagok, polimerek, gyógyszerek stb. Ezek a reaktorok széles körben alkalmazhatók folyadék- vagy gázfázisú rendszerekben.
A dugós áramlású reaktor kiemelkedő tartózkodási idő szabályozást és reakciókörülményeket biztosít. Így magas szintű konverziót biztosítanak, és kompatibilisek a reakciókkal a nagy hőkibocsátás (vagy a reagenskoncentrációkkal szembeni érzékenység) révén. Vannak azonban bizonyos korlátozások radiális keverés és egyszerűen axiális keverés nélkül.
Főbb jellemzők
A dugós áramlású reaktor fő jellemzői a következők.
Egyirányú áramlás
A PFR-ben a reaktánsok és a termékek egyetlen irányba haladnak a reaktor hosszában, visszakeverés nélkül.
Koncentráció gradiens
A reagens koncentrációja és termékei ebben a reaktorban a reaktor hosszával változnak, bár az áramlásra függőleges bármely szakaszon konzisztens.
Tartózkodási idő
Tartózkodási idő A PFR-en belül eltöltött különálló reagens térfogatot tartózkodási időnek nevezzük, és minden térfogatra stabil.
Plug Flow reaktor működési elve
A dugós áramlású reaktor alkoholok és egyéb szerves vegyületek oxidálásával finom vegyszereket állít elő, mint pl. pigmentek és színezékek. Ebben a reaktorban a folyadékok folyamatosan és egyenletesen mozognak a csőben vagy csőben. A reagensek a reaktor egyik végén belépnek, hogy a reaktorban végigfolyjanak, és a másik végén vannak.
Ebben a reaktorban a dugós áramlási jelleg biztosítja, hogy a kémiai reagensek hasonló körülményeknek legyenek kitéve a PFR-en keresztül, és hogy minden reagens tartózkodási ideje azonos. Tehát a dugós áramlású reaktor kiváló választás olyan fő reakciókhoz, amelyeknél a tartózkodási idő, hőmérséklet és nyomás pontos szabályozására van szükség.
Plug Flow reaktor diagram
A dugós áramlású reaktor tervezése történhet valamilyen típusú kapillárissal, amely egy lemezbe rögzített kis cső (vagy csatorna). Ez egy folyamatos reaktorkészlet a reagensek bemenetével és a reaktortartalom kivezetésével, amelyek folyamatosan működnek a reaktor működése során.
A dugós áramlású reaktor (PFR) nem rendelkezik hengeres keverővel, amely lehetővé teszi a folyadék minimális mennyiségű visszakeveréssel történő fejlődését, ennek eredményeként a reaktorba kerülő összes folyadékrészecskének hasonló tartózkodási ideje van. . Ez a reaktor minden bizonnyal vékony folyadékszeletek sorozatának tekinthető, amelyek egy apró szakaszos reaktort tartalmaznak, és a szeletben teljesen összekeverik, hogy dugattyúként haladjanak előre a reaktoron belül.
Az általános tömegmérleg egyenlete a következőképpen fejezhető ki a reaktoron belüli egyik folyadékszeletre:
Bemenet = Kimenet + Fogyasztás + Felhalmozás
A fenti kifejezés minden komponensének egységei egy anyagfutási sebesség, például mol/sec.
Dugós áramlású reaktoregyenlet levezetése
A dugós áramlású reaktor egy idealizált reaktor, ahol egy adott szakaszban az összes részecske sebessége és mozgási iránya azonos. Dugós áramlású reaktorban (PFR) nincs visszaáramlás vagy keveredés, így a folyadék áramlása, mint egy dugó a bemeneti oldalról a kimenetre, az alábbi ábrán látható.
Ez a reaktor a tömegegyensúlytól, valamint a különböző mennyiségű folyadékon belüli hőegyensúlytól függően jön létre. Ha azt képzeljük, hogy az eljárás izoterm, akkor csak a tömegmérleget vesszük figyelembe.
Ha elképzeljük az állandósult állapotot, a reagensek koncentrációja végül nem változik. Ez a PFR tipikus működési módja. A PFR matematikai egyenlete egyszerűen felírható:
udCi/dx = forrás
Ci(0) = Ci(f)
0≤ x ≤ L
Ahol „Ci” a reaktáns, „i” a koncentráció, „u” a folyadék sebessége, „νi” a sztöchiometrikus együttható, „r” a reakciósebesség és „x” a reaktoron belüli helyzet. A „Caf” a reaktáns A koncentráció a reaktor bemeneténél, az „L” pedig a reaktor hossza. Az „u” folyadék sebességét az Fv (m3/s) térfogatáramtól és a reaktor S keresztmetszeti tartományától (m^2) függően mérjük:
u=Fv/S
Ideális PFR-ben az összes folyékony részecske pontosan ugyanannyi ideig volt a reaktorban, amelyet átlagos tartózkodási időnek nevezünk, mérve;
T = L/u
A tartózkodási idő adatait általában a kémiai reaktorok tervezésében használják a változás és a kilépési koncentrációk előrejelzésére.
Elsőrendű visszafordíthatatlan reakció
Tekintsünk egy egyszerű bomlási reakciót:
A->B
Amikor a reakció visszafordíthatatlan és elsőrendű, a következőkkel rendelkezünk:
udCa/dx = -kCa
Ahol „k” egy kinetikai állandó. Általában a kinetikai állandó főként a hőmérséklettől függ. Általában egy Arrhenius-egyenlet használható ennek az összefüggésnek a leírására. Itt izoterm feltételeket feltételezünk, ezért nem használjuk ezt a függőséget.
Az elsőrendű irreverzibilis reakciók modellje logikusan megoldható. Tehát a megoldás a következő:
Ca = Cafexp(-x*k/u)
Másodrendű visszafordíthatatlan reakció
A másodrendű irreverzibilis reakció példája az alábbit használja:
2A –> B
Ha a reakció visszafordíthatatlan és másodrendű, akkor a következőket kapjuk:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
Plug Flow reaktor jellemzői
A dugós áramlású reaktor jellemzői a következők.
- A dugós áramlású reaktorban lévő reagensek folyamatos áramlásban áramlanak a reaktorban, kevés vagy egyáltalán nem keveredve.
- A PFR-ben a reakció akkor következik be, amikor a reagensek a reaktor hosszával együtt mozognak.
- A reagensek koncentrációja a reaktor hosszával változik, és a reakció sebessége általában nagyobb a belépéskor.
- Ezeket a reaktorokat gyakran használják olyan reakciókhoz, ahol nagy mennyiségű változásra van szükség, és ahol a reakció sebessége nem reagál az abszorpciós változásokra.
- A tartózkodási idő a PFR-en belül általában rövid.
- A biofilm a levegő-folyadék határfelület közelében képződik, olyan környezeteket szimulálva, mint a szájüreg, a nedves sziklafelületek és a zuhanyfüggönyök.
- Az ilyen típusú reaktorok egyenletes biofilmet hoznak létre alacsony nyíróerő mellett, amely a statikus üvegkuponos reaktorhoz hasonlóan használható a mikrobicid hatékonyságának ellenőrzésére.
- Ennek a reaktornak a biofilmje könnyen elemezhető különböző módszerekkel, például életképes lemezszámmal, vastagságmeghatározással és fénymikroszkóppal.
- A PFR-ben lévő reagenseket folyamatosan fogyasztják, mert lefolynak a reaktor hosszában.
Egy tipikus PFR lehet egy szilárd anyagon átpakolt cső.
Előnyök és hátrányok
A dugós áramlású reaktor előnyei a következőket tartalmazzák.
- A PFR előnye a CSTR-rel szemben, hogy ennek a reaktornak alacsony a térfogata hasonló tér-idő és konverziós szinthez.
- A reaktor kevesebb helyet igényel, és a konverzió mennyisége magas a PFR-en belül, mint a hasonló reaktortérfogatú CSTR-hez képest.
- Ezt a reaktort gyakran használják a gázfázisú katalitikus kinetikai folyamat meghatározására.
- Ezek a reaktorok nagyon hatékonyak a reakciók kezelésében és a „tipikus” reakciók nagy csoportjában, minden reaktortérfogatnál magasabb konverziós sebesség mellett, mint a CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors) esetében.
- A reaktorok nagyon alkalmasak gyors reakciókra
- A PFR-ben a hőátadás sokkal jobban kezelhető, mint a tartályreaktoroknál, ami kiválóan illeszkedik a rendkívül exoterm rendszerekhez
- A dugós áramlási jelleg és a visszakeverés hiánya miatt az összes reagensnek állandó tartózkodási ideje van, ami megbízható termékminőséget eredményez, különösen ott, ahol a hatalmas tartózkodási idő szennyeződés kialakulásához és elszenesedéshez vezet, és még sok máshoz.
- A dugós áramlású reaktor karbantartása egyszerű, mivel nincsenek mozgó elemek.
- Ezek mechanikusan egyszerűek.
- Konverziós aránya minden reaktortérfogatnál magas.
- A termék minősége nem változott.
- Kiválóan alkalmas a gyors reakciók tanulmányozására.
- A reaktor térfogatát nagyon hatékonyan használják fel.
- Nagy kapacitású folyamatokhoz kiváló.
- Kevesebb nyomásesés.
- Nincs visszakeverés
- Közvetlen skálázhatóság
- A tartózkodási idő hatékony szabályozása, a hőmérséklet szabályozása, a hatékony keverés, a tételenkénti variáció korlátozott stb.
A dugóáramú reaktor hátrányai a következőket tartalmazzák.
- A PFR-ben az exoterm reakcióteljesítmény nehezen szabályozható a hőmérsékleti profilok széles tartománya miatt.
- A PFR esetében a karbantartási és üzemeltetési költségek költségesek a CST-hez képest.
- A hőmérséklet szabályozása nehézkes egy reaktor számára.
- Forró pontok keletkeznek a reaktorban, amikor exoterm reakciókhoz használják.
- Az összetétel és a hőmérséklet ingadozása miatt nehéz ellenőrizni.
- A PFR-ek tervezése és karbantartása bonyolult tervezésük és összeszerelésük miatt költséges.
- A PFR-eket jellemzően precíz reakciókra tervezték, és előfordulhat, hogy nem képesek alkalmazkodni az alapanyagokon vagy a reakciókörülményeken belüli változásokhoz.
- Ezeket nehéz karbantartani és tisztítani keskeny és hosszú kialakításuk miatt.
- A PFR-ben lévő reagensek egyenetlenül áramolhatnak, ami forró pontokhoz vagy hiányos reakciókhoz vezethet.
- Nagyon fontos szem előtt tartani, hogy a dugós áramlású reaktorok nem illeszkednek minden alkalmazáshoz. Ezért alaposan elemezni kell a tartózkodási időt, a kinetikát, a szelektivitási kérdéseket stb., hogy eldöntsük, milyen típusú reaktor alkalmas egy adott alkalmazásra.
Alkalmazások
A dugós áramlású reaktorok alkalmazásai a következők.
- A PFR-eket általában műtrágya-, nagyüzemi vegyipari, petrolkémiai és gyógyszergyártásban használják.
- Ezeket a reaktorokat olyan polimerizációs eljárásokban használják, mint a polipropilén és polietilén gyártása.
- A dugós áramlású reaktorok alkalmasak folyadék-szilárd és gáz-szilárd reakciórendszerekhez.
- Ezek alkalmasak heterogén vagy homogén reakciókra, mint pl. olaj és zsír hidrogénezése.
- A PFR-eket alkoholok és más szerves vegyületek oxidálására, valamint finom vegyszerek, például pigmentek és színezékek előállítására használják.
Tehát ez az a dugós áramlású reaktor áttekintése , működése, előnyei, hátrányai és alkalmazásai. A jó áramlású reaktor tervezése és kiválasztása még mindig művészet, és több éves tudás javítja Önt a kiválasztásban. Néha a dugós áramlású reaktort CTR-nek (continuous tubular Reactor) is nevezik. Idealizált formában mérhető, hogy a reakciókombináció alakja néhány dugóból áll, és minden dugó egyenletes koncentrációjú. Ennek a PFR-nek az a feltételezése, hogy nincs axiális keverés, így nincs visszakeverés a reaktorban. Itt egy kérdés, hogy mi az a reaktor?
