Plug Flow Reactor: Delovanje, izpeljava, značilnosti in njegove aplikacije

Pretok čepa je pomembna značilnost teh reaktorjev, tako da lahko kateri koli dve molekuli vstopita v reaktor v krajšem času in izstopita istočasno. Plug flow reaktor zagotavlja učinkovito krmiljenje reakcijskega časa pri optimizaciji delitve reaktantov in produktov. Torej je za dobro delovanje v reaktorjih potreben dober pretok. Tako se reaktorji, ki uporabljajo kemijo s čepnim tokom, običajno imenujejo reaktorji s čepnim tokom ali reaktorji PFR. Plug Flow Reactor ali PFR je tretji reaktor splošnega tipa, pri katerem se hranila neprekinjeno dovajajo v reaktor in se premikajo po reaktorju kot »čep«. Ta članek obravnava pregled a plug flow reaktor , njegovo delovanje in aplikacije.

Kaj je Plug Flow Reactor?

Vtični reaktor ali batni reaktor je idealiziran pretočni reaktor pravokotnega tipa, ki uporablja neprekinjen tok tekočine za obdelavo materialov skozi cev. Ta reaktor se uporablja za upodobitev kemičnih reakcij v cilindrični cevi, tako da bodo vse kombinacije kemičnih reakcij dovedene s podobno hitrostjo vzdolž smeri toka, torej; ni integracije ali povratnega toka.

Ta reaktor vključuje cilindrično cev z odprtinami na vsakem koncu za reaktante in izdelke, skozi katere dovajajo reaktante. Za vzdrževanje enakomerne reakcije v tem reaktorju je v reaktor dovedena voda s fiksno temperaturo. Pretok čepa nastane v tem reaktorju z neprekinjenim vnašanjem materiala od enega konca do drugega in neprekinjeno odstranjuje materiale. Materiali, ki se pogosto proizvajajo v PFR, so; petrokemični izdelki, polimeri, farmacevtski izdelki itd. Ti reaktorji imajo širok spekter uporabe v tekočih ali plinskih sistemih.

Plug flow reaktor zagotavlja izjemen nadzor zadrževalnega časa in reakcijskih pogojev. Tako zagotavljajo visoke ravni pretvorbe in so združljivi z reakcijami zaradi visokega sproščanja toplote (ali) občutljivosti na koncentracije reaktanta. Vendar pa imajo nekatere omejitve brez radialnega mešanja in preprosto aksialnega mešanja.

Ključne funkcije

Ključne značilnosti reaktorja s pretočnim vtičem vključujejo naslednje.

Enosmerni tok

Pri PFR reaktanti in produkti potujejo v eni smeri po dolžini reaktorja brez povratnega mešanja.

Gradient koncentracije

Koncentracija reaktantov in produkti v tem reaktorju se spreminjajo z dolžino reaktorja, čeprav so dosledni v katerem koli odseku, navpičnem na tok.

Čas bivanja

Čas zadrževanja ločenega volumna reaktanta, ki se porabi znotraj PFR, se imenuje čas zadrževanja in je stabilen za vse volumne.

Načelo delovanja reaktorja Plug Flow

Plug flow reaktor deluje tako, da oksidira alkohole in druge organske spojine za proizvodnjo finih kemikalij, kot so; pigmenti & barvila. Tekočine v tem reaktorju se neprekinjeno in enakomerno gibljejo po cevi. Reaktanti vstopajo na enem koncu reaktorja, da tečejo po reaktorju in obstajajo na drugem koncu.

Narava toka čepa v tem reaktorju zagotavlja, da so kemični reaktanti izpostavljeni podobnim pogojem skozi PFR in da je čas zadrževanja vsakega reaktanta enak. Torej je reaktor s pretočnim vtičem izjemna izbira za glavne reakcije, ki zahtevajo natančen nadzor rezidenčnega časa, temperature in tlaka.

Diagram pretočnega reaktorja

Zasnova pretočnega reaktorja s čepom se lahko izvede z neko vrsto kapilare, ki je majhna cev (ali) kanal, pritrjen na ploščo. To je neprekinjen reaktorski sklop z dovodom reaktantov in odvodom vsebine reaktorja, ki potekata neprekinjeno med delovanjem reaktorja.

Plug flow reactor (PFR) nima mešala, ki ima cilindrično obliko, ki omogoča razvoj tekočine z minimalno količino povratnega mešanja, zato imajo vsi delci tekočine, ki gredo v reaktor, podoben čas zadrževanja. . Ta reaktor lahko vsekakor obravnavamo kot niz tankih rezin tekočine, ki obsegajo majhen šaržni reaktor, popolnoma premešan v rezini, da se premika naprej znotraj reaktorja kot bat.

Enačbo za splošno masno ravnovesje lahko izrazimo takole za eno od rezin tekočine v reaktorju:

Vhod = Izhod + Poraba + Akumulacija

Enote vsake komponente zgornjega izraza so hitrost materiala, kot je mol/s.

Izpeljava enačbe reaktorja Plug flow

Plug-flow reaktor je idealiziran reaktor, kjer imajo vsi delci v določenem delu enako hitrost in smer gibanja. V čepnem reaktorju (PFR) ni povratnega toka ali mešanja, zato je tok tekočine, kot je čep, od vstopne strani do izhoda prikazan na spodnji sliki.

Ta reaktor je ustvarjen v odvisnosti od masne bilance kot tudi toplotne bilance v različni količini tekočine. Če si predstavljamo, da je postopek izotermičen, potem se upošteva le masna bilanca.

Če si predstavljamo pogoje v stanju dinamičnega ravnovesja, se koncentracije reaktantov sčasoma ne spreminjajo. Je tipična metoda delovanja PFR. Matematično enačbo za PFR lahko preprosto zapišemo kot;

udCi/dx = vir

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Kjer je „Ci“ reaktant, „i“ je koncentracija, „u“ je hitrost tekočine, „νi“ je stehiometrični koeficient, „r“ je hitrost reakcije in „x“ je položaj v reaktorju. 'Caf' je koncentracija reaktanta A na vstopu v reaktor in 'L' je dolžina reaktorja. Hitrost tekočine 'u' se meri glede na Fv (m3/s) volumetrično hitrost pretoka in območje prečnega prereza reaktorja S (m^2):

u=Fv/S

V idealnem PFR so bili vsi tekoči delci v reaktorju natančno enako količino časa, ki se imenuje povprečno zadrževanje, merjeno kot;

T =L/u

Podatki o zadrževalnem času se običajno uporabljajo v inženiringu kemijskih reaktorjev za napovedovanje sprememb in izhodnih koncentracij.

Ireverzibilna reakcija prvega reda

Oglejmo si preprosto reakcijo razgradnje:

A–>B

Kadarkoli je reakcija ireverzibilna in prvega reda, imamo:

udCa/dx = -kCa

Kjer je 'k' kinetična konstanta. Na splošno je kinetična konstanta v glavnem odvisna od temperature. Na splošno lahko za opis tega razmerja uporabimo Arrheniusovo enačbo. Tukaj predpostavljamo izotermne pogoje, zato te odvisnosti ne bomo uporabili.

Model za ireverzibilne reakcije prvega reda je mogoče rešiti logično. Rešitev je torej naslednja;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Ireverzibilna reakcija drugega reda

Primer ireverzibilne reakcije drugega reda nam omogoča uporabo spodnjega:

2A –> B

Ko je reakcija ireverzibilna in drugega reda, imamo:

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

Značilnosti reaktorja Plug Flow

Značilnosti pretočnega reaktorja z vtičnico vključujejo naslednje.

• Reaktanti v reaktorju s čepnim tokom tečejo po reaktorju v neprekinjenem toku z malo ali brez mešanja.
• Reakcija v PFR se pojavi, ko se reaktanti premikajo z dolžino reaktorja.
• Koncentracija reaktantov se spreminja z dolžino reaktorja in hitrost reakcije je na splošno višja na vstopu.
• Ti reaktorji se pogosto uporabljajo za reakcije, kjer je potrebna velika količina sprememb in kjer se hitrost reakcije ne odziva na spremembe absorpcije.
• Čas bivanja v PFR je običajno kratek.
• Biofilm se oblikuje blizu vmesnika zrak-tekočina, ki simulira okolja, kot so ustna votlina, mokre skalne površine in zavese za prho.
• Ta vrsta reaktorja ustvari dosleden biofilm pri nizkem strigu, ki ga je mogoče uporabiti kot reaktor s statičnimi steklenimi kuponi za preverjanje učinkovitosti mikrobicida.
• Biofilm tega reaktorja se zlahka analizira z različnimi metodami, kot so štetje sposobnih plošč, določanje debeline in svetlobna mikroskopija.
• Reaktanti v PFR se nenehno porabljajo, ker tečejo po dolžini reaktorja.
  Tipičen PFR je lahko cev, zapakirana skozi trdni material.

Prednosti in slabosti

The prednosti plug flow reaktorja vključujejo naslednje.

• Prednost PFR pred CSTR je, da ima ta reaktor majhno prostornino za podobno prostorsko-časovno in stopnjo pretvorbe.
• Reaktor potrebuje manj prostora in da je količina pretvorbe visoka znotraj PFR v primerjavi s CSTR za podobno prostornino reaktorja.
• Ta reaktor se pogosto uporablja za odločanje o procesu katalitične kinetike v plinski fazi.
• Ti reaktorji so zelo učinkoviti pri obvladovanju reakcij in za veliko skupino 'tipičnih' reakcij učinek znotraj višjih stopenj pretvorbe za vsako prostornino reaktorja v primerjavi s CSTR (Reaktorji z neprekinjenim mešanjem)
• Reaktorji so zelo primerni za hitre reakcije
• Prenos toplote v PFR je mogoče upravljati dokaj bolje v primerjavi z rezervoarskimi reaktorji, kar vodi v odlično prileganje za izjemno eksotermne sisteme
• Zaradi narave pretoka čepa in brez povratnega mešanja obstaja dosleden zadrževalni čas za vse reaktante, kar vodi do zanesljive kakovosti izdelka, zlasti tam, kjer veliki zadrževalni časi povzročijo nastanek kontaminacije in zoglenitev ter še veliko več.
• Vzdrževanje Plug flow reaktorja je preprosto, ker ni gibljivih elementov.
• Te so mehansko preproste.
• Njegova stopnja pretvorbe je visoka za vsako prostornino reaktorja.
• Kakovost izdelka se ni spremenila.
• Odlično za preučevanje hitrih reakcij.
• Prostornina reaktorja se uporablja zelo učinkovito.
• Odlično za procese z veliko zmogljivostjo.
• Manj padcev tlaka.
• Povratnega mešanja ni
• Neposredna razširljivost
• Učinkovit nadzor časa bivanja, nadzor temperature, učinkovito mešanje, variacije od serije do serije so omejene itd.

The slabosti reaktorja s pretokom vključujejo naslednje.

• V PFR je eksotermni odziv težko nadzorovati zaradi širokega razpona temperaturnih profilov.
• Za PFR so stroški vzdrževanja in obratovanja dragi v primerjavi s CST.
• Nadzor temperature je za reaktor težak.
• Pri eksotermnih reakcijah se v reaktorju pojavijo vroče točke.
• Težko ga je nadzorovati zaradi sestave in temperaturnih nihanj.
• PFR so dragi za načrtovanje in vzdrževanje zaradi njihove zapletene zasnove in sestavljanja.
• PFR so običajno zasnovani za natančne reakcije in se morda ne bodo mogli prilagoditi spremembam v surovinah ali reakcijskih pogojih.
• Zaradi njihove ozke in dolge zasnove jih je težko vzdrževati in čistiti.
• Reaktanti v PFR lahko tečejo neenakomerno, kar vodi do vročih točk ali nepopolnih reakcij.
• Zelo pomembno je upoštevati, da pretočni reaktorji ne morejo ustrezati vsem aplikacijam. Zato je treba natančno analizirati zadrževalni čas, kinetiko, težave s selektivnostjo itd., da se odločimo, kateri tip reaktorja je primeren za aplikacijo.

Aplikacije

Uporaba pretočnih reaktorjev vključuje naslednje.

• PFR se običajno uporabljajo v gnojilih, obsežni kemični, petrokemični in farmacevtski proizvodnji.
• Ti reaktorji se uporabljajo v postopkih polimerizacije, kot sta proizvodnja polipropilena in polietilena.
• Pretočni reaktorji so primerni za reakcijske sisteme tekočina-trdno in plin-trdno.
• Ti so primerni za heterogene ali homogene reakcije, kot so; hidrogeniranje olja in maščob.
• PFR se uporabljajo za oksidacijo alkoholov in drugih organskih spojin ter za ustvarjanje finih kemikalij, kot so pigmenti in barvila.

Torej, to je pregled pretočnega reaktorja , delovanje, prednosti, slabosti in aplikacije. Načrtovanje in izbira dobrega pretočnega reaktorja sta še vedno umetnost in leta znanja vam pomagajo pri izbiri. Včasih je vtični reaktor znan tudi kot CTR (kontinuirani cevni reaktor). V idealizirani obliki je mogoče izmeriti, da je oblika reakcijske kombinacije sestavljena iz nekaj čepov in vsak čep ima enotno koncentracijo. Ta PFR domneva, da ni aksialnega mešanja, zato v reaktorju ni povratnega mešanja. Tukaj je vprašanje za vas, kaj je reaktor?