Plug Flow Reactor: Toiminta, johtaminen, ominaisuudet ja sen sovellukset

Tulppavirtaus on näiden reaktorien merkittävä ominaisuus, joten mitkä tahansa kaksi molekyyliä voidaan päästä reaktoriin lyhyemmässä ajassa ja poistua samalla. Plug flow reaktori tarjoaa tehokkaan reaktioajan säätelyn optimoitaessa lähtöaineiden ja tuotteiden jakautumista. Joten hyvä tulppavirtaus on välttämätön hyvän suorituskyvyn kannalta reaktoreissa. Joten reaktoreita, jotka käyttävät tulppavirtauskemiaa, kutsutaan tavallisesti tulppavirtausreaktoreiksi tai PFR-reaktoreiksi. Plug Flow Reactor eli PFR on kolmas yleistyyppinen reaktori, jossa ravinteita syötetään jatkuvasti reaktoriin ja ne liikkuvat läpi reaktorin 'tulpana'. Tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsausta a tulppavirtausreaktori , sen toiminta ja sovellukset.

Mikä on Plug Flow Reactor?

Tulppavirtausreaktori tai mäntävirtausreaktori on suorakaiteen muotoinen idealisoitu virtausreaktori, joka käyttää jatkuvaa nestevirtausta materiaalien käsittelyyn läpi putken. Tätä reaktoria käytetään kuvaamaan kemiallisia reaktioita sylinterimäisessä putkessa siten, että kaikki kemialliset reaktioyhdistelmät syötetään samalla nopeudella virtaussuunnassa, siten; integraatiota tai takaisinvirtausta ei ole.

Tämä reaktori sisältää sylinterimäisen putken, jonka molemmissa päissä on aukot lähtöaineille sekä tuotteille, joiden kautta lähtöaineita syötetään. Tasaisen reaktion ylläpitämiseksi tässä reaktorissa reaktoriin syötetään vettä kiinteässä lämpötilassa. Tulppavirtaus tuotetaan tässä reaktorissa syöttämällä materiaalia jatkuvasti päästä toiseen, se poistaa materiaaleja jatkuvasti. PFR:ssä usein tuotetut materiaalit ovat; petrokemian aineet, polymeerit, lääkkeet jne. Näillä reaktoreilla on laaja valikoima sovelluksia joko neste- tai kaasufaasijärjestelmissä.

Plug flow -reaktori tarjoaa erinomaisen viipymäajan säädön sekä reaktio-olosuhteet. Joten ne tarjoavat korkeat konversiotasot ja ovat yhteensopivia reaktioiden kanssa korkean lämmön vapautumisen (tai) herkkyyden ansiosta reagoivan aineen pitoisuuksille. Niillä on kuitenkin joitain rajoituksia ilman säteittäistä sekoitusta ja yksinkertaisesti aksiaalista sekoitusta.

Avainominaisuudet

Plug flow -reaktorin tärkeimmät ominaisuudet ovat seuraavat.

Yksisuuntainen virtaus

PFR:ssä lähtöaineet ja tuotteet kulkevat yhteen suuntaan reaktorin pituudella ilman takaisinsekoittumista.

Pitoisuusgradientti

Reagenssin pitoisuus ja tuotteet tässä reaktorissa muuttuvat reaktorin pituuden mukaan, vaikka se on yhdenmukainen kaikissa virtaukseen nähden pystysuorassa osassa.

Asumisaika

Viipymisaika PFR:n sisällä käytettyä erillistä reagenssitilavuutta kutsutaan viipymäajaksi ja se on stabiili kaikille tilavuuksille.

Plug Flow -reaktorin toimintaperiaate

Plug flow reaktori toimii hapettamalla alkoholeja ja muita orgaanisia yhdisteitä tuottaakseen hienokemikaaleja, kuten; pigmentit & väriaineet. Tämän reaktorin nesteet liikkuvat jatkuvalla ja tasaisella tavalla läpi putken tai putken. Reagenssit tulevat reaktorin toiseen päähän virtaamaan läpi reaktorin ja ovat toisessa päässä.

Tämän reaktorin tulppavirtauksen luonne varmistaa, että kemialliset lähtöaineet altistuvat samanlaisille olosuhteille PFR:n kautta ja että jokaisen reagoivan aineen viipymäaika on sama. Joten tulppavirtausreaktori on erinomainen valinta pääreaktioihin, jotka tarvitsevat tarkan säätöajan, lämpötilan ja paineen.

Plug Flow Reactor -kaavio

Tulppavirtausreaktorin suunnittelu voidaan tehdä jonkin tyyppisellä kapillaarilla, joka on pieni putki (tai kanava), joka on kiinnitetty levyyn. Tämä on jatkuva reaktorisarja, jossa on lähtöaineiden sisääntulo ja reaktorin sisällön ulostulo, joita tehdään jatkuvasti koko reaktorin toiminnan ajan.

Plug flow reaktorissa (PFR) ei ole sylinterimäistä sekoitinta, joka mahdollistaa nesteen kehittymisen mahdollisimman pienellä takaisinsekoituksella, minkä seurauksena kaikilla reaktoriin menevillä nestehiukkasilla on samanlainen viipymäaika . Tätä reaktoria voidaan varmasti pitää sarjana ohuita nesteviipaleita, jotka käsittävät pienen panosreaktorin, joka on täysin sekoitettu viipaleessa liikkuakseen eteenpäin reaktorissa kuin mäntä.

Yleisen massatasapainon yhtälö voidaan ilmaista seuraavalla tavalla yhdelle reaktorissa olevasta nesteviipaleesta:

Tulo = ulostulo + kulutus + kertymä

Yllä olevan lausekkeen jokaisen komponentin yksiköt ovat materiaalin ajonopeus, kuten mol/s.

Plug flow Reactor Equation Derivation

Plug-flow-reaktori on idealisoitu reaktori, jossa kaikilla tietyn osan hiukkasilla on sama nopeus ja liikesuunta. Plug flow reaktorissa (PFR) ei ole takaisinvirtausta tai sekoittumista, joten tulpan kaltaisen nesteen virtaus tulopuolelta ulostuloon on esitetty alla olevassa kuvassa.

Tämä reaktori luodaan riippuen massataseesta sekä lämpötasapainosta vaihtelevan nestemäärän sisällä. Jos kuvittelemme, että menettely on isoterminen, niin massatasapainoa tarkastellaan vain.

Jos kuvittelemme vakaan tilan olosuhteet, lähtöaineiden pitoisuudet eivät lopulta muutu. Se on tyypillinen PFR:n toimintatapa. PFR:n matemaattinen yhtälö voidaan kirjoittaa yksinkertaisesti seuraavasti;

udCi/dx = lähde

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Missä 'Ci' on reagoiva aine, 'i' on pitoisuus, 'u' on nesteen nopeus, 'νi' on stoikiometrinen kerroin, 'r' on reaktionopeus ja 'x' on sijainti reaktorissa. 'Caf' on reagoiva aine A pitoisuus reaktorin sisääntulossa ja 'L' on reaktorin pituus. Nesteen nopeus u mitataan tilavuusvirtauksen Fv (m3/s) ja reaktorin poikkileikkausalueen S (m^2) mukaan:

u = Fv/S

Ihanteellisessa PFR:ssä kaikki nestemäiset hiukkaset ovat olleet reaktorissa täsmälleen saman ajan, jota kutsutaan keskimääräiseksi viipymäksi mitattuna;

T = L/u

Viipymäaikatietoja käytetään tavallisesti kemiallisen reaktorin suunnittelussa muutos- ja poistumispitoisuuksien ennustamiseen.

Ensimmäisen asteen peruuttamaton reaktio

Tarkastellaan yksinkertaista hajoamisreaktiota:

A->B

Aina kun reaktio on peruuttamaton ja ensikertalainen, meillä on:

udCa/dx = -kCa

Missä 'k' on kineettinen vakio. Yleensä kineettinen vakio riippuu pääasiassa lämpötilasta. Yleensä Arrhenius-yhtälöä voidaan käyttää kuvaamaan tätä suhdetta. Tässä oletetaan isotermisiä olosuhteita, joten emme käytä tätä riippuvuutta.

Ensimmäisen asteen irreversiibelien reaktioiden malli voidaan ratkaista loogisesti. Joten ratkaisu on seuraava:

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Toisen asteen peruuttamaton reaktio

Toisen asteen palautumattoman reaktion esimerkissä käytetään seuraavaa:

2A -> B

Kun reaktio on peruuttamaton ja toissijainen, meillä on:

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

Plug Flow Reactorin ominaisuudet

Tulppavirtausreaktorin ominaisuudet sisältävät seuraavat.

• Plug-flow-reaktorin lähtöaineet virtaavat läpi reaktorin jatkuvana virtana sekoittumatta vain vähän tai ei ollenkaan.
• Reaktio PFR:ssä tapahtuu, kun reagoivat aineet liikkuvat reaktorin pituuden mukana.
• Reagenssien pitoisuus muuttuu reaktorin pituuden mukaan ja reaktionopeus on yleensä suurempi sisääntulossa.
• Näitä reaktoreita käytetään usein reaktioihin, joissa tarvitaan suuri määrä muutosta ja missä reaktionopeus ei reagoi absorption muutoksiin.
• Viipymäaika PFR:ssä on normaalisti lyhyt.
• Biofilmi muodostuu lähelle ilma-neste-rajapintaa simuloiden ympäristöjä, kuten suuonteloa, märkiä kalliopintoja ja suihkuverhoja.
• Tämäntyyppinen reaktori tuottaa tasaisen biokalvon alhaisella leikkausvoimalla, jota voidaan käyttää staattisen lasikuponkireaktorin tapaan mikrobisidin tehokkuuden tarkistamiseen.
• Tämän reaktorin biofilmi analysoidaan helposti eri menetelmillä, kuten elinkelpoisten levyjen määrällä, paksuuden määrityksellä ja valomikroskopialla.
• PFR:n lähtöaineita kulutetaan jatkuvasti, koska ne virtaavat alas reaktorin pituudella.
  Tyypillinen PFR voisi olla kiinteän materiaalin läpi pakattu putki.

Hyödyt ja haitat

The tulppavirtausreaktorin edut Sisällytä seuraavat.

• PFR:n etu CSTR:ään verrattuna on, että tällä reaktorilla on pieni tilavuus samanlaiselle tila-aika- ja konversiotasolle.
• Reaktori tarvitsee vähemmän tilaa ja että konversiomäärä on korkea PFR:ssä verrattuna CSTR:ään samanlaisella reaktoritilavuudella.
• Tätä reaktoria käytetään usein määritettäessä kaasufaasin katalyyttisen kinetiikkaprosessia.
• Nämä reaktorit ovat erittäin tehokkaita reaktioiden käsittelyssä ja suuressa joukossa 'tyypillisiä' reaktioita, joissa on suurempi muunnosnopeus jokaiselle reaktoritilavuudelle verrattuna CSTR:iin (Continuous Stirred-Tank Reactors).
• Reaktorit sopivat erittäin hyvin nopeisiin reaktioihin
• Lämmönsiirto PFR:ssä voidaan hallita melko paremmin säiliöreaktoreihin verrattuna, mikä johtaa erinomaiseen sopivuuteen erittäin eksotermisiin järjestelmiin
• Tulppavirtausluonteen ja takaisinsekoittumisen puuttumisen vuoksi kaikilla lähtöaineilla on tasainen viipymäaika, mikä johtaa luotettavaan tuotteen laatuun erityisesti silloin, kun valtavat viipymäajat johtavat kontaminaatioiden muodostumiseen ja hiiltymiseen ja moniin muihin.
• Plug flow -reaktorin huolto on helppoa, koska siinä ei ole liikkuvia elementtejä.
• Nämä ovat mekaanisesti yksinkertaisia.
• Sen muuntonopeus on korkea jokaisella reaktoritilavuudella.
• Tuotteiden laatu ei ole muuttunut.
• Erinomainen nopean reaktion tutkimiseen.
• Reaktorin tilavuutta käytetään erittäin tehokkaasti.
• Erinomainen suurikapasiteettisiin prosesseihin.
• Vähemmän paineen laskua.
• Takaisinsekoitusta ei ole
• Suora skaalautuvuus
• Tehokas oleskeluajan hallinta, lämpötilan säätö, tehokas sekoitus, erien välinen vaihtelu on rajoitettua jne.

The tulppavirtausreaktorin haitat Sisällytä seuraavat.

• PFR:ssä eksotermisen vasteen suorituskykyä on vaikea hallita, koska lämpötilaprofiilit ovat laajat.
• PFR:n ylläpito- ja käyttökustannukset ovat kalliita verrattuna CST:hen.
• Lämpötilan hallinta on reaktorille vaikeaa.
• Kuumia kohtia esiintyy reaktorissa aina, kun sitä käytetään eksotermisiin reaktioihin.
• Sitä on vaikea hallita koostumuksen ja lämpötilan vaihteluiden vuoksi.
• PFR:ien suunnittelu ja ylläpito on kallista niiden monimutkaisen suunnittelun ja kokoonpanon vuoksi.
• PFR:t on suunniteltu tyypillisesti tarkkoja reaktioita varten, eivätkä ne välttämättä pysty mukautumaan raaka-aineiden tai reaktio-olosuhteiden muutoksiin.
• Näitä on vaikea ylläpitää ja puhdistaa niiden kapean ja pitkän rakenteensa vuoksi.
• PFR:n reagoivat aineet voivat virrata epätasaisesti, mikä johtaa kuumiin kohtiin tai epätäydellisiin reaktioihin.
• On erittäin tärkeää pitää mielessä, että tulppavirtausreaktorit eivät sovi kaikkiin sovelluksiin. Joten on analysoitava huolellisesti viipymäaika, kinetiikka, selektiivisyyskysymykset jne., jotta voidaan päättää, minkä tyyppinen reaktori sopii sovellukseen.

Sovellukset

Plug-flow-reaktorien sovelluksia ovat seuraavat.

• PFR:iä käytetään yleisesti lannoitteiden, laajamittaisen kemian, petrokemian ja lääketeollisuuden tuotannossa.
• Näitä reaktoreita käytetään polymerointiprosesseissa, kuten polypropeenin ja polyeteenin tuotannossa.
• Plug flow reaktorit soveltuvat neste-kiinteä ja kaasu-kiinteä reaktiojärjestelmiin.
• Nämä sopivat heterogeenisiin tai homogeenisiin reaktioihin, kuten; öljyn ja rasvan hydraus.
• PFR:iä käytetään alkoholien ja muiden orgaanisten yhdisteiden hapettamiseen sekä hienokemikaalien, kuten pigmenttien ja väriaineiden, tuottamiseen.

Näin ollen tämä on yleiskuva tulppavirtausreaktorista , toiminta, edut, haitat ja sovellukset. Hyvän virtausreaktorin suunnittelu ja valinta on edelleen taidetta ja vuosien tietämys saa sinut kehittymään valintojen tekemisessä. Joskus tulppavirtausreaktori tunnetaan myös nimellä CTR (jatkuva putkireaktori). Idealisoidussa muodossa reaktioyhdistelmän muodon voidaan mitata koostuvan joistakin tulpista ja jokaisella tulpalla on tasainen pitoisuus. Tällä PFR:llä oletetaan, että reaktorissa ei ole aksiaalista sekoittumista, joten reaktorissa ei tapahdu takaisinsekoitusta. Tässä on sinulle kysymys, mikä on reaktori?