Plug Flow reaktor: rad, izvođenje, karakteristike i njegove primjene

Plug flow je značajna karakteristika ovih reaktora, tako da bilo koje dvije molekule mogu ući u reaktor za manje vremena i izaći u isto vrijeme. Protok čepa reaktor pruža učinkovitu kontrolu vremena reakcije pri optimizaciji podjele reaktanata kao i proizvoda. Dakle, dobar protok čepa je neophodan za dobre performanse u reaktorima. Dakle, reaktori koji koriste plug flow kemiju obično se nazivaju plug flow reaktori ili PFR reaktori. Plug Flow Reactor ili PFR treći je reaktor općeg tipa u kojem se hranjive tvari kontinuirano uvode u reaktor i kreću kroz reaktor kao 'čep'. Ovaj članak govori o pregledu a plug flow reaktor , njegov rad i njegove primjene.

Što je Plug Flow Reactor?

Protočni reaktor s čepom ili klipni reaktor je idealizirani protočni reaktor pravokutnog tipa koji koristi kontinuirani protok tekućine za obradu materijala kroz cijev. Ovaj se reaktor koristi za prikazivanje kemijskih reakcija unutar cilindrične cijevi tako da će se sve kombinacije kemijskih reakcija dovoditi sličnom brzinom duž smjera protoka, dakle; nema integracije niti povratnog toka.

Ovaj reaktor uključuje cilindričnu cijev s otvorima na svakom kraju za reaktante kao i proizvode kroz koje se reaktanti dovode. Za održavanje jednolike reakcije u ovom reaktoru, u reaktor se dovodi voda na fiksnoj temperaturi. Protok čepa se proizvodi u ovom reaktoru kontinuiranim uvođenjem materijala s jednog kraja na drugi kraj, kontinuirano uklanja materijale. Materijali koji se često proizvode u PFR-u su; petrokemija, polimeri, lijekovi, itd. Ovi reaktori imaju širok raspon primjena u sustavima tekuće ili plinovite faze.

Plug flow reaktor pruža izvanrednu kontrolu vremena zadržavanja kao i reakcijskih uvjeta. Dakle, oni pružaju visoke razine pretvorbe i kompatibilni su s reakcijama kroz visoko oslobađanje topline (ili) osjetljivost na koncentracije reaktanta. Međutim, oni imaju neka ograničenja bez radijalnog miješanja i jednostavnog aksijalnog miješanja.

Glavne značajke

Ključne značajke plug flow reaktora uključuju sljedeće.

Jednosmjerni tok

U PFR-u, reaktanti kao i proizvodi putuju u jednom smjeru duž duljine reaktora bez povratnog miješanja.

Gradijent koncentracije

Koncentracija reaktanta i proizvodi u ovom reaktoru mijenjaju se s duljinom reaktora iako su dosljedni u bilo kojem dijelu okomitom na protok.

Vrijeme boravka

Vrijeme zadržavanja odvojenog volumena reaktanta koji se potroši unutar PFR-a naziva se vrijeme zadržavanja i stabilno je za sve volumene.

Princip rada Plug Flow reaktora

Plug flow reaktor radi oksidacijom alkohola i drugih organskih spojeva za proizvodnju finih kemikalija kao što su; pigmenti i boje. Tekućine u ovom reaktoru kreću se kontinuirano i ravnomjerno kroz cijev. Reaktanti ulaze na jednom kraju reaktora da teku kroz reaktor i postoje na drugom kraju.

Priroda protoka čepa u ovom reaktoru osigurava da su kemijski reaktanti izloženi sličnim uvjetima kroz PFR i da je vrijeme zadržavanja svakog reaktanta isto. Dakle, plug flow reaktor je izvanredan izbor za glavne reakcije koje zahtijevaju točnu kontrolu rezidentnog vremena, temperature i tlaka.

Dijagram reaktora protoka čepa

Projektiranje protočnog reaktora može se izvesti s nekom vrstom kapilare koja je mala cijev (ili) kanal pričvršćen na ploču. Ovo je kontinuirani reaktorski set s ulazom reaktanata i izlazom sadržaja reaktora koji se neprekidno rade tijekom rada reaktora.

Protočni reaktor (PFR) nema mješalicu koja ima cilindrični oblik koji omogućuje razvoj tekućine uz minimalnu količinu povratnog miješanja, kao rezultat toga, sve čestice tekućine koje ulaze u reaktor imaju slično vrijeme zadržavanja . Ovaj se reaktor svakako može smatrati nizom tankih tekućih kriški, koje se sastoje od sićušnog šaržnog reaktora, potpuno promiješanog u rezu kako bi se kretao naprijed unutar reaktora poput klipa.

Jednadžba za opću ravnotežu mase može se izraziti na sljedeći način za jednu od tekućina unutar reaktora:

Ulaz = Izlaz + Potrošnja + Akumulacija

Jedinice svake komponente gornjeg izraza su brzina kretanja materijala kao mol/sek.

Derivacija jednadžbe reaktora protoka čepa

Plug-flow reaktor je idealizirani reaktor u kojem sve čestice u određenom dijelu imaju istu brzinu i smjer gibanja. U reaktoru s protokom s čepom (PFR) nema povratnog toka ili miješanja, stoga je protok tekućine poput čepa od ulazne strane do izlaza prikazan na donjoj slici.

Ovaj reaktor nastaje ovisno o ravnoteži mase kao i toplinskoj ravnoteži unutar različite količine tekućine. Ako zamislimo da je postupak izoterman, tada se uzima u obzir samo bilanca mase.

Ako zamislimo stacionarne uvjete, koncentracije reaktanata se na kraju ne mijenjaju. To je tipična metoda rada PFR-a. Matematička jednadžba za PFR može se jednostavno napisati kao;

udCi/dx = izvor

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Gdje je 'Ci' reaktant, 'i' je koncentracija, 'u' je brzina tekućine, 'νi' je stehiometrijski koeficijent, 'r' je brzina reakcije & 'x' je položaj unutar reaktora. 'Caf' je koncentracija reaktanta A na ulazu u reaktor, a 'L' je duljina reaktora. Brzina fluida 'u' mjeri se ovisno o Fv (m3/s) volumetrijskom protoku i području poprečnog presjeka reaktora S (m^2):

u=Fv/S

U idealnom PFR-u, sve čestice tekućine bile su u reaktoru točno istu količinu vremena koja se naziva prosječno zadržavanje, mjereno kao;

T = L/u

Podaci o vremenu zadržavanja obično se koriste u inženjerstvu kemijskih reaktora za predviđanje promjena i izlaznih koncentracija.

Ireverzibilna reakcija prvog reda

Razmotrimo jednostavnu reakciju razgradnje:

A–>B

Kad god je reakcija nepovratna i prvog reda, imamo:

udCa/dx = -kCa

Gdje je 'k' kinetička konstanta. Općenito, kinetička konstanta uglavnom ovisi o temperaturi. Općenito, Arrheniusova jednadžba može se koristiti za opisivanje ovog odnosa. Ovdje pretpostavljamo izotermne uvjete, pa nećemo koristiti ovu ovisnost.

Model za ireverzibilne reakcije prvog reda može se riješiti logično. Dakle, rješenje slijedi kao;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Ireverzibilna reakcija drugog reda

Primjer ireverzibilne reakcije drugog reda upotrijebimo sljedeći:

2A –> B

Kad je reakcija ireverzibilna i drugog reda, imamo:

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

Karakteristike Plug Flow reaktora

Karakteristike plug flow reaktora uključuju sljedeće.

• Reaktanti u reaktoru s plutajućim protokom teku kroz reaktor kontinuiranim protokom s malo ili nimalo miješanja.
• Reakcija u PFR-u događa se kada se reaktanti pomiču s duljinom reaktora.
• Koncentracija reaktanata mijenja se s duljinom reaktora, a brzina reakcije općenito je veća na ulazu.
• Ovi se reaktori često koriste za reakcije gdje god je potrebna velika količina promjene i gdje god brzina reakcije ne reagira na promjene apsorpcije.
• Vrijeme boravka unutar PFR-a obično je kratko.
• Biofilm se formira blizu sučelja zrak-tekućina simulirajući okruženja kao što su usna šupljina, mokre kamene površine i zavjese za tuširanje.
• Ova vrsta reaktora stvara konzistentan biofilm pri niskom smicanju koji se može koristiti poput statičnog staklenog kupon reaktora za provjeru učinkovitosti mikrobicida.
• Biofilm ovog reaktora lako se analizira različitim metodama kao što su brojanje živih ploča, određivanje debljine i svjetlosna mikroskopija.
• Reaktanti u PFR-u se kontinuirano troše jer teku niz duljinu reaktora.
  Tipični PFR može biti cijev nabijena kroz neki čvrsti materijal.

Prednosti i nedostatci

The prednosti plug flow reaktora uključuju sljedeće.

• Prednost PFR-a u odnosu na CSTR je u tome što ovaj reaktor ima mali volumen za sličnu razinu prostor-vrijeme i konverziju.
• Reaktor treba manje prostora i da je količina pretvorbe visoka unutar PFR u usporedbi s CSTR za sličan volumen reaktora.
• Ovaj se reaktor često koristi za odlučivanje o procesu katalitičke kinetike u plinovitoj fazi.
• Ovi reaktori su vrlo učinkoviti u rukovanju reakcijama i za veliku skupinu 'tipičnih' reakcija učinak unutar viših stopa konverzije za svaki volumen reaktora u usporedbi s CSTR (reaktori s kontinuiranim miješanjem)
• Reaktori su vrlo pogodni za brze reakcije
• Prijenosom topline u PFR-u može se upravljati prilično bolje u usporedbi s reaktorima spremnika što dovodi do izvrsnog uklapanja u ekstremno egzotermne sustave
• Zbog karaktera protoka čepa i bez povratnog miješanja, postoji dosljedno vrijeme zadržavanja u ime svih reaktanata, što dovodi do pouzdane kvalitete proizvoda, posebno tamo gdje velika vremena zadržavanja dovode do stvaranja kontaminacije i pougljenjenja, i još mnogo toga.
• Održavanje Plug flow reaktora je jednostavno jer nema pokretnih elemenata.
• To su mehanički jednostavni.
• Njegova je stopa konverzije visoka za svaki volumen reaktora.
• Kvaliteta proizvoda se nije promijenila.
• Izvrsno za proučavanje brzih reakcija.
• Volumen reaktora koristi se vrlo učinkovito.
• Izvrsno za procese velikog kapaciteta.
• Manje padova tlaka.
• Nema povratnog miksanja
• Izravna skalabilnost
• Učinkovita kontrola vremena boravka, kontrola temperature, učinkovito miješanje, varijacije od serije do serije su ograničene, itd.

The nedostaci plug flow reactora uključuju sljedeće.

• U PFR-u je teško kontrolirati performanse egzotermnog odziva zbog širokog raspona temperaturnih profila.
• Za PFR su troškovi održavanja i rada skupi u usporedbi s CST-om.
• Kontrola temperature je teška za reaktor.
• Vruće točke nastaju u reaktoru kad god se koristi za egzotermne reakcije.
• Teško ga je kontrolirati zbog varijacija sastava i temperature.
• PFR-ovi su skupi za projektiranje i održavanje zbog njihovog složenog dizajna i sastavljanja.
• PFR-ovi su tipično dizajnirani za precizne reakcije i možda se neće moći prilagoditi promjenama unutar sirovina ili reakcijskih uvjeta.
• Teško ih je održavati i čistiti zbog njihovog uskog i dugačkog dizajna.
• Reaktanti u PFR-u mogu teći neravnomjerno što dovodi do vrućih točaka ili nepotpunih reakcija.
• Vrlo je važno imati na umu da reaktori s protokom utikača ne mogu odgovarati svim primjenama. Stoga se mora pažljivo analizirati vrijeme zadržavanja, kinetika, problemi selektivnosti itd. kako bi se odlučilo koja je vrsta reaktora prikladna za primjenu.

Prijave

Primjene plug-flow reaktora uključuju sljedeće.

• PFR se obično koriste u proizvodnji gnojiva, velikoj kemijskoj, petrokemijskoj i farmaceutskoj proizvodnji.
• Ovi se reaktori koriste u procesima polimerizacije poput proizvodnje polipropilena i polietilena.
• Plug flow reaktori prikladni su za reakcijske sustave tekućina-krutina i plin-krutina.
• Oni su prikladni za heterogene ili homogene reakcije poput; hidrogenizacija ulja i masti.
• PFR se koriste za oksidaciju alkohola i drugih organskih spojeva te za stvaranje finih kemikalija poput pigmenata i boja.

Dakle, ovo je pregled plug flow reaktora , rad, prednosti, nedostaci i primjene. Projektiranje i odabir dobrog protočnog reaktora još uvijek je umjetnost, a godine znanja omogućuju vam da se poboljšate u odabiru. Ponekad je protočni reaktor poznat i kao CTR (kontinuirani cijevni reaktor). U idealiziranom obliku, oblik reakcijske kombinacije može se izmjeriti da se sastoji od nekoliko čepova i svaki čep ima jednoliku koncentraciju. Ovaj PFR ima pretpostavku da nema aksijalnog miješanja tako da nema povratnog miješanja u reaktoru. Evo pitanja za vas, što je reaktor?