Zátkový tok je významnou charakteristikou týchto reaktorov, takže akékoľvek dve molekuly môžu vstúpiť do reaktora v kratšom čase a vystúpiť v rovnakom čase. Zástrčný tok reaktor poskytuje efektívny riadiaci reakčný čas pri optimalizácii delenia reaktantov ako aj produktov. Pre dobrý výkon v reaktoroch je teda potrebný dobrý zátkový tok. Takže reaktory, ktoré využívajú chémiu s piestovým tokom, sa normálne nazývajú reaktory s piestovým tokom alebo reaktory PFR. Reaktor s blokovým tokom alebo PFR je tretím reaktorom všeobecného typu, kde sa živiny zavádzajú kontinuálne do reaktora a pohybujú sa v reaktore ako „zástrčka“. Tento článok pojednáva o prehľade a reaktor s piestovým tokom , jeho fungovanie a jeho aplikácie.
Čo je to plug-flow reaktor?
Reaktor s piestovým tokom alebo reaktor s piestovým tokom je reaktor s idealizovaným tokom obdĺžnikového typu, ktorý využíva kontinuálny tok tekutiny na spracovanie materiálov v rúre. Tento reaktor sa používa na znázornenie chemických reakcií vo valcovom potrubí tak, že všetky kombinácie chemických reakcií budú dodávané podobnou rýchlosťou v smere toku, teda; nedochádza k integrácii ani spätnému toku.
Tento reaktor obsahuje valcové potrubie s otvormi na každom konci pre reaktanty, ako aj produkty, cez ktoré sa reaktanty dodávajú. Na udržanie rovnomernej reakcie v tomto reaktore sa do reaktora privádza voda s pevnou teplotou. Piatkový tok sa v tomto reaktore vytvára kontinuálnym zavádzaním materiálu od jedného konca k druhému, čím sa materiály kontinuálne odstraňujú. Často vyrábané materiály v PFR sú; petrochemikálie, polyméry, liečivá atď. Tieto reaktory majú široký rozsah použitia v systémoch v kvapalnej alebo plynnej fáze.
Reaktor s piestovým tokom poskytuje vynikajúcu kontrolu doby zdržania, ako aj reakčných podmienok. Takže poskytujú vysoké úrovne konverzie a sú kompatibilné s reakciami prostredníctvom vysokej citlivosti na uvoľňovanie tepla (alebo) na koncentrácie reaktantov. Majú však určité obmedzenia bez radiálneho miešania a jednoducho axiálneho miešania.
Kľúčové vlastnosti
Kľúčové vlastnosti reaktora s piestovým tokom zahŕňajú nasledujúce.
Jednosmerný tok
V PFR sa reaktanty, ako aj produkty pohybujú v jednom smere pozdĺž dĺžky reaktora bez spätného miešania.
Koncentračný gradient
Koncentrácia reaktantov a produkty v tomto reaktore sa menia s dĺžkou reaktora, aj keď sú konzistentné v akejkoľvek sekcii vertikálne k toku.
Doba pobytu
Doba zotrvania Oddelený objem reaktantu, ktorý je spotrebovaný v PFR, sa nazýva doba zotrvania a je stabilný pre všetky objemy.
Princíp činnosti reaktora so zátkovým prietokom
Reaktor so zátkovým tokom funguje tak, že oxiduje alkoholy a iné organické zlúčeniny, čím sa vyrábajú jemné chemikálie, ako napr. pigmenty a farbivá. Tekutiny v tomto reaktore sa pohybujú kontinuálnym a rovnomerným spôsobom v potrubí alebo rúre. Reaktanty vstupujú na jeden koniec reaktora, aby prúdili celým reaktorom a existujú na druhom konci.
Povaha piestového toku v tomto reaktore zaisťuje, že chemické reaktanty sú vystavené podobným podmienkam prostredníctvom PFR a že doba pobytu každého reaktantu je rovnaká. Reaktor s piestovým tokom je teda vynikajúcou voľbou pre hlavné reakcie, ktoré vyžadujú presnú kontrolu času, teploty a tlaku.
Schéma zátkového prietokového reaktora
Konštrukcia reaktora s piestovým tokom môže byť uskutočnená s určitým typom kapiláry, ktorou je malá rúrka (alebo) kanál pripevnený do dosky. Toto je kontinuálna reaktorová zostava so vstupom reaktantov a výstupom obsahu reaktora, ktoré sa kontinuálne vykonávajú počas prevádzky reaktora.
Reaktor s piestovým tokom (PFR) nemá miešadlo, ktoré má valcový tvar, ktorý umožňuje, aby sa tekutina vyvíjala s minimálnym množstvom spätného miešania, výsledkom čoho je, že všetky častice tekutiny, ktoré idú do reaktora, majú podobný čas zotrvania. . Tento reaktor možno určite považovať za sériu tenkých plátkov tekutiny, obsahujúcich malý vsádzkový reaktor, úplne premiešaný v plátku, aby sa pohyboval dopredu v reaktore ako piest.
Rovnica pre všeobecnú hmotnostnú bilanciu môže byť vyjadrená nasledovne pre jeden z plátkov tekutiny v reaktore:
Vstup = Výstup + Spotreba + Akumulácia
Jednotky každej zložky vyššie uvedeného výrazu sú rýchlosťou toku materiálu ako mol/s.
Odvodenie rovnice reaktora so zátkovým tokom
Reaktor s piestovým tokom je idealizovaný reaktor, kde všetky častice v určitej sekcii majú rovnakú rýchlosť a smer pohybu. V reaktore s piestovým tokom (PFR) nedochádza k spätnému toku ani k miešaniu, takže tok tekutiny ako vložka zo vstupnej strany na výstup je znázornený na obrázku nižšie.
Tento reaktor vzniká v závislosti od hmotnostnej bilancie, ako aj tepelnej bilancie v rámci rozdielneho množstva tekutiny. Ak si predstavíme, že postup je izotermický, potom sa uvažuje iba o hmotnostnej bilancii.
Ak si predstavíme ustálené podmienky, koncentrácie reaktantov sa nakoniec nemenia. Je to typický spôsob fungovania PFR. Matematická rovnica pre PFR môže byť napísaná jednoducho ako;
udCi/dx = zdroj
Ci(0) = Ci(f)
0≤ x ≤ L
Kde „Ci“ je reaktant, „i“ je koncentrácia, „u“ je rýchlosť tekutiny, „νi“ je stechiometrický koeficient, „r“ je rýchlosť reakcie a „x“ je poloha v reaktore. „Caf“ je reaktant Koncentrácia na vstupe do reaktora & „L“ je dĺžka reaktora. Rýchlosť tekutiny „u“ sa meria v závislosti od objemového prietoku Fv (m3/s) a oblasti prierezu reaktora S (m^2):
u = Fv/S
V ideálnom PFR boli všetky kvapalné častice v reaktore presne rovnakú dobu, ktorá sa nazýva stredná rezidencia, meraná ako;
T = L/u
Údaje o dobe zdržania sa bežne používajú v rámci konštrukcie chemických reaktorov na predpovedanie zmien a výstupných koncentrácií.
Ireverzibilná reakcia prvého rádu
Zoberme si jednoduchú rozkladnú reakciu:
A–>B
Vždy, keď je reakcia nezvratná a prvého poriadku, máme:
udCa/dx = -kCa
Kde „k“ je kinetická konštanta. Vo všeobecnosti kinetická konštanta závisí hlavne od teploty. Vo všeobecnosti možno na opis tohto vzťahu použiť Arrheniovu rovnicu. Tu predpokladáme izotermické podmienky, takže túto závislosť nepoužijeme.
Model pre nezvratné reakcie prvého rádu je možné riešiť logicky. Takže riešenie je nasledovné;
Ca = Cafexp(-x*k/u)
Ireverzibilná reakcia druhého rádu
Príklad ireverzibilnej reakcie druhého rádu použijeme nižšie uvedený:
2A –> B
Akonáhle je reakcia nezvratná a druhého rádu, máme:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
Charakteristiky reaktora so zátkovým prietokom
Charakteristiky reaktora s piestovým tokom zahŕňajú nasledujúce.
- Reaktanty v reaktore s piestovým tokom prúdia celým reaktorom v kontinuálnom toku s malým alebo žiadnym miešaním.
- Reakcia v PFR nastáva, keď sa reaktanty pohybujú s dĺžkou reaktora.
- Koncentrácia reaktantov sa mení s dĺžkou reaktora a rýchlosť reakcie je vo všeobecnosti vyššia na vstupe.
- Tieto reaktory sa často používajú na reakcie všade tam, kde je potrebné veľké množstvo zmien a všade tam, kde rýchlosť reakcie nereaguje na zmeny absorpcie.
- Doba zotrvania v PFR je zvyčajne krátka.
- Biofilm sa tvorí v blízkosti rozhrania vzduch-kvapalina, ktorý simuluje prostredie, ako je ústna dutina, mokré skalné povrchy a sprchové závesy.
- Tento typ reaktora generuje konzistentný biofilm pri nízkom strihu, ktorý možno použiť ako reaktor so statickým skleneným kupónom na kontrolu účinnosti mikrobicídu.
- Biofilm tohto reaktora sa ľahko analyzuje rôznymi metódami, ako je počítanie živých platní, stanovenie hrúbky a svetelná mikroskopia.
- Reaktanty v PFR sa spotrebúvajú nepretržite, pretože stekajú po dĺžke reaktora.
Typickým PFR môže byť rúrka zabalená cez nejaký pevný materiál.
Výhody a nevýhody
The výhody reaktora s piestovým tokom zahŕňajú nasledujúce.
- Výhodou PFR oproti CSTR je, že tento reaktor má nízky objem pre podobnú časopriestorovú úroveň a úroveň konverzie.
- Reaktor potrebuje menej miesta a množstvo konverzie je vysoké v rámci PFR v porovnaní s CSTR pre podobný objem reaktora.
- Tento reaktor sa často používa na rozhodovanie o procese katalytickej kinetiky v plynnej fáze.
- Tieto reaktory sú veľmi účinné pri manipulácii s reakciami a pre veľkú skupinu „typických“ reakcií účinkujú pri vyšších rýchlostiach konverzie pre každý objem reaktora v porovnaní s CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
- Reaktory sú veľmi vhodné na rýchle reakcie
- Prenos tepla v PFR môže byť riadený oveľa lepšie v porovnaní s tankovými reaktormi, čo vedie k vynikajúcej vhodnosti pre extrémne exotermické systémy
- Vzhľadom na charakter piestového toku a bez spätného miešania existuje konzistentná doba zotrvania v mene všetkých reaktantov, čo vedie k spoľahlivej kvalite produktu, najmä tam, kde dlhé doby zdržania vedú k tvorbe kontaminácie a zuhoľnateniu a mnohým ďalším.
- Údržba reaktora so zátkovým prietokom je jednoduchá, pretože neobsahuje žiadne pohyblivé prvky.
- Tieto sú mechanicky jednoduché.
- Jeho miera konverzie je vysoká pre každý objem reaktora.
- Kvalita produktu sa nezmenila.
- Skvelé na štúdium rýchlych reakcií.
- Objem reaktora sa využíva veľmi efektívne.
- Vynikajúce pre procesy s veľkou kapacitou.
- Menší pokles tlaku.
- Nedochádza k spätnému miešaniu
- Priama škálovateľnosť
- Efektívna časová kontrola zotrvania, kontrola teploty, efektívne miešanie, variácia medzi dávkami je obmedzená atď.
The nevýhody reaktora s piestovým tokom zahŕňajú nasledujúce.
- V PFR je ťažké kontrolovať výkon exotermickej odozvy kvôli širokému rozsahu teplotných profilov.
- V prípade PFR sú náklady na údržbu a prevádzku v porovnaní s CST nákladné.
- Regulácia teploty je pre reaktor náročná.
- Horúce miesta sa vyskytujú v reaktore vždy, keď sa používa na exotermické reakcie.
- Je ťažké ho ovládať kvôli zloženiu a zmenám teploty.
- PFR sú drahé na dizajn a údržbu kvôli ich zložitému dizajnu a montáži.
- PFR sú zvyčajne navrhnuté pre presné reakcie a nemusia byť schopné prispôsobiť sa zmenám v surovinách alebo reakčných podmienkach.
- Tie sú náročné na údržbu a čistenie kvôli ich úzkemu a dlhému dizajnu.
- Reaktanty v PFR môžu prúdiť nerovnomerne, čo vedie k horúcim miestam alebo neúplným reakciám.
- Je veľmi dôležité mať na pamäti, že reaktory s piestovým tokom nemôžu byť vhodné pre všetky aplikácie. Preto je potrebné starostlivo analyzovať čas zotrvania, kinetiku, problémy so selektivitou atď., aby sa rozhodlo, aký typ reaktora je vhodný pre danú aplikáciu.
Aplikácie
Aplikácie reaktorov s piestovým tokom zahŕňajú nasledujúce.
- PFR sa bežne používajú pri výrobe hnojív, vo veľkej chemickej, petrochemickej a farmaceutickej výrobe.
- Tieto reaktory sa používajú v rámci polymerizačných procesov, ako je výroba polypropylénu a polyetylénu.
- Reaktory s piestovým tokom sú vhodné pre reakčné systémy kvapalina-pevná látka a plyn-pevná látka.
- Tieto sú vhodné pre heterogénne alebo homogénne reakcie, napr. hydrogenácia olejov a tukov.
- PFR sa používajú na oxidáciu alkoholov a iných organických zlúčenín a na vytváranie jemných chemikálií, ako sú pigmenty a farbivá.
Teda toto je prehľad reaktora s piestovým tokom , fungovanie, výhody, nevýhody a aplikácie. Dizajn a výber dobrého prietokového reaktora je stále umenie a vďaka dlhoročným znalostiam sa môžete zlepšovať pri výbere. Niekedy je reaktor s piestovým tokom známy aj ako CTR (kontinuálny rúrkový reaktor). V idealizovanej forme je možné merať tvar reakčnej kombinácie tak, že pozostáva z niekoľkých zátok a každá zátka má jednotnú koncentráciu. Tento PFR predpokladá, že nedochádza k axiálnemu miešaniu, takže nedochádza k spätnému miešaniu v reaktore. Tu je otázka pre vás, čo je reaktor?
