Plug Flow Reactor : Λειτουργία, Παραγωγή, Χαρακτηριστικά & Εφαρμογές του

Η ροή βύσματος είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτών των αντιδραστήρων, επομένως οποιαδήποτε δύο μόρια μπορούν να εισαχθούν στον αντιδραστήρα σε λιγότερο χρόνο και να εξέλθουν ταυτόχρονα. Ροή βύσματος αντιδραστήρας παρέχει αποτελεσματικό χρόνο αντίδρασης ελέγχου κατά τη βελτιστοποίηση της διαίρεσης των αντιδρώντων καθώς και των προϊόντων. Επομένως, η καλή ροή βύσματος είναι απαραίτητη για καλή απόδοση στους αντιδραστήρες. Έτσι, οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν χημεία ροής βύσματος ονομάζονται συνήθως αντιδραστήρες ροής βύσματος ή αντιδραστήρες PFR. Ο αντιδραστήρας ροής βύσματος ή PFR είναι ένας τρίτος αντιδραστήρας γενικού τύπου όπου τα θρεπτικά συστατικά εισάγονται συνεχώς στον αντιδραστήρα και κινούνται σε όλο τον αντιδραστήρα ως «βύσμα». Αυτό το άρθρο εξετάζει μια επισκόπηση του α αντιδραστήρας ροής βύσματος , τη λειτουργία του και τις εφαρμογές του.

Τι είναι ένας αντιδραστήρας ροής βύσματος;

Ο αντιδραστήρας ροής βύσματος ή αντιδραστήρας ροής εμβόλου είναι ένας αντιδραστήρας εξιδανικευμένης ροής ορθογώνιου τύπου που χρησιμοποιεί μια συνεχή ροή ρευστού για την επεξεργασία υλικών σε ένα σωλήνα. Αυτός ο αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την απεικόνιση χημικών αντιδράσεων μέσα σε έναν κυλινδρικό σωλήνα έτσι ώστε όλοι οι συνδυασμοί χημικών αντιδράσεων να τροφοδοτούνται με παρόμοια ταχύτητα κατά μήκος της κατεύθυνσης ροής. δεν υπάρχει ενοποίηση ή αντίστροφη ροή.

Αυτός ο αντιδραστήρας περιλαμβάνει έναν κυλινδρικό σωλήνα με ανοίγματα σε κάθε άκρο για αντιδραστήρια καθώς και προϊόντα μέσω των οποίων τροφοδοτούνται τα αντιδραστήρια. Για τη διατήρηση μιας ομοιόμορφης αντίδρασης σε αυτόν τον αντιδραστήρα, παρέχεται νερό σε σταθερή θερμοκρασία στον αντιδραστήρα. Η ροή βύσματος παράγεται σε αυτόν τον αντιδραστήρα με την εισαγωγή υλικού συνεχώς από το ένα άκρο στο άλλο άκρο, αφαιρεί τα υλικά συνεχώς. Τα υλικά που παράγονται συχνά στο PFR, είναι: πετροχημικά, πολυμερή, φαρμακευτικά προϊόντα κ.λπ. Αυτοί οι αντιδραστήρες έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών είτε σε συστήματα υγρής είτε σε αέρια φάση.

Ο αντιδραστήρας ροής βύσματος παρέχει εξαιρετικό έλεγχο χρόνου παραμονής καθώς και συνθήκες αντίδρασης. Έτσι παρέχουν υψηλά επίπεδα μετατροπής και είναι συμβατά με αντιδράσεις μέσω υψηλής απελευθέρωσης θερμότητας (ή) ευαισθησίας στις συγκεντρώσεις του αντιδρώντος. Ωστόσο, έχουν κάποιους περιορισμούς χωρίς ακτινική ανάμειξη & απλά αξονική ανάμειξη.

Βασικά χαρακτηριστικά

Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

Μονοκατευθυντική ροή

Στην PFR, τα αντιδρώντα καθώς και τα προϊόντα ταξιδεύουν σε μία μόνο κατεύθυνση κατά μήκος του αντιδραστήρα χωρίς ανάμειξη.

Βαθμίδα συγκέντρωσης

Η συγκέντρωση του αντιδραστηρίου και τα προϊόντα σε αυτόν τον αντιδραστήρα αλλάζουν ανάλογα με το μήκος του αντιδραστήρα, αν και είναι συνεπή σε οποιοδήποτε τμήμα κάθετα προς τη ροή.

Χρόνος παραμονής

Χρόνος παραμονής Ένας ξεχωριστός όγκος αντιδραστηρίου που δαπανάται εντός του PFR ονομάζεται χρόνος παραμονής και είναι σταθερός για όλους τους όγκους.

Αρχή λειτουργίας αντιδραστήρα βύσματος ροής

Ο αντιδραστήρας πρίζας λειτουργεί οξειδώνοντας αλκοόλες και άλλες οργανικές ενώσεις για την παραγωγή λεπτών χημικών όπως π. χρωστικές και βαφές. Τα υγρά σε αυτόν τον αντιδραστήρα κινούνται με συνεχή και ομοιόμορφο τρόπο σε έναν σωλήνα ή σωλήνα. Τα αντιδρώντα εισέρχονται στο ένα άκρο του αντιδραστήρα για να ρέουν σε όλο τον αντιδραστήρα και υπάρχουν στο άλλο άκρο.

Η φύση της ροής βύσματος σε αυτόν τον αντιδραστήρα διασφαλίζει ότι τα χημικά αντιδρώντα εκτίθενται σε παρόμοιες συνθήκες μέσω του PFR και ότι κάθε χρόνος παραμονής του αντιδραστηρίου είναι ο ίδιος. Έτσι, ένας αντιδραστήρας ροής βύσματος είναι μια εξαιρετική επιλογή για κύριες αντιδράσεις που χρειάζονται ακριβή έλεγχο του χρόνου παραμονής, της θερμοκρασίας και της πίεσης.

Διάγραμμα Plug Flow Reactor

Ο σχεδιασμός ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος μπορεί να γίνει με κάποιο τύπο τριχοειδούς που είναι ένας μικρός σωλήνας (ή) ένα κανάλι στερεωμένο σε μια πλάκα. Αυτό είναι ένα σετ συνεχούς αντιδραστήρα με είσοδο αντιδραστηρίων & έξοδο του περιεχομένου του αντιδραστήρα που γίνονται συνεχώς καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του αντιδραστήρα.

Ένας αντιδραστήρας ροής βύσματος (PFR) δεν έχει αναδευτήρα που έχει κυλινδρικό σχήμα που επιτρέπει στο ρευστό να αναπτυχθεί με ελάχιστη ποσότητα ανάμειξης, με αποτέλεσμα όλα τα σωματίδια ρευστού που εισέρχονται στον αντιδραστήρα να έχουν παρόμοιο χρόνο παραμονής . Αυτός ο αντιδραστήρας μπορεί ασφαλώς να θεωρηθεί ως μια σειρά από λεπτές φέτες ρευστού, που περιλαμβάνει έναν μικροσκοπικό αντιδραστήρα παρτίδας, που αναδεύεται πλήρως στη φέτα για να κινηθεί προς τα εμπρός εντός του αντιδραστήρα σαν ένα έμβολο.

Η εξίσωση για το γενικό ισοζύγιο μάζας μπορεί να εκφραστεί ως εξής για μία από τις φέτες ρευστού εντός του αντιδραστήρα:

Είσοδος = Έξοδος + Κατανάλωση + Συσσώρευση

Οι μονάδες κάθε συστατικού της παραπάνω έκφρασης είναι ένας ρυθμός εκτέλεσης υλικού όπως mol/sec.

Παραγωγή εξίσωσης αντιδραστήρα ροής βύσματος

Ο αντιδραστήρας βύσματος είναι ένας εξιδανικευμένος αντιδραστήρας όπου όλα τα σωματίδια σε ένα συγκεκριμένο τμήμα έχουν την ίδια ταχύτητα και κατεύθυνση κίνησης. Σε έναν αντιδραστήρα ροής βύσματος (PFR) δεν υπάρχει αντίστροφη ροή ή ανάμιξη, επομένως η ροή ενός ρευστού όπως ένα βύσμα από την πλευρά εισόδου προς την έξοδο φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αυτός ο αντιδραστήρας δημιουργείται ανάλογα με το ισοζύγιο μάζας καθώς και το ισοζύγιο θερμότητας μέσα σε μια διαφορική ποσότητα ρευστού. Αν φανταστούμε ότι η διαδικασία είναι ισόθερμη, τότε λαμβάνεται υπόψη μόνο το ισοζύγιο μάζας.

Αν φανταστούμε συνθήκες σταθερής κατάστασης, οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων δεν μεταβάλλονται τελικά. Είναι μια τυπική μέθοδος λειτουργίας του PFR. Η μαθηματική εξίσωση για το PFR μπορεί να γραφτεί απλά ως:

udCi/dx = πηγή

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Όπου «Ci» είναι το αντιδρόν, «i» είναι η συγκέντρωση, «u» είναι η ταχύτητα του ρευστού, «νi» είναι ο στοιχειομετρικός συντελεστής, «r» είναι ο ρυθμός αντίδρασης και «x» είναι η θέση εντός του αντιδραστήρα. Το «Caf» είναι αντιδραστήριο Μια συγκέντρωση στην είσοδο του αντιδραστήρα & το «L» είναι το μήκος του αντιδραστήρα. Η ταχύτητα του ρευστού «u» μετριέται ανάλογα με τον ογκομετρικό ρυθμό ροής Fv (m3/s) & την περιοχή διατομής του αντιδραστήρα S (m^2):

u=Fv/S

Σε ένα ιδανικό PFR, όλα τα υγρά σωματίδια βρίσκονται στον αντιδραστήρα για ακριβώς την ίδια χρονική ποσότητα που ονομάζεται μέση παραμονή, μετρούμενη ως?

T =L/u

Τα δεδομένα χρόνου παραμονής χρησιμοποιούνται συνήθως στη μηχανική χημικών αντιδραστήρων για την πραγματοποίηση προβλέψεων των συγκεντρώσεων αλλαγής και εξόδου.

Μη αναστρέψιμη αντίδραση πρώτης τάξης

Ας εξετάσουμε μια απλή αντίδραση αποσύνθεσης:

Α–>Β

Όποτε η αντίδραση είναι μη αναστρέψιμη & πρώτης τάξης, έχουμε:

udCa/dx = -kCa

Όπου το «k» είναι μια κινητική σταθερά. Γενικά, η κινητική σταθερά εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία. Γενικά, μια εξίσωση Arrhenius μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει αυτή τη σχέση. Εδώ, υποθέτουμε ισοθερμικές συνθήκες, επομένως δεν θα χρησιμοποιήσουμε αυτήν την εξάρτηση.

Το μοντέλο για μη αναστρέψιμες αντιδράσεις πρώτης τάξης μπορεί να λυθεί λογικά. Η λύση λοιπόν έχει ως εξής.

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Μη αναστρέψιμη αντίδραση δεύτερης τάξης

Το παράδειγμα μη αναστρέψιμης αντίδρασης δεύτερης τάξης ας χρησιμοποιήσουμε το παρακάτω:

2Α –> σι

Μόλις η αντίδραση είναι μη αναστρέψιμη και δεύτερης τάξης, έχουμε:

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

Χαρακτηριστικά αντιδραστήρα ροής βύσματος

Τα χαρακτηριστικά ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Τα αντιδραστήρια σε έναν αντιδραστήρα βύσματος ροής ρέουν σε όλο τον αντιδραστήρα με συνεχή ροή με μικρή έως καθόλου ανάμειξη.
• Η αντίδραση στο PFR συμβαίνει όταν τα αντιδρώντα κινούνται με το μήκος του αντιδραστήρα.
• Η συγκέντρωση των αντιδραστηρίων αλλάζει ανάλογα με το μήκος του αντιδραστήρα και ο ρυθμός αντίδρασης είναι γενικά υψηλότερος κατά την είσοδο.
• Αυτοί οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται συχνά για αντιδράσεις όπου απαιτείται μεγάλη ποσότητα αλλαγής και όπου η ταχύτητα αντίδρασης δεν ανταποκρίνεται στις αλλαγές απορρόφησης.
• Ο χρόνος παραμονής εντός του PFR είναι συνήθως σύντομος.
• Το βιοφίλμ σχηματίζεται κοντά στη διεπαφή αέρα-υγρού προσομοιώνοντας περιβάλλοντα όπως η στοματική κοιλότητα, οι υγρές επιφάνειες βράχου και οι κουρτίνες ντους.
• Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα δημιουργεί ένα σταθερό βιοφίλμ σε χαμηλή διάτμηση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως ο αντιδραστήρας στατικού γυάλινου κουπονιού για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας του μικροβιοκτόνου.
• Το βιοφίλμ αυτού του αντιδραστήρα αναλύεται εύκολα με διαφορετικές μεθόδους, όπως μετρήσεις βιώσιμων πλακών, προσδιορισμό του πάχους και μικροσκοπία φωτός.
• Τα αντιδρώντα στο PFR καταναλώνονται συνεχώς επειδή ρέουν κατά μήκος του αντιδραστήρα.
  Ένα τυπικό PFR θα μπορούσε να είναι ένας σωλήνας γεμάτος από κάποιο στερεό υλικό.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

ο Πλεονεκτήματα του αντιδραστήρα ροής βύσματος περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Το πλεονέκτημα του PFR έναντι του CSTR είναι ότι αυτός ο αντιδραστήρας έχει χαμηλό όγκο για παρόμοιο επίπεδο χωροχρόνου και μετατροπής.
• Ο αντιδραστήρας χρειάζεται λιγότερο χώρο και ότι η ποσότητα μετατροπής είναι υψηλή εντός PFR σε σύγκριση με το CSTR για παρόμοιο όγκο αντιδραστήρα.
• Αυτός ο αντιδραστήρας χρησιμοποιείται συχνά για να αποφασίσει τη διαδικασία καταλυτικής κινητικής αέριας φάσης.
• Αυτοί οι αντιδραστήρες είναι πολύ αποτελεσματικοί στο χειρισμό των αντιδράσεων και για μια μεγάλη ομάδα «τυπικών» αντιδράσεων με υψηλότερους ρυθμούς μετατροπής για κάθε όγκο αντιδραστήρα σε σύγκριση με τους αντιδραστήρες CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• Οι αντιδραστήρες είναι πολύ κατάλληλοι για γρήγορες αντιδράσεις
• Η μεταφορά θερμότητας σε PFR μπορεί να διαχειρίζεται αρκετά καλύτερα σε σύγκριση με αντιδραστήρες δεξαμενών, γεγονός που οδηγεί σε εξαιρετική εφαρμογή για εξαιρετικά εξώθερμα συστήματα
• Λόγω του χαρακτήρα ροής βύσματος και της έλλειψης ανάμιξης, υπάρχει σταθερός χρόνος παραμονής για λογαριασμό όλων των αντιδρώντων, που οδηγεί σε αξιόπιστη ποιότητα προϊόντος, ιδιαίτερα όπου οι τεράστιοι χρόνοι παραμονής οδηγούν σε σχηματισμό μόλυνσης και απανθράκωση, και πολλά άλλα.
• Η συντήρηση του αντιδραστήρα ροής βύσματος είναι εύκολη επειδή δεν υπάρχουν κινούμενα στοιχεία.
• Αυτά είναι απλά μηχανικά.
• Ο ρυθμός μετατροπής του είναι υψηλός για κάθε όγκο αντιδραστήρα.
• Η ποιότητα του προϊόντος δεν έχει αλλάξει.
• Εξαιρετικό για τη μελέτη γρήγορων αντιδράσεων.
• Ο όγκος του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται πολύ αποτελεσματικά.
• Εξαιρετικό για διαδικασίες τεράστιας χωρητικότητας.
• Λιγότερες πτώσεις πίεσης.
• Δεν υπάρχει ανάμειξη
• Άμεση επεκτασιμότητα
• Ο αποτελεσματικός έλεγχος χρόνου της κατοικίας, ο έλεγχος θερμοκρασίας, η αποτελεσματική ανάμειξη, η διακύμανση από παρτίδα σε παρτίδα είναι περιορισμένη, κ.λπ.

ο μειονεκτήματα του αντιδραστήρα ροής βύσματος περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Σε ένα PFR, η απόδοση εξώθερμης απόκρισης είναι δύσκολο να ελεγχθεί λόγω του ευρέος φάσματος των προφίλ θερμοκρασίας.
• Για ένα PFR, οι δαπάνες συντήρησης και λειτουργίας είναι δαπανηρές σε σύγκριση με το CST.
• Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι δύσκολος για έναν αντιδραστήρα.
• Τα θερμά σημεία εμφανίζονται στον αντιδραστήρα όποτε χρησιμοποιούνται για εξώθερμες αντιδράσεις.
• Είναι δύσκολο να ελεγχθεί λόγω των διακυμάνσεων της σύνθεσης και της θερμοκρασίας.
• Τα PFR είναι ακριβά στη σχεδίαση και τη συντήρηση λόγω του πολύπλοκου σχεδιασμού και συναρμολόγησής τους.
• Τα PFR έχουν σχεδιαστεί συνήθως για ακριβείς αντιδράσεις και ενδέχεται να μην μπορούν να υποδεχτούν αλλαγές εντός των πρώτων υλών ή στις συνθήκες αντίδρασης.
• Είναι δύσκολο να συντηρηθούν και να καθαριστούν λόγω του στενού και μακριού σχεδίου τους.
• Τα αντιδρώντα στο PFR μπορεί να ρέουν άνισα, γεγονός που οδηγεί σε θερμά σημεία ή ατελείς αντιδράσεις.
• Είναι πολύ σημαντικό να έχουμε κατά νου ότι οι αντιδραστήρες βύσματος ροής δεν μπορούν να χωρέσουν σε όλες τις εφαρμογές. Πρέπει λοιπόν κανείς να αναλύσει προσεκτικά τον χρόνο παραμονής, την κινητική, τα ζητήματα επιλεκτικότητας κ.λπ. για να αποφασίσει ποιος τύπος αντιδραστήρα είναι κατάλληλος για μια εφαρμογή.

Εφαρμογές

Οι εφαρμογές των αντιδραστήρων βύσματος ροής περιλαμβάνουν τις ακόλουθες.

• Τα PFR χρησιμοποιούνται συνήθως στην παραγωγή λιπασμάτων, μεγάλης κλίμακας χημικών, πετροχημικών και φαρμακευτικών προϊόντων.
• Αυτοί οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες πολυμερισμού όπως η παραγωγή πολυπροπυλενίου και πολυαιθυλενίου.
• Οι αντιδραστήρες πρίζας είναι κατάλληλοι για συστήματα αντίδρασης υγρού-στερεού & αερίου-στερεού.
• Αυτά είναι κατάλληλα για ετερογενείς ή ομοιογενείς αντιδράσεις όπως: υδρογόνωση λαδιού και λίπους.
• Τα PFR χρησιμοποιούνται για οξειδωτικές αλκοόλες και άλλες οργανικές ενώσεις και για τη δημιουργία λεπτών χημικών ουσιών όπως χρωστικές και βαφές.

Έτσι, αυτό είναι μια επισκόπηση του αντιδραστήρα ροής βύσματος , εργασία, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και εφαρμογές. Ο σχεδιασμός και η επιλογή ενός αντιδραστήρα καλής ροής είναι ακόμα τέχνη και τα χρόνια γνώσης σας κάνουν να βελτιώνεστε στις επιλογές σας. Μερικές φορές, ένας αντιδραστήρας ροής βύσματος είναι επίσης γνωστός ως CTR (συνεχής σωληνοειδής αντιδραστήρας). Σε μια εξιδανικευμένη μορφή, το σχήμα του συνδυασμού αντίδρασης μπορεί να μετρηθεί ώστε να αποτελείται από μερικά βύσματα και κάθε βύσμα έχει ομοιόμορφη συγκέντρωση. Αυτό το PFR έχει την υπόθεση ότι δεν υπάρχει αξονική ανάμιξη, επομένως δεν υπάρχει ανάμειξη στον αντιδραστήρα. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ένας αντιδραστήρας;