Plug Flow Reactor: работа, извеждане, характеристики и приложения

Запушващият поток е важна характеристика на тези реактори, така че всеки две молекули могат да влязат в реактора за по-малко време и да излязат едновременно. Щепсел поток реактор осигурява ефективно контролиране на времето за реакция при оптимизиране на разделянето на реагентите, както и на продуктите. Така че за добрата производителност в реакторите е необходим добър поток на тапата. Така че реакторите, които използват химия с плужен поток, обикновено се наричат ​​реактори с плужен поток или PFR реактори. Реакторът Plug Flow или PFR е трети реактор от общ тип, при който хранителните вещества се въвеждат непрекъснато в реактора и се движат из реактора като „тапа“. Тази статия обсъжда общ преглед на a щепселен поток реактор , работата му и приложенията му.

Какво е Plug Flow Reactor?

Реакторът с плунжиращ поток или реакторът с бутален поток е идеализиран поток от правоъгълен тип, който използва непрекъснат флуиден поток за обработка на материали в цялата тръба. Този реактор се използва за изобразяване на химични реакции в рамките на цилиндрична тръба, така че всички комбинации от химични реакции да се доставят с подобна скорост по посока на потока; няма интеграция или обратен поток.

Този реактор включва цилиндрична тръба с отвори на всеки край за реагенти, както и продукти, през които се подават реагентите. За поддържане на равномерна реакция в този реактор, към реактора се подава вода с фиксирана температура. Потокът на тапата се произвежда в този реактор чрез въвеждане на материал непрекъснато от единия край до другия край, той премахва материалите непрекъснато. Често произвежданите материали в PFR са; нефтохимикали, полимери, фармацевтични продукти и др. Тези реактори имат широк спектър от приложения както в течна, така и в газова фаза.

Реакторът със запушалка на потока осигурява изключителен контрол на времето на престой, както и реакционните условия. Така те осигуряват високи нива на преобразуване и са съвместими с реакции чрез високо отделяне на топлина (или) чувствителност към концентрации на реагент. Те обаче имат някои ограничения без радиално смесване и просто аксиално смесване.

Основни функции

Ключовите характеристики на реактора с плужен поток включват следното.

Еднопосочен поток

При PFR реагентите, както и продуктите се движат в една посока по дължината на реактора без обратно смесване.

Градиент на концентрация

Концентрацията на реагента и продуктите в този реактор се променят с дължината на реактора, въпреки че са постоянни във всяка секция, вертикална спрямо потока.

Време на престой

Времето на престой отделен обем на реагента, изразходван в рамките на PFR, се нарича време на престой и е стабилно за всички обеми.

Принцип на работа на Plug Flow Reactor

Plug flow реакторът работи чрез окисляване на алкохоли и други органични съединения за производство на фини химикали като; пигменти и багрила. Течностите в този реактор се движат непрекъснато и равномерно през тръба или тръба. Реагентите влизат в единия край на реактора, за да текат през реактора и съществуват в другия край.

Характерът на потока на тапата в този реактор гарантира, че химическите реагенти са изложени на подобни условия през PFR и че времето на престой на всеки реагент е едно и също. Така че реакторът с плунжиращ поток е изключителен избор за главни реакции, които се нуждаят от точен контрол на времето на престой, температурата и налягането.

Диаграма на реактора за запушалка

Проектирането на проточен реактор може да бъде направено с някакъв тип капиляр, който е малка тръба (или) канал, фиксиран в плоча. Това е непрекъснат реактор с вход за реагенти и изход за съдържанието на реактора, които се извършват непрекъснато по време на работата на реактора.

Реакторът с плунжиращ поток (PFR) няма бъркалка, която има цилиндрична форма, която позволява на флуида да се развива с минимално количество обратно смесване, в резултат на което всички частици на флуида, които влизат в реактора, имат подобно време на престой . Този реактор със сигурност може да се разглежда като поредица от тънки флуидни резени, включващи малък партиден реактор, напълно разбъркан в парчето, за да се движи напред в реактора като бутало.

Уравнението за общия масов баланс може да се изрази по следния начин за един от флуидните срезове в реактора:

Вход = Изход + Консумация + Натрупване

Единиците на всеки компонент от горния израз са скорост на движение на материала като mol/sec.

Извеждане на уравнението на реактора за запушалка

Plug-flow реакторът е идеализиран реактор, при който всички частици в определена секция имат една и съща скорост и посока на движение. В реактора с пробков поток (PFR) няма обратен поток или смесване, поради което потокът на флуид като пробка от страната на входа към изхода е показан на фигурата по-долу.

Този реактор се създава в зависимост от баланса на масата, както и от топлинния баланс в различно количество течност. Ако си представим, че процедурата е изотермична, тогава се взема предвид само масовият баланс.

Ако си представим стационарни условия, концентрациите на реагентите не се променят в крайна сметка. Това е типичен метод на работа на PFR. Математическото уравнение за PFR може да бъде написано просто като;

udCi/dx = източник

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Където „Ci“ е реагентът, „i“ е концентрацията, „u“ е скоростта на флуида, „νi“ е стехиометричният коефициент, „r“ е скоростта на реакцията и „x“ е позицията в реактора. „Caf“ е концентрация на реагент A на входа на реактора, а „L“ е дължината на реактора. Скоростта на флуида „u“ се измерва в зависимост от Fv (m3/s) обемен дебит и областта на напречното сечение на реактора S (m^2):

u=Fv/S

В идеален PFR всички течни частици са били в реактора за точно същото количество време, което се нарича средно пребиваване, измерено като;

T = L/u

Данните за времето на престой обикновено се използват в инженерството на химически реактори за извършване на прогнози за промяна и изходни концентрации.

Необратима реакция от първи ред

Нека разгледаме проста реакция на разлагане:

A–>B

Когато реакцията е необратима и от първи ред, имаме:

udCa/dx = -kCa

Където „k“ е кинетична константа. Като цяло кинетичната константа зависи главно от температурата. Като цяло уравнението на Арениус може да се използва за описание на тази връзка. Тук приемаме изотермични условия, така че няма да използваме тази зависимост.

Моделът за необратими реакции от първи ред може да бъде решен логически. Така че решението следва както;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Необратима реакция от втори ред

Примерът за необратима реакция от втори ред ни позволява да използваме следния:

2А –> б

След като реакцията е необратима и от втори ред, имаме:

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

Характеристики на Plug Flow Reactor

Характеристиките на проточния реактор включват следното.

• Реагентите в реактор с плужен поток текат през реактора в непрекъснат поток с малко или никакво смесване.
• Реакцията в PFR възниква, когато реагентите се движат с дължината на реактора.
• Концентрацията на реагентите се променя с дължината на реактора и скоростта на реакцията обикновено е по-висока на входа.
• Тези реактори често се използват за реакции, където е необходимо голямо количество промяна и където скоростта на реакцията не отговаря на промените в абсорбцията.
• Времето на престой в PFR обикновено е кратко.
• Биофилмът се образува близо до интерфейса въздух-течност, симулиращ среди като устната кухина, мокри каменни повърхности и завеси за душ.
• Този тип реактор генерира постоянен биофилм при ниско срязване, който може да се използва като статичния стъклен купонен реактор за проверка на ефективността на микробицида.
• Биофилмът на този реактор се анализира лесно с различни методи като преброяване на жизнеспособни пластини, определяне на дебелината и светлинна микроскопия.
• Реагентите в PFR се изразходват непрекъснато, защото се стичат по дължината на реактора.
  Типичен PFR може да бъде тръба, опакована през някакъв твърд материал.

Предимства и недостатъци

The предимства на plug flow реактора включват следното.

• Предимството на PFR пред CSTR е, че този реактор има малък обем за подобно ниво на пространство-време и преобразуване.
• Реакторът се нуждае от по-малко пространство и че количеството на преобразуване е високо в рамките на PFR в сравнение с CSTR за подобен обем на реактора.
• Този реактор се използва често за решаване на процеса на каталитична кинетика в газовата фаза.
• Тези реактори са много ефективни при справяне с реакции и за голяма група от „типични“ реакции ефект при по-високи скорости на преобразуване за всеки обем на реактора в сравнение с CSTR (реактори с непрекъснато разбъркване)
• Реакторите са много подходящи за бързи реакции
• Преносът на топлина в PFR може да се управлява доста по-добре в сравнение с резервоарните реактори, което води до отлично прилягане за изключително екзотермични системи
• Поради характера на потока на тапата и липсата на обратно смесване, има постоянно време на престой от името на всички реагенти, което води до надеждно качество на продукта, особено когато огромните времена на престой водят до образуване на замърсяване и овъгляване и много други.
• Поддръжката на реактора със запушалка е лесна, защото няма движещи се елементи.
• Те са прости механично.
• Скоростта му на преобразуване е висока за всеки обем на реактора.
• Качеството на продукта не се е променило.
• Отличен за изучаване на бързи реакции.
• Обемът на реактора се използва много ефективно.
• Отличен за процеси с голям капацитет.
• По-малко спадове на налягането.
• Няма обратно смесване
• Директна мащабируемост
• Ефикасен контрол на времето на пребиваване, контрол на температурата, ефективно смесване, вариациите от партида към партида са ограничени и т.н.

The недостатъци на plug flow реактора включват следното.

• В PFR ефективността на екзотермичния отговор е трудно да се контролира поради широкия диапазон от температурни профили.
• За PFR разходите за поддръжка и експлоатация са скъпи в сравнение с CST.
• Контролът на температурата е труден за един реактор.
• Горещи точки възникват в реактора винаги, когато се използва за екзотермични реакции.
• Трудно е да се контролира поради промени в състава и температурата.
• PFR са скъпи за проектиране и поддръжка поради сложния им дизайн и монтаж.
• PFR са проектирани обикновено за прецизни реакции и може да не са в състояние да поемат промени в суровините или реакционните условия.
• Те са трудни за поддръжка и почистване поради техния тесен и дълъг дизайн.
• Реагентите в PFR могат да протичат неравномерно, което води до горещи точки или непълни реакции.
• Много е важно да се има предвид, че проточните реактори не могат да се поберат във всички приложения. Така че човек трябва внимателно да анализира времето на престой, кинетиката, проблемите със селективността и т.н., за да реши какъв тип реактор е подходящ за приложение.

Приложения

Приложенията на реакторите с плужен поток включват следното.

• PFRs се използват често в торове, широкомащабно химическо, нефтохимическо и фармацевтично производство.
• Тези реактори се използват в процеси на полимеризация като производство на полипропилен и полиетилен.
• Проточните реактори с тапа са подходящи за реакционни системи течност-твърдо вещество и газ-твърдо вещество.
• Те са подходящи за хетерогенни или хомогенни реакции като; хидрогениране на масла и мазнини.
• PFR се използват за окисляване на алкохоли и други органични съединения и за генериране на фини химикали като пигменти и багрила.

По този начин, това е преглед на реактора с плунен поток , работа, предимства, недостатъци и приложения. Проектирането и изборът на добър проточен реактор все още е изкуство и годините знания ви карат да се усъвършенствате в избора. Понякога реакторът с плунжиращ поток е известен също като CTR (непрекъснат тръбен реактор). В идеализирана форма, формата на реакционната комбинация може да бъде измерена като съставена от няколко тапи и всяка тапа има еднаква концентрация. Този PFR има предположение, че няма аксиално смесване, така че няма обратно смесване в реактора. Ето един въпрос към вас, какво е реактор?