Plug Flow Reactor: Arbete, härledning, egenskaper och dess tillämpningar

Pluggflöde är en betydande egenskap hos dessa reaktorer, så två valfria molekyler kan föras in i reaktorn på kortare tid och lämnas samtidigt. Pluggflöde reaktor ger en effektiv styrande reaktionstid vid optimering av uppdelningen av såväl reaktanter som produkter. Så bra pluggflöde är nödvändigt för god prestanda i reaktorer. Så reaktorer som använder pluggflödeskemi kallas normalt pluggflödesreaktorer eller PFR-reaktorer. Plug Flow Reactor eller PFR är en tredje generell typ av reaktor där näringsämnena tillförs kontinuerligt till reaktorn och rör sig genom reaktorn som en 'plugg'. Den här artikeln diskuterar en översikt av en pluggflödesreaktor , dess funktion och dess tillämpningar.

Vad är en pluggflödesreaktor?

Pluggflödesreaktorn eller kolvflödesreaktorn är en idealiserad flödesreaktor av rektangulär typ som använder ett kontinuerligt vätskeflöde för att bearbeta material genom hela ett rör. Denna reaktor används för att avbilda kemiska reaktioner i ett cylindriskt rör så att alla kemiska reaktionskombinationer kommer att tillföras med en liknande hastighet längs flödesriktningen, alltså; det finns ingen integration eller backflow.

Denna reaktor inkluderar ett cylindriskt rör med öppningar i varje ände för reaktanter såväl som produkter genom vilka reaktanter tillförs. För att upprätthålla en enhetlig reaktion i denna reaktor tillförs vatten vid en fast temperatur till reaktorn. Pluggflödet produceras i denna reaktor genom att material kontinuerligt förs in från den ena änden till den andra änden, det tar bort materialen kontinuerligt. De ofta producerade materialen i PFR är; petrokemikalier, polymerer, läkemedel, etc. Dessa reaktorer har ett brett spektrum av tillämpningar i antingen vätske- eller gasfassystem.

Pluggflödesreaktor ger en enastående uppehållstidskontroll såväl som reaktionsförhållanden. Så de ger höga nivåer av omvandling och är kompatibla med reaktioner genom hög värmeavgivning (eller) känslighet för koncentrationer av reaktant. De har dock vissa begränsningar utan radiell blandning & helt enkelt axiell blandning.

Nyckelfunktioner

De viktigaste egenskaperna hos en pluggflödesreaktor inkluderar följande.

Enkelriktat flöde

I PFR färdas såväl reaktanterna som produkterna i en enda riktning längs reaktorns längd utan återblandning.

Koncentrationsgrad

Reaktantkoncentrationen och produkterna i denna reaktor förändras med reaktorns längd även om den är konsekvent över alla sektioner vertikalt mot flödet.

Uppehållstid

Uppehållstid en separat reaktantvolym som spenderas inom PFR kallas uppehållstid och är stabil för alla volymer.

Plug Flow Reactor Arbetsprincip

Plug flow reaktor fungerar genom att oxidera alkoholer och andra organiska föreningar för att producera fina kemikalier som; pigment och färgämnen. Vätskorna i denna reaktor rör sig på ett kontinuerligt och enhetligt sätt genom ett rör eller rör. Reaktanterna kommer in i ena änden av reaktorn för att strömma genom reaktorn och existerar i den andra änden.

Pluggflödesnaturen i denna reaktor säkerställer att de kemiska reaktanterna utsätts för liknande förhållanden genom PFR och att varje reaktantboendetid är densamma. Så en pluggflödesreaktor är ett enastående val för huvudreaktioner som behöver exakt kontroll av boendetid, temperatur och tryck.

Pluggflödesreaktordiagram

Utformningen av en pluggflödesreaktor kan göras med någon typ av kapillär som är ett litet rör (eller) en kanal fäst i en platta. Detta är en kontinuerlig reaktoruppsättning med ett inlopp av reaktanter och ett utlopp av reaktorinnehållet som görs kontinuerligt under hela reaktordriften.

En pluggflödesreaktor (PFR) har inte en omrörare som har en cylindrisk form som gör att vätskan kan utvecklas med en minimal mängd återblandning, som ett resultat av att alla vätskepartiklar som går in i reaktorn har en liknande uppehållstid . Denna reaktor kan förvisso betraktas som en serie tunna vätskeskivor, bestående av en liten satsreaktor, fullständigt omrörd i skivan för att röra sig framåt i reaktorn som en kolv.

Ekvationen för allmän massbalans kan uttryckas som följande för en av vätskeskivorna i reaktorn:

Inlopp = Utlopp + Förbrukning + Ackumulering

Enheterna för varje komponent i uttrycket ovan är en materialkörningshastighet som mol/sek.

Pluggflöde Reaktor Ekvationshärledning

Plug-flow reaktor är en idealiserad reaktor där alla partiklar i en viss sektion har samma hastighet och rörelseriktning. I en pluggflödesreaktor (PFR) finns det inget återflöde eller blandning, så flödet av en vätska som en plugg från inloppssidan till utloppet visas i bilden nedan.

Denna reaktor skapas beroende på massbalans såväl som värmebalans inom en differentiell mängd vätska. Om vi ​​föreställer oss att förfarandet är isotermiskt, så beaktas bara massbalansen.

Om vi ​​föreställer oss steady-state-förhållanden varierar inte reaktantkoncentrationerna så småningom. Det är en typisk arbetsmetod för PFR. Den matematiska ekvationen för PFR kan enkelt skrivas som;

udCi/dx = källa

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Där 'Ci' är reaktanten, 'i' är koncentration, 'u' är vätskans hastighet, 'νi' är den stökiometriska koefficienten, 'r' är reaktionshastigheten och 'x' är positionen i reaktorn. 'Caf' är reaktant A-koncentration vid reaktorinloppet & 'L' är reaktorlängden. Hastigheten för vätskan 'u' mäts beroende på Fv (m3/s) volymetrisk flödeshastighet och tvärsnittsområdet för reaktorn S (m^2):

u=Fv/S

I en idealisk PFR har alla vätskepartiklarna varit i reaktorn under exakt samma tidsperiod som kallas en medeluppehållstillstånd, mätt som;

T =L/u

Uppehållstidsdata används normalt inom kemisk reaktorteknik för att göra förutsägelser av förändringar och utgångskoncentrationer.

Första ordningens irreversibel reaktion

Låt oss överväga en enkel nedbrytningsreaktion:

A–>B

Närhelst reaktionen är oåterkallelig och första ordningen har vi:

udCa/dx = -kCa

Där 'k' är en kinetisk konstant. I allmänhet beror kinetisk konstant huvudsakligen på temperaturen. I allmänhet kan en Arrhenius-ekvation användas för att beskriva detta förhållande. Här antar vi isotermiska förhållanden, så vi kommer inte att använda detta beroende.

Modellen för första ordningens irreversibla reaktioner kan lösas logiskt. Så lösningen följer som;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Andra ordningens irreversibel reaktion

Exemplet med andra ordningens irreversibla reaktion låter oss använda nedanstående:

2A –> B

När reaktionen är irreversibel och andra ordningens har vi:

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

Egenskaper för pluggflödesreaktorn

Egenskaperna för en pluggflödesreaktor inkluderar följande.

• Reaktanterna i en pluggflödesreaktor strömmar genom reaktorn i ett kontinuerligt flöde med liten eller ingen blandning.
• Reaktionen i PFR uppstår när reaktanterna rör sig med reaktorlängden.
• Koncentrationen av reaktanter ändras med reaktorns längd och reaktionshastigheten är i allmänhet högre vid ingången.
• Dessa reaktorer används ofta för reaktioner där en stor mängd förändring är nödvändig och där reaktionshastigheten inte är känslig för absorptionsförändringar.
• Uppehållstiden inom PFR är normalt kort.
• Biofilmen bildas nära luft-vätskegränssnittet och simulerar miljöer som munhålan, våta stenytor och duschdraperier.
• Denna typ av reaktor genererar en konsekvent biofilm med låg skjuvning som kan användas som den statiska glaskupongreaktorn för att kontrollera mikrobicideffektiviteten.
• Biofilmen i denna reaktor analyseras enkelt med olika metoder som antal livsdugliga plattor, bestämning av tjocklek och ljusmikroskopi.
• Reaktanterna i PFR förbrukas kontinuerligt eftersom de rinner ner i reaktorns längd.
  En typisk PFR kan vara ett rör packat genom något fast material.

Fördelar och nackdelar

De proppflödesreaktorfördelar inkluderar följande.

• PFR-fördelen jämfört med CSTR är att denna reaktor har en låg volym för en liknande rum-tid och omvandlingsnivå.
• Reaktorn behöver mindre utrymme och att omvandlingsmängden är hög inom PFR jämfört med CSTR för en liknande reaktorvolym.
• Denna reaktor används ofta för att bestämma gasfaskatalytisk kinetikprocess.
• Dessa reaktorer är mycket effektiva för att hantera reaktioner och för en stor grupp av 'typiska' reaktioner effekt inom högre omvandlingshastigheter för varje reaktorvolym jämfört med CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• Reaktorerna är mycket väl lämpade för snabba reaktioner
• Värmeöverföring i PFR kan hanteras ganska bättre jämfört med tankreaktorer vilket leder till en utmärkt passform för extremt exoterma system
• På grund av pluggflödeskaraktären och att den inte har återblandning, finns det en konsekvent uppehållstid för alla reaktanter, vilket leder till pålitlig produktkvalitet, särskilt där enorma uppehållstider leder till föroreningsbildning och förkolning, och många fler.
• Underhåll av pluggflödesreaktorn är lätt eftersom det inte finns några rörliga element.
• Dessa är enkla mekaniskt.
• Dess omvandlingshastighet är hög för varje reaktorvolym.
• Produktkvaliteten har inte förändrats.
• Utmärkt att studera snabba reaktioner.
• Reaktorvolymen används mycket effektivt.
• Utmärkt för processer med stor kapacitet.
• Färre tryckfall.
• Det finns ingen bakblandning
• Direkt skalbarhet
• Effektiv tidskontroll av boende, temperaturkontroll, effektiv blandning, sats-till-batch-variation är begränsad, etc.

De nackdelar med pluggflödesreaktor inkluderar följande.

• I en PFR är exotermisk responsprestanda svår att kontrollera på grund av det breda intervallet av temperaturprofiler.
• För en PFR är underhålls- och driftskostnader dyra jämfört med CST.
• Temperaturkontroll är svårt för en reaktor.
• Hot spots uppstår i reaktorn när den används för exoterma reaktioner.
• Det är svårt att kontrollera på grund av sammansättning och temperaturvariationer.
• PFR:er är dyra att designa och underhålla på grund av deras komplexa design och montering.
• PFR:er är typiskt utformade för exakta reaktioner och kanske inte kan ta emot förändringar i råmaterial eller reaktionsförhållanden.
• Dessa är svåra att underhålla och rengöra på grund av sin smala och långa design.
• Reaktanterna i PFR kan flöda ojämnt vilket leder till hot spots eller ofullständiga reaktioner.
• Det är mycket viktigt att komma ihåg att pluggflödesreaktorer inte kan passa i alla applikationer. Så man måste noggrant analysera uppehållstid, kinetik, selektivitetsfrågor etc för att bestämma vilken typ av reaktor som är lämplig för en applikation.

Ansökningar

Tillämpningarna av pluggflödesreaktorer inkluderar följande.

• PFR används ofta i gödningsmedel, storskalig kemisk, petrokemisk och farmaceutisk produktion.
• Dessa reaktorer används inom polymerisationsprocesser som polypropen- och polyetenproduktion.
• Pluggflödesreaktorer är lämpliga för vätske-fasta och gas-fasta reaktionssystem.
• Dessa är lämpliga för heterogena eller homogena reaktioner som; hydrering av olja och fett.
• PFR används för att oxidera alkoholer och andra organiska föreningar och för att generera fina kemikalier som pigment och färgämnen.

Detta är alltså en översikt över pluggflödesreaktorn , arbete, fördelar, nackdelar och tillämpningar. Design & val av en bra flödesreaktor är fortfarande en konst & år av kunskap gör att du blir bättre på att göra urval. Ibland är en pluggflödesreaktor också känd som en CTR (continuous tubular reactor). I en idealiserad form kan formen på reaktionskombinationen mätas så att den består av några pluggar och varje plugg har en enhetlig koncentration. Denna PFR antar att det inte finns någon axiell blandning så det finns ingen återblandning i reaktorn. Här är en fråga till dig, vad är en reaktor?