Plug Flow Reactor: Arbeid, derivasjon, egenskaper og dens anvendelser

Pluggstrøm er en betydelig egenskap ved disse reaktorene, så alle to molekyler kan føres inn i reaktoren på kortere tid og gå ut samtidig. Plugg flyt reaktor gir en effektiv kontrollerende reaksjonstid ved optimalisering av oppdelingen av reaktanter så vel som produkter. Så god pluggstrøm er nødvendig for god ytelse i reaktorer. Så reaktorer som bruker pluggstrømskjemi kalles normalt pluggstrømsreaktorer eller PFR-reaktorer. Plug Flow Reactor eller PFR er en tredje generell type reaktor hvor næringsstoffene introduseres kontinuerlig til reaktoren og beveger seg gjennom reaktoren som en 'plugg'. Denne artikkelen diskuterer en oversikt over en pluggstrømsreaktor , dens virkemåte og applikasjonene.

Hva er en Plug Flow Reactor?

Pluggstrømningsreaktoren eller stempelstrømningsreaktoren er en idealisert strømningsreaktor av rektangulær type som bruker en kontinuerlig væskestrøm for å behandle materialer gjennom et rør. Denne reaktoren brukes til å avbilde kjemiske reaksjoner i et sylindrisk rør slik at alle de kjemiske reaksjonskombinasjonene vil bli tilført med en lignende hastighet langs strømningsretningen, således; det er ingen integrasjon eller tilbakestrømning.

Denne reaktoren inkluderer et sylindrisk rør med åpninger i hver ende for reaktanter samt produkter som reaktanter tilføres gjennom. For å opprettholde en jevn reaksjon i denne reaktoren tilføres vann ved en fast temperatur til reaktoren. Pluggstrømmen produseres i denne reaktoren ved å innføre materiale kontinuerlig fra den ene enden til den andre enden, den fjerner materialene kontinuerlig. De ofte produserte materialene i PFR, er; petrokjemikalier, polymerer, legemidler, etc. Disse reaktorene har et bredt spekter av bruksområder i enten væske- eller gassfasesystemer.

Pluggstrømningsreaktor gir en enestående oppholdstidskontroll samt reaksjonsbetingelser. Så de gir høye nivåer av konvertering og er kompatible med reaksjoner gjennom høy varmeavgivelse (eller) følsomhet for konsentrasjoner av reaktant. Imidlertid har de noen begrensninger uten radiell blanding og ganske enkelt aksial blanding.

Nøkkelegenskaper

Nøkkeltrekkene til en pluggstrømsreaktor inkluderer følgende.

Enveis strømning

I PFR beveger reaktantene så vel som produktene seg i en enkelt retning langs reaktorens lengde uten tilbakeblanding.

Konsentrasjonsgradient

Reaktantkonsentrasjonen og produktene i denne reaktoren endres med reaktorens lengde, selv om den er konsistent over alle seksjoner vertikalt til strømmen.

Oppholdstid

Oppholdstid et separat reaktantvolum som brukes innenfor PFR kalles oppholdstid og er stabilt for alle volumer.

Arbeidsprinsipp for pluggstrømreaktor

Pluggstrømreaktor fungerer ved å oksidere alkoholer og andre organiske forbindelser for å produsere fine kjemikalier som; pigmenter og fargestoffer. Væskene i denne reaktoren beveger seg på en kontinuerlig og jevn måte gjennom et rør eller rør. Reaktantene kommer inn i den ene enden av reaktoren for å strømme gjennom reaktoren og eksisterer i den andre enden.

Pluggstrømningsnaturen i denne reaktoren sikrer at de kjemiske reaktantene utsettes for lignende forhold gjennom PFR og at hver reaktantbotid er den samme. Så en pluggstrømreaktor er et enestående valg for hovedreaksjoner som trenger nøyaktig kontroll av beboertid, temperatur og trykk.

Pluggstrømningsreaktordiagram

Utformingen av en pluggstrømsreaktor kan gjøres med en type kapillær som er et lite rør (eller) en kanal festet til en plate. Dette er et kontinuerlig reaktorsett med et innløp av reaktanter og et utløp av reaktorinnholdet som gjøres kontinuerlig gjennom hele reaktordriften.

En pluggstrømsreaktor (PFR) har ikke en omrører som har en sylindrisk form som gjør at væsken kan utvikle seg med en minimumsmengde tilbakeblanding, som et resultat har alle væskepartiklene som går inn i reaktoren en lignende oppholdstid . Denne reaktoren kan absolutt betraktes som en serie tynne væskeskiver, bestående av en bitteliten batch-reaktor, fullstendig omrørt i skiven for å bevege seg fremover i reaktoren som et stempel.

Ligningen for generell massebalanse kan uttrykkes som følgende for en av væskeskivene i reaktoren:

Innløp = Utløp + Forbruk + Akkumulering

Enhetene til hver komponent i uttrykket ovenfor er en materialkjøringshastighet som mol/sek.

Pluggstrøm reaktorligningsavledning

Plug-flow reaktor er en idealisert reaktor der alle partikler i en bestemt seksjon har samme hastighet og bevegelsesretning. I en pluggstrømsreaktor (PFR) er det ingen tilbakestrømning eller blanding, derfor er strømmen av en væske som en plugg fra innløpssiden til utløpet vist i figuren nedenfor.

Denne reaktoren lages avhengig av massebalanse så vel som varmebalanse innenfor en differensiell mengde væske. Hvis vi forestiller oss at prosedyren er isoterm, så vurderes massebalanse bare.

Hvis vi forestiller oss steady-state forhold, varierer ikke reaktantkonsentrasjonene til slutt. Det er en typisk driftsmetode for PFR. Den matematiske ligningen for PFR kan skrives enkelt som;

udCi/dx = kilde

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Der 'Ci' er reaktanten, 'i' er konsentrasjon, 'u' er hastigheten til væsken, 'νi' er den støkiometriske koeffisienten, 'r' er reaksjonshastigheten og 'x' er posisjonen i reaktoren. 'Caf' er reaktant A-konsentrasjon ved reaktorinnløpet og 'L' er reaktorlengden. Hastigheten til væske 'u' måles avhengig av Fv (m3/s) volumetrisk strømningshastighet og tverrsnittsområdet til reaktoren S (m^2):

u=Fv/S

I en ideell PFR har alle væskepartiklene vært i reaktoren i nøyaktig samme tidsperiode som kalles en middelresidens, målt som;

T =L/u

Oppholdstidsdataene brukes vanligvis innen kjemisk reaktorteknikk for å lage spådommer om endring og utgangskonsentrasjoner.

Førsteordens irreversibel reaksjon

La oss vurdere en enkel nedbrytningsreaksjon:

A–>B

Når reaksjonen er irreversibel og første orden, har vi:

udCa/dx = -kCa

Hvor 'k' er en kinetisk konstant. Generelt avhenger kinetisk konstant hovedsakelig av temperatur. Generelt kan en Arrhenius-ligning brukes til å beskrive dette forholdet. Her antar vi isotermiske forhold, så vi vil ikke bruke denne avhengigheten.

Modellen for førsteordens irreversible reaksjoner kan løses logisk. Så løsningen følger som;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Andreordens irreversibel reaksjon

Andreordens irreversible reaksjonseksempel la oss bruke det nedenfor:

2A –> B

Når reaksjonen er irreversibel og andreordens, har vi:

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

Pluggstrømreaktoregenskaper

Egenskapene til en pluggstrømsreaktor inkluderer følgende.

• Reaktantene i en pluggstrømreaktor strømmer gjennom reaktoren i en kontinuerlig strøm med liten eller ingen blanding.
• Reaksjonen i PFR oppstår når reaktantene beveger seg med reaktorlengden.
• Konsentrasjonen av reaktanter endres med reaktorens lengde og reaksjonshastigheten er generelt høyere ved inngangen.
• Disse reaktorene brukes ofte til reaksjoner der det er nødvendig med store endringer og hvor reaksjonshastigheten ikke reagerer på absorpsjonsendringer.
• Oppholdstiden innenfor PFR er normalt kort.
• Biofilmen dannes nær luft-væske-grensesnittet og simulerer miljøer som munnhulen, våte steinoverflater og dusjforheng.
• Denne typen reaktorer genererer en konsistent biofilm med lav skjærkraft som kan brukes som den statiske glasskupongreaktoren for å kontrollere mikrobicideffektiviteten.
• Biofilmen til denne reaktoren analyseres enkelt med forskjellige metoder som levedyktige platetellinger, bestemmelse av tykkelse og lysmikroskopi.
• Reaktantene i PFR forbrukes kontinuerlig fordi de strømmer ned langs reaktorens lengde.
  En typisk PFR kan være et rør pakket gjennom et fast materiale.

Fordeler og ulemper

De plug flow reaktor fordeler Inkluder følgende.

• PFR-fordelen fremfor CSTR er at denne reaktoren har et lavt volum for et lignende rom-tid og konverteringsnivå.
• Reaktoren trenger mindre plass og at konverteringsmengden er høy innenfor PFR sammenlignet med CSTR for et lignende reaktorvolum.
• Denne reaktoren brukes ofte til å bestemme den katalytiske gassfase-kinetikkprosessen.
• Disse reaktorene er svært effektive i håndtering av reaksjoner og for en stor gruppe av 'typiske' reaksjoner effekt innenfor høyere konverteringshastigheter for hvert reaktorvolum sammenlignet med CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• Reaktorene egner seg meget godt for raske reaksjoner
• Varmeoverføring i PFR kan håndteres ganske bedre sammenlignet med tankreaktorer, noe som fører til en utmerket passform for ekstremt eksoterme systemer
• På grunn av pluggstrømkarakteren og uten tilbakeblanding, er det en konsistent oppholdstid på vegne av alle reaktanter, noe som fører til pålitelig produktkvalitet, spesielt der store oppholdstider fører til forurensningsdannelse og forkulling, og mange flere.
• Vedlikehold av pluggstrømreaktorer er enkelt fordi det ikke er noen bevegelige elementer.
• Disse er enkle mekanisk.
• Konverteringshastigheten er høy for hvert reaktorvolum.
• Produktkvaliteten har ikke endret seg.
• Utmerket å studere raske reaksjoner.
• Reaktorvolum brukes svært effektivt.
• Utmerket for prosesser med stor kapasitet.
• Færre trykkfall.
• Det er ingen tilbakeblanding
• Direkte skalerbarhet
• Effektiv tidskontroll av bosted, temperaturkontroll, effektiv blanding, batch-til-batch variasjon er begrenset, etc.

De ulemper med pluggstrømreaktor Inkluder følgende.

• I en PFR er eksoterm responsytelse vanskelig å kontrollere på grunn av det brede spekteret av temperaturprofiler.
• For en PFR er vedlikeholds- og driftsutgifter kostbare sammenlignet med CST.
• Temperaturkontroll er vanskelig for en reaktor.
• Hot spots oppstår i reaktoren når den brukes til eksoterme reaksjoner.
• Det er vanskelig å kontrollere på grunn av sammensetning og temperaturvariasjoner.
• PFR-er er dyre å designe og vedlikeholde på grunn av deres komplekse design og montering.
• PFR-er er typisk utformet for presise reaksjoner og er kanskje ikke i stand til å imøtekomme endringer i råmaterialer eller reaksjonsbetingelser.
• Disse er vanskelige å vedlikeholde og rengjøre på grunn av deres smale og lange design.
• Reaktantene i PFR kan flyte ujevnt som fører til hot spots eller ufullstendige reaksjoner.
• Det er veldig viktig å huske på at pluggstrømsreaktorer ikke kan passe i alle applikasjoner. Så man må analysere nøye oppholdstid, kinetikk, selektivitetsproblemer osv. for å bestemme hvilken type reaktor som er egnet for en applikasjon.

applikasjoner

Anvendelsene av pluggstrømreaktorer inkluderer følgende.

• PFR-er brukes ofte i gjødsel, storskala kjemisk, petrokjemisk og farmasøytisk produksjon.
• Disse reaktorene brukes i polymeriseringsprosesser som polypropylen- og polyetylenproduksjon.
• Pluggstrømsreaktorer er egnet for væske-faststoff- og gass-faste reaksjonssystemer.
• Disse er egnet for heterogene eller homogene reaksjoner som; olje- og fetthydrogenering.
• PFR-er brukes til å oksidere alkoholer og andre organiske forbindelser og for å generere fine kjemikalier som pigmenter og fargestoffer.

Dermed er dette en oversikt over pluggstrømsreaktor , arbeid, fordeler, ulemper og applikasjoner. Design og valg av en god strømningsreaktor er fortsatt en kunst, og mange års kunnskap gjør at du blir bedre i å gjøre valg. Noen ganger er en pluggstrømsreaktor også kjent som en CTR (kontinuerlig rørreaktor). I en idealisert form kan formen på reaksjonskombinasjonen måles til å bestå av noen plugger og hver plugg har en jevn konsentrasjon. Denne PFR har en antagelse om at det ikke er noen aksial blanding, så det er ingen tilbakeblanding i reaktoren. Her er et spørsmål til deg, hva er en reaktor?