Реактор поршневого типа: принцип работы, происхождение, характеристики и применение

Поршневое течение является важной характеристикой этих реакторов, поэтому любые две молекулы могут войти в реактор за меньшее время и выйти одновременно. Пробковый поток реактор обеспечивает эффективный контроль времени реакции при оптимизации разделения реагентов и продуктов. Таким образом, для хорошей работы реакторов необходим хороший поршневой поток. Поэтому реакторы, в которых используется химия идеального поршневого типа, обычно называются реакторами идеального поршневого типа или реакторами PFR. Реактор поршневого потока или PFR — это реактор третьего общего типа, в котором питательные вещества непрерывно вводятся в реактор и движутся по всему реактору как «пробка». В этой статье рассматривается обзор реактор поршневого типа , его работа и его приложения.

Что такое реактор поршневого типа?

Реактор поршневого потока или реактор поршневого потока представляет собой идеализированный проточный реактор прямоугольного типа, в котором для обработки материалов по всей трубе используется непрерывный поток жидкости. Этот реактор используется для изображения химических реакций внутри цилиндрической трубы, так что все комбинации химических реакций будут проходить с одинаковой скоростью вдоль направления потока, таким образом; нет интеграции или обратного потока.

Этот реактор включает в себя цилиндрическую трубу с отверстиями на каждом конце для реагентов, а также продуктов, через которые подаются реагенты. Для поддержания равномерной реакции в этом реакторе в реактор подается вода фиксированной температуры. В этом реакторе поршневой поток создается путем непрерывного введения материала с одного конца на другой конец, при этом материалы непрерывно удаляются. Часто производимые материалы в PFR: нефтехимия, полимеры, фармацевтика и т. д. Эти реакторы имеют широкий спектр применения как в жидкостных, так и в газофазных системах.

Реактор поршневого потока обеспечивает превосходный контроль времени пребывания, а также условий реакции. Таким образом, они обеспечивают высокий уровень конверсии и совместимы с реакциями благодаря высокому выделению тепла (или) чувствительности к концентрациям реагента. Однако у них есть некоторые ограничения без радиального смешивания и просто осевого смешивания.

Ключевая особенность

Ключевые особенности реактора идеального вытеснения включают следующее.

Однонаправленный поток

В PFR реагенты и продукты перемещаются в одном направлении по длине реактора без обратного смешивания.

Градиент концентрации

Концентрация реагентов и продуктов в этом реакторе меняется в зависимости от длины реактора, хотя она одинакова на любом участке, вертикальном к потоку.

Время жительства

Время пребывания — отдельный объем реагента, расходуемый в PFR, называется временем пребывания и является стабильным для всех объемов.

Принцип работы реактора поршневого типа

Реактор поршневого потока работает путем окисления спиртов и других органических соединений для производства тонких химикатов, таких как; пигменты и красители. Жидкости в этом реакторе движутся непрерывно и равномерно по трубе или трубке. Реагенты поступают в один конец реактора, текут по всему реактору и существуют на другом конце.

Характер поршневого потока в этом реакторе гарантирует, что химические реагенты подвергаются воздействию одинаковых условий через PFR и что время пребывания каждого реагента одинаково. Таким образом, реактор поршневого типа является отличным выбором для основных реакций, требующих точного контроля времени пребывания, температуры и давления.

Схема реактора с поршневым потоком

Конструкция реактора идеального вытеснения может быть выполнена с использованием капилляра определенного типа, который представляет собой небольшую трубку (или) канал, прикрепленный к пластине. Это реактор непрерывного действия с входом реагентов и выпуском содержимого реактора, которые выполняются непрерывно на протяжении всей работы реактора.

Реактор поршневого потока (PFR) не имеет мешалки цилиндрической формы, которая позволяет жидкости развиваться с минимальным количеством обратного смешивания, в результате все частицы жидкости, поступающие в реактор, имеют одинаковое время пребывания. . Этот реактор, безусловно, можно рассматривать как серию тонких срезов жидкости, включающих крошечный реактор периодического действия, полностью перемешиваемый в срезе и перемещающийся внутри реактора, как поршень.

Уравнение общего баланса массы можно выразить следующим образом для одного из слоев жидкости внутри реактора:

Вход = Выход + Потребление + Накопление

Единицами каждого компонента приведенного выше выражения являются скорость движения материала, например моль/сек.

Вывод уравнения реактора с поршневым потоком

Реактор поршневого типа — это идеализированный реактор, в котором все частицы в определенной секции имеют одинаковую скорость и направление движения. В реакторе поршневого потока (PFR) нет обратного потока или смешивания, поэтому поток жидкости в виде пробки от входной стороны к выпускной показан на рисунке ниже.

Этот реактор создается в зависимости от баланса массы, а также баланса тепла в пределах различного количества жидкости. Если представить, что процедура изотермическая, то рассматривается только баланс масс.

Если представить себе стационарные условия, то концентрации реагентов со временем не изменяются. Это типичный метод работы ПФР. Математическое уравнение для PFR можно записать просто так:

udCi/dx = источник

Ci(0) = Ci(f)

0≤ х ≤ L

Где «Ci» — реагент, «i» — концентрация, «u» — скорость жидкости, «νi» — стехиометрический коэффициент, «r» — скорость реакции, «x» — положение внутри реактора. «Caf» — это концентрация реагента А на входе в реактор, а «L» — длина реактора. Скорость жидкости «u» измеряется в зависимости от объемного расхода Fv (м3/с) и площади поперечного сечения реактора S (м^2):

и=Фв/С

В идеальном PFR все жидкие частицы находились в реакторе точно одинаковое время, которое называется средним временем пребывания и измеряется как;

Т =Л/и

Данные о времени пребывания обычно используются в технологии химических реакторов для прогнозирования изменений и выходных концентраций.

Необратимая реакция первого порядка

Рассмотрим простую реакцию разложения:

А–>Б

Всякий раз, когда реакция необратима и имеет первый порядок, мы имеем:

udCa/dx = -kCa

Где «k» — кинетическая константа. Обычно кинетическая константа в основном зависит от температуры. Обычно для описания этой зависимости можно использовать уравнение Аррениуса. Здесь мы предполагаем изотермические условия, поэтому не будем использовать эту зависимость.

Модель необратимых реакций первого порядка решается логически. Итак, решение выглядит следующим образом:

Са = Cafeexp(-x*k/u)

Необратимая реакция второго порядка

В качестве примера необратимой реакции второго порядка давайте воспользуемся приведенным ниже:

2А -> Б

Если реакция необратима и имеет второй порядок, то мы имеем:

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

Характеристики реактора поршневого типа

Характеристики реактора идеального вытеснения включают следующее.

• Реагенты в реакторе поршневого типа текут по всему реактору непрерывным потоком практически без перемешивания.
• Реакция в ПФР происходит, когда реагенты движутся по длине реактора.
• Концентрация реагентов меняется в зависимости от длины реактора, и скорость реакции обычно выше на входе.
• Эти реакторы часто используются для реакций, когда требуется большое количество изменений и где скорость реакции не реагирует на изменения поглощения.
• Время пребывания в PFR обычно невелико.
• Биопленка образуется вблизи границы раздела воздух-жидкость, имитируя такие среды, как полость рта, влажные поверхности камней и занавески для душа.
• Реактор этого типа создает однородную биопленку с низким сдвигом, которую можно использовать как статический стеклянный купонный реактор для проверки эффективности микробицидов.
• Биопленку этого реактора легко анализировать с помощью различных методов, таких как подсчет жизнеспособных пластинок, определение толщины и световая микроскопия.
• Реагенты в PFR расходуются постоянно, поскольку они стекают по длине реактора.
  Типичный PFR может представлять собой трубку, заполненную твердым материалом.

Преимущества и недостатки

Преимущества реактора поршневого типа включая следующее.

• Преимущество PFR перед CSTR заключается в том, что этот реактор имеет небольшой объем при аналогичном уровне пространства-времени и конверсии.
• Реактору требуется меньше места, и степень конверсии в PFR высока по сравнению с CSTR для аналогичного объема реактора.
• Этот реактор часто используется для определения процесса газофазной каталитической кинетики.
• Эти реакторы очень эффективны в проведении реакций и для большой группы «типичных» реакций, при более высоких скоростях конверсии для каждого объема реактора по сравнению с CSTR (реакторами непрерывного действия с перемешиванием).
• Реакторы очень хорошо подходят для быстрых реакций.
• Теплопередачей в PFR можно управлять гораздо лучше по сравнению с резервуарными реакторами, что делает их идеальным решением для чрезвычайно экзотермических систем.
• Благодаря характеру поршневого потока и отсутствию обратного смешения, время пребывания всех реагентов одинаковое, что приводит к надежному качеству продукта, особенно там, где большое время пребывания приводит к образованию загрязнений, обугливанию и многому другому.
• Обслуживание реактора поршневого типа легкое, поскольку в нем нет движущихся элементов.
• Они просты механически.
• Скорость его конверсии высока для каждого объема реактора.
• Качество продукции не изменилось.
• Отлично подходит для изучения быстрых реакций.
• Объем реактора используется очень эффективно.
• Отлично подходит для процессов с большой производительностью.
• Меньше перепадов давления.
• Обратного смешивания нет.
• Прямая масштабируемость
• Эффективный контроль времени пребывания, контроль температуры, эффективное смешивание, ограничение изменений от партии к партии и т. д.

Недостатки реактора поршневого типа включая следующее.

• В PFR эффективность экзотермической реакции трудно контролировать из-за широкого диапазона температурных профилей.
• Для PFR расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию являются дорогостоящими по сравнению с CST.
• Регулирование температуры в реакторе затруднено.
• Горячие точки возникают в реакторе всякий раз, когда он используется для экзотермических реакций.
• Его трудно контролировать из-за изменений состава и температуры.
• PFR дорого проектировать и обслуживать из-за их сложной конструкции и сборки.
• PFR обычно разрабатываются для точных реакций и могут быть неспособны учитывать изменения в сырье или условиях реакции.
• Их трудно обслуживать и чистить из-за их узкой и длинной конструкции.
• Реагенты в PFR могут течь неравномерно, что приводит к образованию горячих точек или незавершенным реакциям.
• Очень важно помнить, что реакторы идеального вытеснения не могут подходить для всех применений. Поэтому необходимо тщательно проанализировать время пребывания, кинетику, вопросы селективности и т. д., чтобы решить, какой тип реактора подходит для конкретного применения.

Приложения

Применение реакторов поршневого типа включает следующее.

• PFR обычно используются в производстве удобрений, крупномасштабном химическом, нефтехимическом и фармацевтическом производстве.
• Эти реакторы используются в процессах полимеризации, таких как производство полипропилена и полиэтилена.
• Реакторы поршневого типа подходят для реакционных систем жидкость-твердое и газ-твердое.
• Они подходят для гетерогенных или гомогенных реакций, таких как; гидрирование масел и жиров.
• PFR используются для окисления спиртов и других органических соединений, а также для производства тонких химикатов, таких как пигменты и красители.

Таким образом, это обзор реактора идеального вытеснения , работа, преимущества, недостатки и приложения. Проектирование и выбор хорошего проточного реактора по-прежнему остаются искусством, и годы знаний позволяют вам совершенствоваться в выборе. Иногда реактор идеального вытеснения также называют CTR (трубчатый реактор непрерывного действия). В идеализированной форме можно измерить форму реакционной комбинации, состоящую из нескольких пробок, причем каждая пробка имеет одинаковую концентрацию. В этом PFR предполагается, что осевое смешивание отсутствует, поэтому в реакторе нет обратного смешивания. Вот вам вопрос, что такое реактор?