Plug Flow Reactor: werking, afleiding, kenmerken en toepassingen ervan

Plugflow is een belangrijk kenmerk van deze reactoren, zodat twee willekeurige moleculen in minder tijd de reactor kunnen binnenkomen en tegelijkertijd kunnen verlaten. Stekkerstroom reactor biedt een efficiënte controle van de reactietijd bij het optimaliseren van de verdeling van zowel reactanten als producten. Een goede propstroom is dus noodzakelijk voor goede prestaties in reactoren. Dus reactoren die plugstroomchemie gebruiken, worden normaal gesproken plugstroomreactoren of PFR-reactoren genoemd. De Plug Flow Reactor of PFR is een derde reactor van het algemene type waarbij de voedingsstoffen continu in de reactor worden geïntroduceerd en als een “plug” door de reactor bewegen. Dit artikel bespreekt een overzicht van a propstroomreactor , de werking ervan en de toepassingen ervan.

Wat is een plugstroomreactor?

De plugstroomreactor of zuigerstroomreactor is een geïdealiseerde stromingsreactor van het rechthoekige type die een continue vloeistofstroom gebruikt voor het verwerken van materialen door een buis. Deze reactor wordt gebruikt om chemische reacties binnen een cilindrische pijp weer te geven, zodat alle chemische reactiecombinaties met een vergelijkbare snelheid langs de stroomrichting worden geleverd, dus; er is geen integratie of terugstroom.

Deze reactor omvat een cilindrische pijp met aan elk uiteinde openingen voor zowel reactanten als producten waardoor reactanten worden aangevoerd. Om een ​​uniforme reactie in deze reactor te handhaven, wordt water met een vaste temperatuur aan de reactor toegevoerd. De propstroom wordt in deze reactor geproduceerd door materiaal continu van het ene uiteinde naar het andere uiteinde te introduceren. De materialen worden continu verwijderd. De veel geproduceerde materialen in PFR zijn; petrochemicaliën, polymeren, farmaceutische producten, enz. Deze reactoren hebben een breed scala aan toepassingen in zowel vloeistof- als gasfasesystemen.

De plugstroomreactor biedt een uitstekende regeling van de verblijftijd en reactieomstandigheden. Ze bieden dus een hoog conversieniveau en zijn compatibel met reacties door een hoge warmteafgifte (of) gevoeligheid voor concentraties van reactanten. Ze hebben echter enkele beperkingen zonder radiaal mengen en eenvoudigweg axiaal mengen.

Belangrijkste kenmerken

De belangrijkste kenmerken van een plugstroomreactor zijn onder meer de volgende.

Unidirectionele stroom

Bij PFR reizen zowel de reactanten als de producten in één richting over de lengte van de reactor zonder terugmenging.

Concentratiegradiënt

De concentratie en producten van de reactanten in deze reactor veranderen met de lengte van de reactor, hoewel deze consistent is over elke sectie verticaal ten opzichte van de stroming.

Verblijftijd

Verblijftijd Een afzonderlijk reactantvolume dat binnen de PFR wordt doorgebracht, wordt verblijftijd genoemd en is stabiel voor alle volumes.

Werkingsprincipe van de Plug Flow Reactor

Plugstroomreactor werkt door alcoholen en andere organische verbindingen te oxideren om fijne chemicaliën te produceren zoals; pigmenten en kleurstoffen. De vloeistoffen in deze reactor bewegen zich op een continue en uniforme manier door een pijp of buis. De reactanten komen aan het ene uiteinde van de reactor binnen, stromen door de reactor en bestaan ​​aan het andere uiteinde.

Het propstroomkarakter in deze reactor zorgt ervoor dat de chemische reactanten via de PFR worden blootgesteld aan vergelijkbare omstandigheden en dat de verblijftijd van elke reactant hetzelfde is. Een plugstroomreactor is dus een uitstekende keuze voor hoofdreacties waarbij exacte controle van de verblijftijd, temperatuur en druk nodig is.

Diagram van de plugstroomreactor

Het ontwerp van een plugstroomreactor kan worden uitgevoerd met een soort capillair, een buisje (of) een kanaal dat in een plaat is bevestigd. Dit is een continue reactorset met een inlaat van reactanten en een uitlaat van de reactorinhoud, die continu plaatsvinden tijdens de werking van de reactor.

Een plugstroomreactor (PFR) heeft geen roerder die een cilindrische vorm heeft waardoor de vloeistof zich kan ontwikkelen met een minimale hoeveelheid terugmenging, waardoor alle vloeistofdeeltjes die de reactor binnengaan een vergelijkbare verblijftijd hebben . Deze reactor kan zeker worden beschouwd als een reeks dunne vloeibare plakjes, bestaande uit een kleine batchreactor, volledig in de plak geroerd om als een zuiger vooruit te bewegen in de reactor.

De vergelijking voor de algemene massabalans kan als volgt worden uitgedrukt voor een van de vloeistofplakken in de reactor:

Inlaat = uitlaat + verbruik + accumulatie

De eenheden van elke component van de bovenstaande uitdrukking zijn een materiaalloopsnelheid zoals mol/sec.

Plugstroom Reactor Vergelijking Afleiding

Plug-flow reactor is een geïdealiseerde reactor waarbij alle deeltjes in een bepaalde sectie dezelfde snelheid en bewegingsrichting hebben. In een plugstroomreactor (PFR) is er geen terugstroming of menging, dus de stroming van een vloeistof zoals een plug van de inlaatzijde naar de uitlaat wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Deze reactor wordt gemaakt afhankelijk van de massabalans en de warmtebalans binnen een verschillende hoeveelheid vloeistof. Als we ons voorstellen dat de procedure isotherm is, wordt alleen naar de massabalans gekeken.

Als we ons stabiele omstandigheden voorstellen, variëren de concentraties van reactanten uiteindelijk niet. Het is een typische werkwijze voor PFR. De wiskundige vergelijking voor PFR kan eenvoudigweg worden geschreven als;

udCi/dx = bron

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Waar ‘Ci’ de reactant is, ‘i’ de concentratie is, ‘u’ de snelheid van de vloeistof is, ‘νi’ de stoichiometrische coëfficiënt is, ‘r’ de reactiesnelheid is en ‘x’ de positie binnen de reactor is. ‘Caf’ is de concentratie van reactant A bij de reactorinlaat en ‘L’ is de reactorlengte. De snelheid van vloeistof ‘u’ wordt gemeten afhankelijk van de volumetrische stroomsnelheid van Fv (m3/s) en het dwarsdoorsnedegebied van de reactor S (m^2):

u=Fv/S

In een ideale PFR zijn alle vloeistofdeeltjes precies even lang in de reactor geweest, wat een gemiddelde verblijftijd wordt genoemd, gemeten als;

T =L/u

De verblijftijdgegevens worden normaal gesproken binnen de chemische reactortechniek gebruikt voor het maken van voorspellingen van veranderings- en uitgangsconcentraties.

Onomkeerbare reactie van de eerste orde

Laten we een eenvoudige ontledingsreactie bekijken:

A–>B

Wanneer de reactie onomkeerbaar en van de eerste orde is, hebben we:

udCa/dx = -kCa

Waarbij ‘k’ een kinetische constante is. Over het algemeen hangt de kinetische constante voornamelijk af van de temperatuur. Over het algemeen kan een Arrhenius-vergelijking worden gebruikt om deze relatie te beschrijven. Hier gaan we uit van isotherme omstandigheden, dus we zullen deze afhankelijkheid niet gebruiken.

Het model voor onomkeerbare reacties van de eerste orde kan logisch worden opgelost. Dus de oplossing volgt als;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Onomkeerbare reactie van de tweede orde

Laten we voor het onomkeerbare reactievoorbeeld van de tweede orde het onderstaande gebruiken:

2A –> B

Zodra de reactie onomkeerbaar en van de tweede orde is, hebben we:

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

Kenmerken van de plugstroomreactor

De kenmerken van een plugstroomreactor omvatten het volgende.

• De reactanten in een propstroomreactor stromen in een continue stroom door de reactor met weinig tot geen menging.
• De reactie in PFR vindt plaats wanneer de reactanten met de reactorlengte meebewegen.
• De concentratie van reactanten verandert met de lengte van de reactor en de reactiesnelheid is over het algemeen hoger bij de ingang.
• Deze reactoren worden vaak gebruikt voor reacties waar een grote hoeveelheid verandering nodig is en waar de reactiesnelheid niet reageert op absorptieveranderingen.
• De verblijftijd binnen de PFR is normaal gesproken kort.
• De biofilm vormt zich dicht bij het lucht-vloeistofgrensvlak en simuleert omgevingen zoals de mondholte, natte rotsoppervlakken en douchegordijnen.
• Dit type reactor genereert een consistente biofilm met lage afschuiving die net als de statische glascouponreactor kan worden gebruikt om de effectiviteit van microbiciden te controleren.
• De biofilm van deze reactor kan eenvoudig worden geanalyseerd met verschillende methoden, zoals het aantal levensvatbare platen, bepaling van de dikte en lichtmicroscopie.
• De reactanten in PFR worden voortdurend verbruikt omdat ze door de lengte van de reactor stromen.
  Een typische PFR zou een buis kunnen zijn die door vast materiaal is gepakt.

Voor-en nadelen

De voordelen van plugstroomreactoren omvatten het volgende.

• Het PFR-voordeel ten opzichte van CSTR is dat deze reactor een laag volume heeft voor een vergelijkbaar ruimte-tijd- en conversieniveau.
• De reactor heeft minder ruimte nodig en dat de conversiehoeveelheid binnen PFR hoog is in vergelijking met CSTR voor een vergelijkbaar reactorvolume.
• Deze reactor wordt veelvuldig gebruikt om het katalytische kinetiekproces in de gasfase te bepalen.
• Deze reactoren zijn zeer effectief in het afhandelen van reacties en zorgen voor een grote groep “typische” reacties bij hogere conversiepercentages voor elk reactorvolume in vergelijking met CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• De reactoren zijn zeer geschikt voor snelle reacties
• Warmteoverdracht in PFR kan redelijk beter worden beheerd in vergelijking met tankreactoren, wat leidt tot een uitstekende pasvorm voor extreem exotherme systemen
• Vanwege het propstroomkarakter en het feit dat er geen terugmenging is, is er een consistente verblijftijd voor alle reactanten, wat leidt tot een betrouwbare productkwaliteit, vooral daar waar enorme verblijftijden leiden tot verontreinigingsvorming en verkoling, en nog veel meer.
• Het onderhoud van de plugstroomreactor is eenvoudig omdat er geen bewegende elementen zijn.
• Deze zijn mechanisch eenvoudig.
• Het conversiepercentage is hoog voor elk reactorvolume.
• De productkwaliteit is niet veranderd.
• Uitstekend om snelle reacties te bestuderen.
• Het reactorvolume wordt zeer efficiënt gebruikt.
• Uitstekend geschikt voor processen met grote capaciteit.
• Minder drukval.
• Er vindt geen terugmenging plaats
• Directe schaalbaarheid
• Efficiënte tijdscontrole van de verblijfplaats, temperatuurcontrole, efficiënt mengen, variatie tussen batches is beperkt, enz.

De nadelen van propstroomreactoren omvatten het volgende.

• In een PFR zijn de exotherme responsprestaties moeilijk te controleren vanwege het brede scala aan temperatuurprofielen.
• Voor een PFR zijn de onderhouds- en operationele uitgaven kostbaar in vergelijking met de CST.
• Temperatuurbeheersing is moeilijk voor een reactor.
• Wanneer de reactor wordt gebruikt voor exotherme reacties, ontstaan ​​er hotspots in de reactor.
• Het is moeilijk te controleren vanwege variaties in samenstelling en temperatuur.
• PFR's zijn duur in ontwerp en onderhoud vanwege hun complexe ontwerp en montage.
• PFR's zijn doorgaans ontworpen voor precieze reacties en zijn mogelijk niet in staat veranderingen in de grondstoffen of reactieomstandigheden op te vangen.
• Deze zijn lastig te onderhouden en schoon te maken vanwege hun smalle en lange ontwerp.
• De reactanten in PFR kunnen ongelijkmatig stromen, wat leidt tot hotspots of onvolledige reacties.
• Het is van groot belang om in gedachten te houden dat plugstroomreactoren niet in alle toepassingen passen. Men moet dus zorgvuldig de verblijftijd, kinetiek, selectiviteitskwesties, enz. analyseren om te beslissen welk type reactor geschikt is voor een toepassing.

Toepassingen

De toepassingen van plugstroomreactoren omvatten de volgende.

• PFR's worden vaak gebruikt in kunstmest en grootschalige chemische, petrochemische en farmaceutische productie.
• Deze reactoren worden gebruikt binnen polymerisatieprocessen zoals de productie van polypropyleen en polyethyleen.
• Plugstroomreactoren zijn geschikt voor vloeistof-vaste stof en gas-vaste stof reactiesystemen.
• Deze zijn geschikt voor heterogene of homogene reacties zoals; olie- en vethydrogenering.
• PFR's worden gebruikt voor het oxideren van alcoholen en andere organische verbindingen en voor het genereren van fijne chemicaliën zoals pigmenten en kleurstoffen.

Dit is dus het geval een overzicht van de plugstroomreactor , werking, voordelen, nadelen en toepassingen. Het ontwerpen en selecteren van een goede stromingsreactor is nog steeds een kunst en door jarenlange kennis word je beter in het maken van selecties. Soms wordt een plugstroomreactor ook wel een CTR (continue buisreactor) genoemd. In een geïdealiseerde vorm kan worden gemeten dat de vorm van de reactiecombinatie uit enkele pluggen bestaat en dat elke plug een uniforme concentratie heeft. Bij deze PFR wordt ervan uitgegaan dat er geen axiale menging plaatsvindt en er dus geen terugmenging in de reactor plaatsvindt. Hier is een vraag voor jou: wat is een reactor?