Il flusso a pistone è una caratteristica significativa di questi reattori, quindi due molecole qualsiasi possono essere immesse nel reattore in meno tempo ed uscire allo stesso tempo. Flusso a pistone reattore fornisce un controllo efficiente del tempo di reazione durante l'ottimizzazione della divisione dei reagenti e dei prodotti. Pertanto, per ottenere buone prestazioni nei reattori è necessario un buon flusso a pistone. Pertanto i reattori che utilizzano la chimica del flusso a pistone sono normalmente chiamati reattori a flusso a pistone o reattori PFR. Il reattore a flusso plug o PFR è un terzo reattore di tipo generale in cui i nutrienti vengono introdotti continuamente nel reattore e si muovono all'interno del reattore come un 'tappo'. Questo articolo discute una panoramica di a reattore a flusso plug-flow , il suo funzionamento e le sue applicazioni.
Cos'è un reattore a flusso plug?
Il reattore con flusso a pistone o reattore con flusso a pistone è un reattore a flusso idealizzato di tipo rettangolare che utilizza un flusso di fluido continuo per la lavorazione dei materiali attraverso un tubo. Questo reattore viene utilizzato per rappresentare reazioni chimiche all'interno di un tubo cilindrico in modo tale che tutte le combinazioni di reazioni chimiche verranno fornite ad una velocità simile lungo la direzione del flusso, quindi; non c'è integrazione o riflusso.
Questo reattore include un tubo cilindrico con aperture su ciascuna estremità per i reagenti e per i prodotti attraverso i quali vengono alimentati i reagenti. Per mantenere una reazione uniforme in questo reattore, al reattore viene fornita acqua a temperatura fissa. Il flusso a pistone viene prodotto in questo reattore introducendo continuamente materiale da un'estremità all'altra e rimuovendo continuamente i materiali. I materiali prodotti frequentemente in PFR sono; prodotti petrolchimici, polimeri, prodotti farmaceutici, ecc. Questi reattori hanno un'ampia gamma di applicazioni in sistemi in fase liquida o gassosa.
Il reattore a flusso plug fornisce un eccezionale controllo del tempo di residenza e delle condizioni di reazione. Pertanto forniscono elevati livelli di conversione e sono compatibili con reazioni attraverso un elevato rilascio di calore (o) sensibilità alle concentrazioni di reagente. Tuttavia, presentano alcune limitazioni senza la miscelazione radiale e semplicemente la miscelazione assiale.
Caratteristiche principali
Le caratteristiche principali di un reattore con flusso a pistone includono quanto segue.
Flusso unidirezionale
Nella PFR, i reagenti e i prodotti viaggiano in un’unica direzione lungo la lunghezza del reattore senza miscelazione.
Gradiente di concentrazione
La concentrazione dei reagenti e dei prodotti in questo reattore cambia con la lunghezza del reattore, sebbene sia coerente in qualsiasi sezione verticale al flusso.
Tempo di residenza
Tempo di residenza: un volume di reagente separato trascorso all'interno del PFR è chiamato tempo di residenza ed è stabile per tutti i volumi.
Principio di funzionamento del reattore a flusso plug
Il reattore a flusso plug funziona ossidando alcoli e altri composti organici per produrre prodotti chimici fini come; pigmenti e coloranti. I fluidi in questo reattore si muovono in modo continuo e uniforme attraverso un tubo. I reagenti entrano da un'estremità del reattore per fluire attraverso il reattore ed esistono all'altra estremità.
La natura del flusso a pistone in questo reattore garantisce che i reagenti chimici siano esposti a condizioni simili attraverso il PFR e che il tempo di permanenza di ogni reagente sia lo stesso. Pertanto, un reattore con flusso a pistone è una scelta eccezionale per le reazioni principali che richiedono il controllo esatto del tempo, della temperatura e della pressione residenti.
Diagramma del reattore a flusso plug
La progettazione di un reattore a flusso plug può essere eseguita con un qualche tipo di capillare che è un piccolo tubo (o) un canale fissato in una piastra. Si tratta di un set di reattori continui con un ingresso dei reagenti e un'uscita del contenuto del reattore che vengono eseguiti continuamente durante il funzionamento del reattore.
Un reattore a flusso plug (PFR) non ha un agitatore che ha una forma cilindrica che consente al fluido di svilupparsi con una quantità minima di contromiscelazione, di conseguenza tutte le particelle di fluido che entrano nel reattore hanno un tempo di residenza simile . Questo reattore può certamente essere considerato come una serie di sottili fette di fluido, comprendenti un minuscolo reattore batch, completamente agitato nella fetta per spostarsi all'interno del reattore come un pistone.
L'equazione per il bilancio di massa generale può essere espressa come la seguente per una delle sezioni di fluido all'interno del reattore:
Ingresso = Uscita + Consumo + Accumulo
Le unità di ogni componente dell'espressione di cui sopra sono una velocità di scorrimento del materiale come mol/sec.
Derivazione dell'equazione del reattore a flusso plug
Il reattore a flusso a pistone è un reattore idealizzato in cui tutte le particelle in una particolare sezione hanno la stessa velocità e direzione di movimento. In un reattore con flusso a tappo (PFR) non c'è riflusso o miscelazione, quindi il flusso di un fluido come un tappo dal lato di ingresso all'uscita è mostrato nella figura seguente.
Questo reattore viene creato in base al bilancio di massa e al bilancio termico all'interno di una quantità differenziale di fluido. Se immaginiamo che la procedura sia isotermica, viene considerato solo il bilancio di massa.
Se immaginiamo condizioni di stato stazionario, le concentrazioni dei reagenti alla fine non variano. È un tipico metodo di funzionamento del PFR. L'equazione matematica per PFR può essere scritta semplicemente come;
udCi/dx = sorgente
Ci(0) = Ci(f)
0 ≤ x ≤ L
Dove 'Ci' è il reagente, 'i' è la concentrazione, 'u' è la velocità del fluido, 'νi' è il coefficiente stechiometrico, 'r' è la velocità di reazione e 'x' è la posizione all'interno del reattore. 'Caf' è la concentrazione del reagente A all'ingresso del reattore e 'L' è la lunghezza del reattore. La velocità del fluido 'u' viene misurata in base alla portata volumetrica Fv (m3/s) e alla regione della sezione trasversale del reattore S (m^2):
u=Fv/S
In un PFR ideale, tutte le particelle liquide sono rimaste nel reattore esattamente per la stessa quantità di tempo chiamata residenza media, misurata come;
T =L/u
I dati del tempo di residenza vengono normalmente utilizzati nell'ingegneria dei reattori chimici per fare previsioni sulle variazioni e sulle concentrazioni di uscita.
Reazione irreversibile del primo ordine
Consideriamo una semplice reazione di decomposizione:
A–>B
Ogni volta che la reazione è irreversibile e del primo ordine, abbiamo:
udCa/dx = -kCa
Dove 'k' è una costante cinetica. In generale, la costante cinetica dipende principalmente dalla temperatura. In generale, per descrivere questa relazione è possibile utilizzare un'equazione di Arrhenius. Qui assumiamo condizioni isotermiche, quindi non utilizzeremo questa dipendenza.
Il modello per le reazioni irreversibili del primo ordine può essere risolto logicamente. Quindi la soluzione segue come;
Ca = Cafexp(-x*k/u)
Reazione irreversibile del secondo ordine
L'esempio di reazione irreversibile del secondo ordine consente di utilizzare quello seguente:
2A –> B
Una volta che la reazione è irreversibile e del secondo ordine, abbiamo:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
Caratteristiche del reattore a flusso plug
Le caratteristiche di un reattore con flusso a pistone includono quanto segue.
- I reagenti in un reattore con flusso a pistone fluiscono attraverso il reattore in un flusso continuo con una miscelazione minima o nulla.
- La reazione in PFR avviene quando i reagenti si muovono con la lunghezza del reattore.
- La concentrazione dei reagenti cambia con la lunghezza del reattore e la velocità di reazione è generalmente più elevata all’ingresso.
- Questi reattori vengono spesso utilizzati per reazioni ovunque sia necessaria una quantità elevata di cambiamento e ovunque la velocità di reazione non risponda alle variazioni di assorbimento.
- Il tempo di permanenza all'interno del PFR è normalmente breve.
- Il biofilm si forma vicino all’interfaccia aria-liquido simulando ambienti come la cavità orale, superfici rocciose bagnate e tende da doccia.
- Questo tipo di reattore genera un biofilm consistente a basso taglio che può essere utilizzato come il reattore statico in vetro per verificare l'efficacia dei microbicidi.
- Il biofilm di questo reattore viene analizzato facilmente con diversi metodi come il conteggio delle piastre vitali, la determinazione dello spessore e la microscopia ottica.
- I reagenti nel PFR vengono consumati continuamente perché scorrono lungo la lunghezza del reattore.
Un tipico PFR potrebbe essere un tubo impaccato attraverso un materiale solido.
Vantaggi e svantaggi
IL Vantaggi del reattore a flusso plug-flow include il seguente.
- Il vantaggio del PFR rispetto al CSTR è che questo reattore ha un volume basso per un livello di spazio-tempo e conversione simile.
- Il reattore necessita di meno spazio e che la quantità di conversione è elevata all'interno del PFR rispetto al CSTR per un volume di reattore simile.
- Questo reattore viene utilizzato frequentemente per decidere il processo cinetico catalitico in fase gassosa.
- Questi reattori sono molto efficaci nella gestione delle reazioni e per un ampio gruppo di reazioni 'tipiche' hanno un effetto con tassi di conversione più elevati per ciascun volume del reattore rispetto ai CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
- I reattori sono molto adatti per reazioni rapide
- Il trasferimento di calore nel PFR può essere gestito abbastanza meglio rispetto ai reattori a serbatoio, il che si traduce in un'eccellente idoneità per sistemi estremamente esotermici
- A causa del carattere del flusso a pistone e dell'assenza di retromiscelazione, esiste un tempo di residenza coerente per tutti i reagenti, che porta a una qualità del prodotto affidabile, in particolare laddove tempi di residenza enormi portano alla formazione di contaminazione, carbonizzazione e molto altro.
- La manutenzione del reattore con flusso a pistone è semplice poiché non sono presenti elementi in movimento.
- Questi sono semplici meccanicamente.
- Il suo tasso di conversione è elevato per ogni volume del reattore.
- La qualità del prodotto non è cambiata.
- Eccellente per studiare le reazioni rapide.
- Il volume del reattore viene utilizzato in modo molto efficiente.
- Eccellente per processi di grande capacità.
- Meno perdite di carico.
- Non è previsto alcun rimescolamento
- Scalabilità diretta
- Controllo efficiente del tempo di permanenza, controllo della temperatura, miscelazione efficiente, variazione limitata da lotto a lotto, ecc.
IL svantaggi del reattore a flusso plug-flow include il seguente.
- In un PFR, le prestazioni della risposta esotermica sono difficili da controllare a causa dell’ampia gamma di profili di temperatura.
- Per un PFR, le spese operative e di manutenzione sono costose rispetto al CST.
- Il controllo della temperatura è difficile per un reattore.
- Nel reattore si verificano punti caldi ogni volta che viene utilizzato per reazioni esotermiche.
- È difficile da controllare a causa della composizione e delle variazioni di temperatura.
- I PFR sono costosi da progettare e mantenere a causa della loro progettazione e assemblaggio complessi.
- I PFR sono generalmente progettati per reazioni precise e potrebbero non essere in grado di adattarsi ai cambiamenti nelle materie prime o nelle condizioni di reazione.
- Questi sono difficili da mantenere e pulire a causa del loro design stretto e lungo.
- I reagenti nel PFR possono fluire in modo non uniforme, il che porta a punti caldi o reazioni incomplete.
- È molto importante tenere presente che i reattori con flusso a pistone non possono adattarsi a tutte le applicazioni. Quindi è necessario analizzare attentamente il tempo di residenza, la cinetica, i problemi di selettività, ecc. per decidere quale tipo di reattore è adatto per un'applicazione.
Applicazioni
Le applicazioni dei reattori plug-flow includono quanto segue.
- I PFR sono comunemente utilizzati nella produzione di fertilizzanti, chimica, petrolchimica e farmaceutica su larga scala.
- Questi reattori vengono utilizzati nei processi di polimerizzazione come la produzione di polipropilene e polietilene.
- I reattori con flusso a pistone sono adatti per sistemi di reazione liquido-solido e gas-solido.
- Questi sono adatti per reazioni eterogenee o omogenee come; idrogenazione di oli e grassi.
- I PFR vengono utilizzati per ossidare alcoli e altri composti organici e per generare prodotti chimici fini come pigmenti e coloranti.
Quindi, questo è una panoramica del reattore con flusso a pistone , funzionamento, vantaggi, svantaggi e applicazioni. La progettazione e la selezione di un buon reattore a flusso è ancora un'arte e anni di conoscenza ti fanno migliorare nelle selezioni. A volte, un reattore con flusso a pistone è anche noto come CTR (reattore tubolare continuo). In una forma idealizzata, è possibile misurare la forma della combinazione di reazione in modo che sia composta da alcuni tappi e ogni tappo ha una concentrazione uniforme. Questo PFR presuppone che non vi sia miscelazione assiale, quindi non vi è alcuna miscelazione di ritorno nel reattore. Ecco una domanda per te: cos'è un reattore?
