Παράδειγμα 3 Plug Flow Reactor: Εφαρμογή, Εργασία, Τύπος, Σχεδιασμός, Διάγραμμα

Ο συνεχής σωληνοειδής αντιδραστήρας είναι ένας άλλος όρος για το μοντέλο αντιδραστήρα βύσματος ροής ή PFR. Ας δούμε μερικά παραδείγματα της θεωρίας, της μορφής και της διάταξης ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος σε χρήση.

3 Παραδείγματα αντιδραστήρων βύσματος ροής δίνονται παρακάτω:

• Μια κουρτίνα μπάνιου
• Οι τοίχοι μιας μπανιέρας
• Διαρροή τοίχου φαραγγιού

Μια κουρτίνα μπάνιου

Οι καλύτερες κουρτίνες μπάνιου για την αποφυγή της ροής του νερού έξω από το ντους είναι αυτές από ακατέργαστο βαμβακερό καμβά, κάνναβης ή νάιλον. Παρόμοια με τα φυτίλια, οι κουρτίνες μπάνιου κατευθύνουν το νερό στη μπανιέρα διοχετεύοντάς το μέσα από το ύφασμα και προς τα κάτω. Δεν απαιτείται επένδυση. Αφού κάνετε ντους, ανοίξτε την κουρτίνα και κρεμάστε την έξω από τη μπανιέρα για να στεγνώσει.

Οι τοίχοι μιας μπανιέρας

Οι τοίχοι της μπανιέρας ή του ντους προστατεύονται από το νερό και την υγρασία με ένα κομψό φινίρισμα, το οποίο προσδίδει στο μπάνιο κάποια καλλιτεχνική όψη και χρώμα. Το ακρυλικό έχει αυξηθεί σε δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια ως το καλύτερο υλικό για τοίχους μπανιέρας συνολικά. Για να καλύψετε μια παλιά μπανιέρα, φύλλα από PVC πλαστικό ή ακρυλικό πλάθεται σε μέγεθος μπανιέρας, τοποθετείται πάνω του και στη συνέχεια κολλάται.

Διαρροή τοίχου φαραγγιού

Η διάβρωση είναι η κύρια αιτία των φαραγγιών. Το τρεχούμενο νερό ενός ποταμού διαβρώνει ή φθείρει το έδαφος και τους βράχους για χιλιάδες ή εκατομμύρια χρόνια για να δημιουργήσει μια κοιλάδα. Τα γρήγορα ρέματα που προέρχονται από τη βροχή ή το λιώσιμο του χιονιού από τις πιο υγρές περιοχές έχουν χαράξει μερικά από τα μεγαλύτερα και πιο γνωστά φαράγγια σε ξηρό έδαφος.

Εφαρμογή αντιδραστήρα βύσματος

Ένας κυλινδρικός σωλήνας με ανοίγματα για τη ροή των αντιδραστηρίων και των προϊόντων αποτελείται από αντιδραστήρες βύσματος ροής. Ας συζητήσουμε την εφαρμογή του αντιδραστήρα ροής βύσματος.

• Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, αντιδραστήρες βύσματος ροής χρησιμοποιούνται όταν μια χημική αντίδραση απαιτεί σημαντική ποσότητα εξώθερμος ή εκρηκτική ενέργεια.
• Για να βεβαιωθείτε ότι τα εξαρτήματα αναμειγνύονται στατικά, χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες βύσματος ροής.
• Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του οργάνου και του περιβάλλοντός του ήταν ασφαλής σε αντιδραστήρες βύσματος.
• Επί του παρόντος, βιοντίζελ και άλλα βιοκαύσιμα με μηχανισμό ανακύκλωσης παράγονται χρησιμοποιώντας αντιδραστήρες βύσματος ροής. Λόγω της λειτουργίας του σε σταθερή κατάσταση, ο αντιδραστήρας βύσματος ροής προτιμάται κυρίως για την παραγωγή βιοενέργειας. Επιπλέον, δεν απαιτείται ανάδευση ή διαφράγματα στον αντιδραστήρα βύσματος.  

Τυπικά, οι αντιδραστήρες βύσματος ροής λειτουργούν σε σταθερή κατάσταση. Καθώς τα αντιδραστήρια κινούνται προς τα κάτω στο μήκος του αντιδραστήρα, καταναλώνονται συνεχώς.

Λειτουργεί αντιδραστήρας ροής βύσματος

Σε μικτή ροή, ο ρυθμός αντίδρασης μειώνεται γρήγορα σε χαμηλή τιμή, ενώ στη ροή βύσματος, ο ρυθμός αντίδρασης μειώνεται σταδιακά σε όλο το σύστημα. Ας παρακολουθήσουμε τον αντιδραστήρα ροής βύσματος σε δράση.

• Το ρευστό που ρέει μέσω ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος μοντελοποιείται ως μια συλλογή συνεκτικών βυσμάτων που είναι απείρως λεπτά και έχουν ομοιόμορφες συνθέσεις.
• Κάθε βύσμα έχει μια μοναδική σύνθεση από αυτές που προηγήθηκαν και ακολουθούν καθώς κινούνται προς την αξονική κατεύθυνση του αντιδραστήρα.
• Η θεμελιώδης προϋπόθεση είναι ότι, καθώς ένα βύσμα διέρχεται μέσω ενός PFR, το ρευστό αναμιγνύεται τέλεια στην ακτινική κατεύθυνση αλλά δεν αναμιγνύεται καθόλου στην αξονική κατεύθυνση (όχι με το στοιχείο ανάντη ή κατάντη).
• Ως αποτέλεσμα, κάθε βύσμα αντιμετωπίζεται ως μια ξεχωριστή οντότητα και λειτουργεί ως ένας αντιδραστήρας απεριόριστα μικρής παρτίδας με ανάμειξη που πλησιάζει τον μηδενικό όγκο.
• Ο χρόνος παραμονής του στοιχείου βύσματος υπολογίζεται από τη θέση του στον αντιδραστήρα καθώς ρέει προς τα κάτω στον αντιδραστήρα ροής βύσματος.
• Η κατανομή του χρόνου παραμονής είναι συνεπώς μια ώθηση σε αυτή τη σύνθεση του ιδανικού αντιδραστήρα ροής βύσματος (μια μικρή, στενή λειτουργία ακίδας).

Για την εκτίμηση σημαντικών μεταβλητών του αντιδραστήρα, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους του αντιδραστήρα, χρησιμοποιείται το μοντέλο αντιδραστήρα ροής βύσματος για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς χημικών αντιδραστήρων με σωληνοειδές σχεδιασμό.

Σχεδιασμός αντιδραστήρα βύσματος

Ο ακριβής χρόνος παραμονής για τη μάζα που διέρχεται από τον αντιδραστήρα ποικίλλει από τον μέσο χρόνο παραμονής σε ένα CSTR σε έναν ιδανικό αντιδραστήρα βύσματος ροής. Ας δούμε τη διάταξη του αντιδραστήρα βύσματος.

• Οι αντιδραστήρες ροής βύσματος είναι επίσης γνωστοί ως αντιδραστήρες ροής εμβόλου, αντιδραστήρες ροής γυμνοσάλιαγκας, αντιδραστήρες τέλειας σωληνοειδούς ροής και αντιδραστήρες μη μικτής ροής.
• Το πρότυπο ροής του αντιδραστήρα ροής βύσματος είναι ροή βύσματος.
• Η ομαλή ροή ρευστού μέσω ενός αντιδραστήρα ροής βύσματος ορίζεται ως κανένα στοιχείο ρευστού που δεν περνά από πάνω ή δεν αναμιγνύεται με οποιοδήποτε άλλο στοιχείο μπροστά ή πίσω του.
• Σε έναν αντιδραστήρα βύσματος, το υγρό μπορεί πραγματικά να αναμιχθεί πλευρικά, αλλά πρέπει επίσης να υπάρχει ανάμιξη ή διάχυση σε όλη τη διαδρομή ροής.
• Ο ίσος χρόνος παραμονής για κάθε ρευστό στοιχείο στον αντιδραστήρα χρησιμεύει ως απαιτούμενη και επαρκής συνθήκη για τη ροή βύσματος.

Διάγραμμα αντιδραστήρα ροής βύσματος

Η τεχνική γρήγορης αντίδρασης στα συστήματα βύσματος ροής βασίζεται σε ένα κινητικό σύστημα ταχείας ροής συνεχούς ροής. Εδώ είναι ένα διάγραμμα ενός αντιδραστήρα βύσματος ροής.

Το χρονικό διάστημα μπορεί να προσδιοριστεί από τον ρυθμό ροής εάν είναι γνωστή η απόσταση μεταξύ του σημείου έναρξης της αντίδρασης και του ανιχνευτή προϊόντος. Ο χρόνος που απαιτείται για την επίτευξη της υψηλότερης απόδοσης μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί προσαρμόζοντας την απόσταση.

Τύπος αντιδραστήρα βύσματος ροής

Το γεγονός ότι το υλικό ρέει μέσω ενός αντιδραστήρα βύσματος είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του. Ας δούμε τον τύπο για έναν αντιδραστήρα βύσματος ροής.

• Δεδομένου ότι η σύνθεση του ρευστού ποικίλλει κατά μήκος του καναλιού ροής σε έναν αντιδραστήρα ροής βύσματος, η ισορροπία υλικού για ένα συστατικό αντίδρασης πρέπει να αντιπροσωπεύει ένα διαφορικό στοιχείο όγκου dV.
• (Ρυθμός ροής αντιδρώντος σε στοιχείο όγκου)= (Ρυθμός ροής αντιδρώντος εκτός στοιχείου όγκου) + (Ρυθμός απώλειας αντιδρώντος λόγω χημική αντίδραση εντός του στοιχείου όγκου) + (Ρυθμός συσσώρευσης αντιδρώντος σε στοιχείο όγκου)
• Ως αποτέλεσμα, η εξίσωση ισοζυγίου μάζας για το αντιδρόν Α λύνεται για μηδέν.
• Είσοδος = Έξοδος + Αντίδραση + Συσσώρευση + Εξαφάνιση.
• Τώρα, Φ_A = (Φ_A + dF_A)+(-r_A)dV, Τίποτα αυτό, dF_A = d[F_A0 (1 – Χ_A)] = -F_A0dX_A, Λαμβάνουμε κατά την αντικατάσταση, -F_A0dX_A = (-r_A)dV.
• Η εξίσωση για το Α στο διαφορικό τμήμα του αντιδραστήρα με όγκο dV είναι επομένως αυτή.
• Η φράση πρέπει να ενσωματωθεί για ολόκληρο τον αντιδραστήρα.
• F_A0, ο ρυθμός τροφοδοσίας, είναι πλέον σταθερός, αλλά είναι σαφές ότι το r_A εξαρτάται από τη συγκέντρωση ή τη μετατροπή του υλικού.
• Όταν ομαδοποιήσουμε τους όρους κατάλληλα, παίρνουμε,

• Για συγκεκριμένο ρυθμό τροφοδοσίας και απαραίτητη μετατροπή, η προαναφερθείσα εξίσωση επιτρέπει την εκτίμηση του μεγέθους του αντιδραστήρα.
• Εάν η τροφοδοσία στην οποία βασίζεται η μετατροπή, δείκτης 0, εισέλθει στον αντιδραστήρα που έχει μετατραπεί μερικώς, υπογράφεται και αναχωρεί σε μια μετατροπή που υποδηλώνεται με δείκτη f, λαμβάνουμε, ως μια πιο γενική έκφραση για αντιδραστήρες ροής βύσματος,

• Για ειδική περίπτωση συστήματος σταθερής πυκνότητας, X_A= 1 – C_A/C_A0 και, dX_A = dC_A/ C_A0.
• Σε αυτή την περίπτωση, η εξίσωση απόδοσης μπορεί να αναπαρασταθεί ως συνάρτηση της συγκέντρωσης ή

Μοντέλο αντιδραστήρα βύσματος

Οι θερμοκρασίες στους αντιδραστήρες ροής βύσματος μπορεί να είναι δύσκολο να διαχειριστούν και μπορούν να δημιουργήσουν δυσμενείς διαβαθμίσεις θερμοκρασίας. Ας δούμε πρώτα το μοντέλο του αντιδραστήρα βύσματος.

• Οι χημικές διεργασίες που συμβαίνουν μέσα σε ένα σωλήνα μοντελοποιούνται χρησιμοποιώντας έναν αντιδραστήρα βύσματος ροής.
• Ένα εξιδανικευμένο παράδειγμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία σχεδιασμού του αντιδραστήρα είναι ο αντιδραστήρας ροής βύσματος.
• Αυτό το ιστολόγιο υποθέτει ότι το μοντέλο αντιδραστήρα βύσματος ροής είναι αδιαβατικό και λειτουργεί σε σταθερή πίεση.
• Η μόνη αντίδραση που θεωρείται ότι συμβαίνει είναι μια αέρια φάση αποσύνθεση διαδικασία, η οποία ακολουθεί τον τύπο A -> 2B + C.

Επιπλέον, πιο ακριβή από τη συντήρηση CSTR είναι η συντήρηση του αντιδραστήρα βύσματος. Ένας βρόχος ανακύκλωσης επιτρέπει σε έναν αντιδραστήρα βύσματος ροής να λειτουργεί παρόμοια με α CSTR.

Συμπέρασμα

Με αυτή τη μελέτη, μπορούμε να συναγάγουμε το συμπέρασμα ότι, δεδομένου ότι οι αντιδραστήρες βύσματος ροής είναι ζωτικής σημασίας εργαλεία για την πρόβλεψη, θα πρέπει να χρησιμοποιείται προσοχή καθώς τα συστήματα πραγματικής ροής παρουσιάζουν σημαντική διακύμανση στους χρόνους παραμονής. Κατά την κλιμάκωση των αντιδραστήρων ροής, η κατανομή του χρόνου παραμονής είναι ένα από τα στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη.