3 Esempio di reattore a flusso a pistone: applicazione, funzionamento, formula, progetto, diagramma

Il reattore tubolare continuo è un altro termine per il modello di reattore a flusso a pistone, o PFR. Prendiamo alcuni esempi della teoria, della forma e del layout di un reattore a flusso a pistone in uso.

3 Di seguito sono riportati esempi di reattori con flusso a pistone:

  • Una tenda da doccia
  • Le pareti di una vasca da bagno
  • Un'infiltrazione nella parete di un canyon

Una tenda da doccia

Le migliori tende da doccia per evitare che l'acqua fuoriesca dalla doccia sono quelle realizzate in tela di cotone non trattato, canapa o nylon. Simile agli stoppini, le tende da doccia dirigono l'acqua nella vasca incanalandola attraverso il tessuto e verso il basso. Non è richiesto alcun rivestimento. Dopo aver fatto la doccia, apri la tenda e appendila fuori dalla vasca ad asciugare.

Le pareti di una vasca da bagno

Le pareti della vasca da bagno o della doccia sono protette dall'acqua e dall'umidità grazie a una finitura elegante, che conferisce al bagno un tocco artistico e colore. L'acrilico è diventato popolare negli ultimi anni come materiale migliore per le pareti della vasca da bagno in generale. Per coprire una vecchia vasca, fogli di PVC la plastica o l'acrilico vengono modellati nelle dimensioni di una vasca, posizionati sopra e quindi incollati.

Un'infiltrazione nella parete di un canyon

L'erosione è la causa principale dei canyon. L'acqua corrente di un fiume erode, o consuma, il suolo e le rocce nel corso di migliaia o milioni di anni per creare una valle. Rapidi corsi d'acqua alimentati dalla pioggia o dalla neve che si scioglie dalle zone più umide hanno scavato alcuni dei canyon più grandi e famosi su terreni asciutti.

Applicazione del reattore con flusso a pistone

Un tubo cilindrico con aperture per il passaggio di reagenti e prodotti costituisce i reattori con flusso a pistone. Discutiamo l'applicazione del reattore a flusso a pistone.

  • In ambienti industriali, i reattori a flusso a pistone vengono impiegati quando una reazione chimica richiede una quantità significativa di esotermico o energia esplosiva.
  • Per assicurarsi che i componenti siano miscelati staticamente, vengono impiegati reattori con flusso a pistone.
  • Il trasferimento di calore tra lo strumento e l'ambiente circostante era sicuro nei reattori plug-flow.
  • Attualmente, biodiesel e altri biocarburanti con un meccanismo di riciclaggio sono prodotti utilizzando reattori a flusso a pistone. Grazie al suo funzionamento stazionario, il reattore plug-flow è principalmente preferito per la produzione di bioenergia. Inoltre, non sono necessari agitazione o deflettori nel reattore a tappo.  

Tipicamente, i reattori plug-flow funzionano a regime stazionario. Man mano che i reagenti si spostano lungo la lunghezza del reattore, vengono continuamente consumati.

Reattore plug flow funzionante

Nel flusso misto, la velocità di reazione diminuisce rapidamente fino a un valore basso mentre nel flusso a pistone, la velocità di reazione diminuisce gradualmente attraverso il sistema. Osserviamo il reattore con flusso a pistone in azione.

  • Il fluido che scorre attraverso un reattore a flusso a pistoni è modellato come un insieme di tappi coerenti che sono infinitamente sottili e hanno composizioni uniformi.
  • Ogni tappo ha una composizione unica rispetto a quelli precedenti e successivi mentre si muovono nella direzione assiale del reattore.
  • Il presupposto fondamentale è che, al passaggio di un otturatore attraverso un PFR, il fluido sia perfettamente miscelato in direzione radiale ma per nulla miscelato in direzione assiale (né con l'elemento a monte né a valle).
  • Di conseguenza, ogni tappo viene trattato come un'entità distinta e funziona come un reattore batch indefinitamente piccolo con miscelazione che si avvicina al volume zero.
  • Il tempo di permanenza dell'elemento a tappo viene calcolato dalla sua posizione nel reattore mentre scorre lungo il reattore con flusso a tappo.
  • La distribuzione del tempo di residenza è di conseguenza un impulso in questa formulazione del reattore con flusso a pistone ideale (una funzione di punta piccola e stretta).

Per stimare importanti variabili del reattore, inclusa la dimensione del reattore, il modello del reattore a flusso a pistone viene utilizzato per prevedere il comportamento dei reattori chimici con design tubolare.

Progettazione del reattore con flusso a spina

Il tempo di permanenza esatto per la massa che passa attraverso il reattore varia dal tempo di permanenza medio in un CSTR in un reattore plug-flow ideale. Vediamo il layout del reattore plug-flow.

  • I reattori a flusso a pistone sono anche noti come reattori a flusso a pistone, reattori a flusso a lumaca, reattori a flusso tubolare perfetto e reattori a flusso non miscelato.
  • Il modello di flusso del reattore a flusso a pistone è un flusso a pistone.
  • Il flusso ordinato di fluido attraverso un reattore con flusso a pistone è definito come nessun elemento fluido che passa o si mescola con qualsiasi altro elemento davanti o dietro di esso.
  • In un reattore a spina, il fluido può effettivamente essere miscelato lateralmente, ma deve esserci anche miscelazione o diffusione lungo il percorso del flusso.
  • Il tempo di permanenza uguale per ciascun elemento fluido nel reattore serve come condizione richiesta e sufficiente per il flusso a pistone.

Diagramma del reattore con flusso a spina

La tecnica di reazione rapida nei sistemi di flusso a pistone si basa su un sistema cinetico rapido a flusso continuo. Ecco uno schema di un reattore plug-flow.

Credito immagine - Diagramma del reattore con flusso a spina by Utente A1 (CC-BY-SA-3.0)

L'intervallo di tempo può essere determinato dalla portata se è nota la distanza tra il punto iniziale della reazione e il rilevatore di prodotto. Il tempo necessario per ottenere la massima resa può quindi essere calcolato regolando la distanza.

Formula del reattore con flusso a pistone

Il fatto che il materiale fluisca attraverso un reattore con flusso a pistone è la sua caratteristica più significativa. Diamo un'occhiata alla formula per un reattore con flusso a pistone.

  • Poiché la composizione del fluido varia lungo il canale di flusso in un reattore a flusso a pistone, il bilancio del materiale per un componente di reazione deve tener conto di un elemento differenziale di volume dV.
  • (Velocità di flusso del reagente nell'elemento di volume)= (Velocità di flusso del reagente fuori dall'elemento di volume) + (Velocità di perdita di reagente dovuta a reazione chimica all'interno dell'elemento di volume) + (tasso di accumulo del reagente nell'elemento di volume)
  • Di conseguenza, l'equazione del bilancio di massa per il reagente A viene risolta per zero.
  • Ingresso = Uscita + Reazione + Accumulo + Scomparsa.
  • Ora, fA = (fA + dFA)+(-rA)dV, Niente di che, dFA = d[FA0 (1-xA)] = -FA0dXA, Otteniamo per sostituzione, -FA0dXA = (-rA)dV.
  • L'equazione per A nella sezione differenziale del reattore con volume dV è quindi questa.
  • La frase deve essere integrata per l'intero reattore.
  • FA0, la velocità di avanzamento, è ora costante, ma è chiaro che rA dipende dalla concentrazione o dalla conversione del materiale.
  • Quando raggruppiamo i termini in modo appropriato, otteniamo,
  • Per una velocità di alimentazione specifica e la conversione necessaria, l'equazione di cui sopra consente la stima delle dimensioni del reattore.
  • Se l'alimentazione su cui si basa la conversione, pedice 0, entra nel reattore parzialmente convertito, pedice, e se ne va a una conversione indicata dal pedice f, otteniamo, come espressione più generica per i reattori a flusso a pistone,
  • Per un caso speciale di sistema a densità costante, XA= 1 – DoA/CA0 e, DXA = CCA/ VSA0.
  • In tal caso, l'equazione delle prestazioni può essere rappresentata come una funzione della concentrazione o

Modello di reattore con flusso a pistone

Le temperature nei reattori plug-flow possono essere difficili da gestire e possono produrre gradienti di temperatura sfavorevoli. Vediamo prima il modello del reattore plug-flow.

  • I processi chimici che si verificano all'interno di un tubo sono modellati utilizzando un reattore con flusso a pistone.
  • Un esempio idealizzato che può essere utilizzato nel processo di progettazione del reattore è il reattore a flusso a pistone.
  • Questo blog presuppone che il modello di reattore plug-flow sia adiabatico e funzioni a pressione costante.
  • L'unica reazione considerata in atto è una fase gassosa decomposizione processo, che segue la formula A -> 2B + C.

Inoltre, più costosa della manutenzione CSTR è la manutenzione del reattore plug-flow. Un circuito di riciclo consente a un reattore con flusso a pistone di funzionare in modo simile a un CSTR.

Conclusione

Con questo studio, possiamo trarre la conclusione che, poiché i reattori con flusso a pistone sono strumenti vitali per la previsione, è necessario prestare attenzione poiché i sistemi di flusso reali mostrano variazioni significative nei tempi di residenza. Quando si scalano i reattori a flusso, la distribuzione del tempo di residenza è uno degli elementi che devono essere presi in considerazione.

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