Dòng chảy cắm là một đặc tính quan trọng của các lò phản ứng này, do đó, bất kỳ hai phân tử nào cũng có thể được đưa vào lò phản ứng trong thời gian ngắn hơn và thoát ra cùng một lúc. Dòng chảy cắm lò phản ứng cung cấp thời gian phản ứng kiểm soát hiệu quả khi tối ưu hóa việc phân chia chất phản ứng cũng như sản phẩm. Vì vậy, dòng phích cắm tốt là cần thiết để lò phản ứng hoạt động tốt. Vì vậy, các lò phản ứng sử dụng hóa học dòng cắm thường được gọi là lò phản ứng dòng cắm hoặc lò phản ứng PFR. Lò phản ứng dòng chảy dạng cắm hay PFR là lò phản ứng loại chung thứ ba trong đó các chất dinh dưỡng được đưa liên tục vào lò phản ứng và di chuyển khắp lò phản ứng dưới dạng “phích cắm”. Bài viết này thảo luận tổng quan về một lò phản ứng dòng chảy cắm , hoạt động và ứng dụng của nó.

Lò phản ứng dòng chảy cắm là gì?

Lò phản ứng dòng chảy dạng phích cắm hoặc lò phản ứng dòng piston là lò phản ứng dòng chảy lý tưởng kiểu hình chữ nhật sử dụng dòng chất lỏng liên tục để xử lý vật liệu trong toàn bộ ống. Lò phản ứng này được sử dụng để mô tả các phản ứng hóa học trong một ống hình trụ sao cho tất cả các tổ hợp phản ứng hóa học sẽ được cung cấp ở tốc độ tương tự dọc theo hướng dòng chảy; không có sự tích hợp hoặc dòng chảy ngược.

Lò phản ứng này bao gồm một ống hình trụ có lỗ ở mỗi đầu để chứa chất phản ứng cũng như sản phẩm mà chất phản ứng cung cấp qua đó. Để duy trì phản ứng đồng đều trong lò phản ứng này, nước ở nhiệt độ cố định được cung cấp cho lò phản ứng. Dòng cắm được tạo ra trong lò phản ứng này bằng cách đưa vật liệu liên tục từ đầu này sang đầu kia, nó loại bỏ vật liệu liên tục. Các vật liệu thường được sản xuất trong PFR là; hóa dầu, polyme, dược phẩm, v.v. Những lò phản ứng này có nhiều ứng dụng trong hệ thống pha lỏng hoặc khí.

Lò phản ứng dòng cắm cung cấp khả năng kiểm soát thời gian lưu trú cũng như điều kiện phản ứng vượt trội. Vì vậy, chúng cung cấp mức độ chuyển đổi cao và tương thích với các phản ứng thông qua độ nhạy (hoặc) giải phóng nhiệt cao đối với nồng độ chất phản ứng. Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế khi không trộn theo hướng tâm và chỉ trộn theo trục.

Lò phản ứng dòng chảy cắm

Các tính năng chính

Các tính năng chính của lò phản ứng dòng cắm bao gồm những điều sau đây.

Dòng chảy một chiều

Trong PFR, các chất phản ứng cũng như sản phẩm di chuyển theo một hướng dọc theo chiều dài của lò phản ứng mà không cần trộn lẫn lại.

Độ dốc nồng độ

Nồng độ chất phản ứng và sản phẩm trong lò phản ứng này thay đổi theo chiều dài của lò phản ứng mặc dù nó nhất quán trên bất kỳ phần nào theo chiều dọc của dòng chảy.

Thời gian cư trú

Thời gian lưu Một thể tích chất phản ứng riêng biệt được sử dụng trong PFR được gọi là thời gian lưu và ổn định đối với tất cả các thể tích.

Nguyên lý làm việc của lò phản ứng dòng chảy cắm

Lò phản ứng dòng cắm hoạt động bằng cách oxy hóa rượu và các hợp chất hữu cơ khác để tạo ra các hóa chất tốt như; chất màu và thuốc nhuộm. Chất lỏng trong lò phản ứng này di chuyển một cách liên tục và đồng đều trong toàn bộ đường ống. Các chất phản ứng đi vào ở một đầu của lò phản ứng để chảy khắp lò phản ứng và tồn tại ở đầu kia.

Bản chất dòng cắm trong lò phản ứng này đảm bảo rằng các chất phản ứng hóa học được tiếp xúc với các điều kiện tương tự thông qua PFR và thời gian lưu trú của mọi chất phản ứng là như nhau. Vì vậy, lò phản ứng dòng cắm là lựa chọn nổi bật cho các phản ứng chính cần kiểm soát chính xác thời gian, nhiệt độ và áp suất lưu trú.

Sơ đồ lò phản ứng dòng chảy cắm

Thiết kế của lò phản ứng dòng cắm có thể được thực hiện với một số loại mao quản là một ống nhỏ (hoặc) một kênh cố định vào một tấm. Đây là một bộ lò phản ứng liên tục có đầu vào chất phản ứng và đầu ra của chất phản ứng được thực hiện liên tục trong suốt quá trình vận hành lò phản ứng.

Lò phản ứng dòng chảy dạng cắm (PFR) không có máy khuấy có dạng hình trụ cho phép chất lỏng phát triển với lượng trộn ngược tối thiểu, do đó, tất cả các hạt chất lỏng đi vào lò phản ứng đều có thời gian lưu trú tương tự nhau . Lò phản ứng này chắc chắn có thể được coi là một loạt các lát chất lỏng mỏng, bao gồm một lò phản ứng mẻ nhỏ, được khuấy trộn hoàn toàn trong lát để di chuyển về phía trước bên trong lò phản ứng giống như một pít-tông.

Sơ đồ lò phản ứng dòng chảy cắm

Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát có thể được biểu diễn như sau đối với một trong các lát chất lỏng bên trong lò phản ứng:

Đầu vào = Đầu ra + Tiêu thụ + Tích lũy

“sự khác biệt giữa bộ chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng ”

Đơn vị của mọi thành phần trong biểu thức trên là tốc độ chạy vật liệu như mol/giây.

Dòng cắm Đạo hàm phương trình lò phản ứng

Lò phản ứng dòng cắm là một lò phản ứng lý tưởng hóa trong đó tất cả các hạt trong một phần cụ thể có cùng vận tốc và hướng chuyển động. Trong lò phản ứng dòng phích cắm (PFR) không có dòng chảy ngược hoặc trộn lẫn, do đó dòng chảy của chất lỏng giống như nút chặn từ phía đầu vào đến đầu ra được thể hiện trong hình bên dưới.

Lò phản ứng này được tạo ra tùy thuộc vào sự cân bằng khối lượng cũng như sự cân bằng nhiệt trong một lượng chất lỏng khác nhau. Nếu chúng ta tưởng tượng rằng quá trình là đẳng nhiệt thì cân bằng khối lượng chỉ được xét đến.

Nếu chúng ta tưởng tượng điều kiện ở trạng thái ổn định thì nồng độ chất phản ứng cuối cùng không thay đổi. Đây là một phương pháp hoạt động điển hình của PFR. Phương trình toán học của PFR có thể được viết đơn giản là;

udCi/dx = nguồn

Ci(0) = Ci(f)

Trong đó 'Ci' là chất phản ứng, 'i' là nồng độ, 'u' là vận tốc của chất lỏng, 'νi' là hệ số cân bằng hóa học, 'r' là tốc độ phản ứng & 'x' là vị trí trong lò phản ứng. ‘Caf’ là chất phản ứng Nồng độ ở đầu vào lò phản ứng & ‘L’ là chiều dài lò phản ứng. Vận tốc của chất lỏng ‘u’ được đo tùy thuộc vào tốc độ dòng thể tích Fv (m3/s) và diện tích mặt cắt ngang của lò phản ứng S (m^2):

u=Fv/S

Trong một PFR lý tưởng, tất cả các hạt chất lỏng đã ở trong lò phản ứng trong cùng một khoảng thời gian được gọi là thời gian cư trú trung bình, được đo bằng;

T =L/u

Dữ liệu thời gian lưu trú thường được sử dụng trong kỹ thuật lò phản ứng hóa học để đưa ra dự đoán về sự thay đổi và nồng độ thoát ra.

“mov trong điện tử là gì ”

Phản ứng không thể đảo ngược bậc một

Chúng ta hãy xem xét một phản ứng phân hủy đơn giản:

A->B

Bất cứ khi nào phản ứng không thể thuận nghịch và bậc một, chúng ta có:

udCa/dx = -kCa

Trong đó ‘k’ là hằng số động học. Nói chung, hằng số động học chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ. Nói chung, có thể sử dụng phương trình Arrhenius để mô tả mối quan hệ này. Ở đây, chúng ta giả sử các điều kiện đẳng nhiệt nên sẽ không sử dụng sự phụ thuộc này.

Mô hình cho các phản ứng không thể đảo ngược bậc một có thể được giải quyết một cách hợp lý. Vì vậy, giải pháp như sau;

Ca = Cafexp(-x*k/u)

“dòng trôi và dòng khuếch tán ”

Phản ứng không thể đảo ngược bậc hai

Ví dụ về phản ứng không thể đảo ngược bậc hai chúng ta hãy sử dụng ví dụ dưới đây:

2A –> B

Khi phản ứng không thuận nghịch và bậc hai, ta có:

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

Đặc điểm lò phản ứng dòng chảy cắm

Các đặc điểm của lò phản ứng dòng cắm bao gồm những điều sau đây.

Các chất phản ứng trong lò phản ứng dòng cắm chảy khắp lò phản ứng theo dòng liên tục với rất ít hoặc không có sự pha trộn.
Phản ứng trong PFR xảy ra khi các chất phản ứng di chuyển theo chiều dài lò phản ứng.
Nồng độ chất phản ứng thay đổi theo chiều dài của lò phản ứng và tốc độ phản ứng thường cao hơn ở đầu vào.
Những lò phản ứng này thường được sử dụng cho các phản ứng ở những nơi cần có lượng thay đổi lớn và ở những nơi tốc độ phản ứng không đáp ứng được những thay đổi về độ hấp thụ.
Thời gian cư trú trong PFR thường ngắn.
Màng sinh học hình thành gần với các môi trường mô phỏng giao diện không khí-lỏng như khoang miệng, bề mặt đá ướt và rèm tắm.
Loại lò phản ứng này tạo ra màng sinh học nhất quán với lực cắt thấp có thể được sử dụng giống như lò phản ứng phiếu thủy tinh tĩnh để kiểm tra hiệu quả diệt khuẩn.
Màng sinh học của lò phản ứng này được phân tích dễ dàng bằng các phương pháp khác nhau như đếm đĩa khả thi, xác định độ dày và kính hiển vi ánh sáng.
Các chất phản ứng trong PFR được tiêu thụ liên tục vì chúng chảy dọc theo chiều dài lò phản ứng.
Một PFR điển hình có thể là một ống được đóng gói trong một số vật liệu rắn.

Ưu điểm và nhược điểm

Các lợi thế của lò phản ứng dòng chảy cắm bao gồm những điều sau đây.

Ưu điểm của PFR so với CSTR là lò phản ứng này có thể tích thấp cho mức chuyển đổi và không gian tương tự.
Lò phản ứng cần ít không gian hơn và số lượng chuyển đổi trong PFR cao so với CSTR đối với cùng một thể tích lò phản ứng.
Lò phản ứng này được sử dụng thường xuyên để quyết định quá trình động học xúc tác pha khí.
Những lò phản ứng này rất hiệu quả trong việc xử lý các phản ứng & tạo ra một nhóm lớn các phản ứng “điển hình” với tốc độ chuyển đổi cao hơn cho mỗi thể tích lò phản ứng so với CSTR (Lò phản ứng bể khuấy liên tục)
Lò phản ứng rất phù hợp cho phản ứng nhanh
Truyền nhiệt trong PFR có thể được quản lý khá tốt hơn so với các lò phản ứng dạng bể, điều này dẫn đến sự phù hợp tuyệt vời cho các hệ thống tỏa nhiệt cực cao
Do đặc tính dòng chảy của nút và không có sự trộn ngược, nên tất cả các chất phản ứng đều có thời gian lưu nhất quán, điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm đáng tin cậy, đặc biệt khi thời gian lưu trú lớn dẫn đến hình thành ô nhiễm và cháy thành than, v.v.
Việc bảo trì lò phản ứng dòng chảy kiểu cắm rất dễ dàng vì không có bộ phận chuyển động.
Đây là những đơn giản về mặt cơ học.
Tỷ lệ chuyển đổi của nó cao đối với mọi thể tích lò phản ứng.
Chất lượng sản phẩm không thay đổi.
Tuyệt vời để nghiên cứu phản ứng nhanh chóng.
Khối lượng lò phản ứng được sử dụng rất hiệu quả.
Tuyệt vời cho các quy trình công suất lớn.
Giảm áp suất ít hơn.
Không có sự trộn ngược
Khả năng mở rộng trực tiếp
Kiểm soát hiệu quả thời gian lưu trú, kiểm soát nhiệt độ, trộn hiệu quả, biến đổi theo từng đợt bị hạn chế, v.v.

Các Nhược điểm của lò phản ứng dòng chảy cắm bao gồm những điều sau đây.

Trong PFR, khó kiểm soát hiệu suất phản ứng tỏa nhiệt do phạm vi nhiệt độ rộng.
Đối với PFR, chi phí bảo trì và vận hành tốn kém hơn so với CST.
Việc kiểm soát nhiệt độ là khó khăn đối với lò phản ứng.
Các điểm nóng xuất hiện trong lò phản ứng bất cứ khi nào được sử dụng cho các phản ứng tỏa nhiệt.
Khó kiểm soát do sự thay đổi thành phần và nhiệt độ.
PFR rất tốn kém để thiết kế và bảo trì do thiết kế và lắp ráp phức tạp.
PFR được thiết kế đặc biệt cho các phản ứng chính xác và có thể không đáp ứng được những thay đổi về nguyên liệu hoặc điều kiện phản ứng.
Những thứ này khó bảo trì và làm sạch vì thiết kế hẹp và dài.
Các chất phản ứng trong PFR có thể chảy không đều dẫn đến các điểm nóng hoặc phản ứng không hoàn toàn.
Điều rất quan trọng cần lưu ý là lò phản ứng dòng cắm không thể phù hợp với tất cả các ứng dụng. Vì vậy, người ta phải phân tích cẩn thận thời gian lưu trú, động học, các vấn đề chọn lọc, v.v. để quyết định loại lò phản ứng nào phù hợp cho ứng dụng.

Các ứng dụng

Các ứng dụng của lò phản ứng dòng cắm bao gồm những điều sau đây.

PFR được sử dụng phổ biến trong sản xuất phân bón, hóa chất, hóa dầu và dược phẩm quy mô lớn.
Những lò phản ứng này được sử dụng trong các quá trình trùng hợp như sản xuất polypropylen và polyetylen.
Lò phản ứng dòng cắm thích hợp cho các hệ thống phản ứng rắn-lỏng và khí-rắn.
Chúng thích hợp cho các phản ứng không đồng nhất hoặc đồng nhất như; hydro hóa dầu và chất béo.
PFR được sử dụng để oxy hóa rượu và các hợp chất hữu cơ khác cũng như tạo ra các hóa chất tốt như chất màu và thuốc nhuộm.

Như vậy, đây là tổng quan về lò phản ứng dòng chảy cắm , hoạt động, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng. Thiết kế và lựa chọn một lò phản ứng dòng chảy tốt vẫn là một nghệ thuật và kiến thức nhiều năm giúp bạn tiến bộ hơn trong việc lựa chọn. Đôi khi, lò phản ứng dòng cắm còn được gọi là CTR (lò phản ứng hình ống liên tục). Ở dạng lý tưởng hóa, hình dạng của tổ hợp phản ứng có thể được đo lường để tạo thành từ một số phích cắm và mỗi phích cắm có nồng độ đồng đều. PFR này giả định rằng không có sự trộn lẫn dọc trục nên không có sự trộn lẫn ngược trong lò phản ứng. Đây là câu hỏi dành cho bạn, lò phản ứng là gì?