Reator Plug Flow: Funcionamento, Derivação, Características e Suas Aplicações

O fluxo tampão é uma característica significativa desses reatores, de modo que quaisquer duas moléculas podem entrar no reator em menos tempo e sair ao mesmo tempo. Fluxo de plug reator fornece um tempo de reação de controle eficiente ao otimizar a divisão de reagentes e também de produtos. Portanto, um bom fluxo tampão é necessário para um bom desempenho nos reatores. Portanto, os reatores que usam química de fluxo em pistão são normalmente chamados de reatores de fluxo em pistão ou reatores PFR. O reator Plug Flow ou PFR é um terceiro reator de tipo geral onde os nutrientes são introduzidos continuamente no reator e se movem por todo o reator como um “tampão”. Este artigo discute uma visão geral de um reator de fluxo plug , seu funcionamento e suas aplicações.

O que é um reator Plug Flow?

O reator de fluxo tampão ou reator de fluxo de pistão é um reator de fluxo idealizado do tipo retangular que usa um fluxo de fluido contínuo para processar materiais ao longo de um tubo. Este reator é usado para representar reações químicas dentro de um tubo cilíndrico, de modo que todas as combinações de reações químicas sejam fornecidas a uma velocidade semelhante ao longo da direção do fluxo, portanto; não há integração ou refluxo.

Este reator inclui um tubo cilíndrico com aberturas em cada extremidade para reagentes, bem como produtos através dos quais os reagentes são fornecidos. Para manter uma reação uniforme neste reator, é fornecida ao reator água a uma temperatura fixa. O fluxo tampão é produzido neste reator pela introdução contínua de material de uma extremidade a outra, removendo os materiais continuamente. Os materiais frequentemente produzidos em PFR são; petroquímicos, polímeros, produtos farmacêuticos, etc. Esses reatores têm uma ampla gama de aplicações em sistemas de fase líquida ou gasosa.

O reator de fluxo tampão fornece um excelente controle do tempo de residência, bem como das condições de reação. Portanto, eles fornecem altos níveis de conversão e são compatíveis com reações por meio de alta liberação de calor (ou) sensibilidade às concentrações do reagente. No entanto, eles têm algumas limitações sem mistura radial e simplesmente mistura axial.

Características principais

Os principais recursos de um reator de fluxo pistão incluem o seguinte.

Fluxo Unidirecional

No PFR, tanto os reagentes quanto os produtos viajam em uma única direção ao longo do comprimento do reator sem retromistura.

Gradiente de concentração

A concentração de reagentes e produtos neste reator mudam com o comprimento do reator, embora seja consistente em qualquer seção vertical ao fluxo.

Tempo de residência

Tempo de residência: um volume de reagente separado que é gasto dentro do PFR é chamado de tempo de residência e é estável para todos os volumes.

Princípio de funcionamento do reator de fluxo plug

O reator de fluxo tampão funciona oxidando álcoois e outros compostos orgânicos para produzir produtos químicos finos como; pigmentos e corantes. Os fluidos neste reator se movem de maneira contínua e uniforme ao longo de um cano ou tubo. Os reagentes entram em uma extremidade do reator para fluir por todo o reator e existem na outra extremidade.

A natureza do fluxo tampão neste reator garante que os reagentes químicos sejam expostos a condições semelhantes através do PFR e que o tempo de residência de cada reagente seja o mesmo. Portanto, um reator de fluxo pistão é uma excelente escolha para reações principais que necessitam de controle exato do tempo residente, temperatura e pressão.

Diagrama do Reator Plug Flow

O projeto de um reator de fluxo pistão pode ser feito com algum tipo de capilar que é um pequeno tubo (ou) um canal fixado em uma placa. Este é um conjunto de reator contínuo com uma entrada de reagentes e uma saída do conteúdo do reator que são feitas continuamente durante toda a operação do reator.

Um reator de fluxo pistão (PFR) não possui um agitador que tenha formato cilíndrico que permita que o fluido se desenvolva com uma quantidade mínima de retromistura, como resultado, todas as partículas de fluido que entram no reator têm um tempo de residência semelhante. . Este reator pode certamente ser considerado como uma série de fatias finas de fluido, compreendendo um pequeno reator descontínuo, completamente agitado na fatia para avançar dentro do reator como um pistão.

A equação para o balanço geral de massa pode ser expressa da seguinte forma para uma das fatias de fluido dentro do reator:

Entrada = Saída + Consumo + Acumulação

As unidades de cada componente da expressão acima são uma taxa de execução de material como mol/s.

Derivação da equação do reator de fluxo tampão

O reator plug-flow é um reator idealizado onde todas as partículas em uma seção específica têm a mesma velocidade e direção de movimento. Em um reator de fluxo tampão (PFR) não há refluxo ou mistura, portanto, o fluxo de um fluido como um tampão do lado de entrada para a saída é mostrado na figura abaixo.

Este reator é criado dependendo do equilíbrio de massa, bem como do equilíbrio de calor dentro de uma quantidade diferencial de fluido. Se imaginarmos que o procedimento é isotérmico, então consideramos apenas o balanço de massa.

Se imaginarmos condições de estado estacionário, as concentrações dos reagentes não variam eventualmente. É um método típico de operação do PFR. A equação matemática para PFR pode ser escrita simplesmente como;

udCi/dx = fonte

Ci(0) = Ci(f)

0≤x≤L

Onde 'Ci' é o reagente, 'i' é a concentração, 'u' é a velocidade do fluido, 'νi' é o coeficiente estequiométrico, 'r' é a taxa de reação e 'x' é a posição dentro do reator. 'Caf' é a concentração do reagente A na entrada do reator e 'L' é o comprimento do reator. A velocidade do fluido 'u' é medida dependendo da vazão volumétrica Fv (m3/s) e da região da seção transversal do reator S (m ^ 2):

você=Fv/S

Num PFR ideal, todas as partículas líquidas estiveram no reator precisamente pelo mesmo período de tempo, o que é chamado de residência média, medida como;

T = eu/você

Os dados do tempo de residência são normalmente usados ​​na engenharia de reatores químicos para fazer previsões de mudanças e concentrações de saída.

Reação irreversível de primeira ordem

Consideremos uma reação de decomposição simples:

A–>B

Sempre que a reação for irreversível e de primeira ordem, temos:

udCa/dx = -kCa

Onde 'k' é uma constante cinética. Geralmente, a constante cinética depende principalmente da temperatura. Geralmente, uma equação de Arrhenius pode ser usada para descrever esta relação. Aqui, assumimos condições isotérmicas, portanto não utilizaremos esta dependência.

O modelo para reações irreversíveis de primeira ordem pode ser resolvido logicamente. Portanto a solução segue como;

Ca = Cafeexp(-x*k/u)

Reação irreversível de segunda ordem

O exemplo de reação irreversível de segunda ordem permite-nos utilizar o exemplo abaixo:

2A -> B

Uma vez que a reação é irreversível e de segunda ordem, temos:

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

Características do reator de fluxo tampão

As características de um reator de fluxo pistão incluem o seguinte.

• Os reagentes em um reator de fluxo tampão fluem por todo o reator em um fluxo contínuo com pouca ou nenhuma mistura.
• A reação no PFR ocorre quando os reagentes se movem com o comprimento do reator.
• A concentração dos reagentes muda com o comprimento do reator e a taxa de reação é geralmente maior na entrada.
• Esses reatores são freqüentemente usados ​​para reações onde uma grande quantidade de mudanças é necessária e onde a velocidade da reação não responde às mudanças de absorção.
• O tempo de permanência no PFR é normalmente curto.
• O biofilme se forma próximo à interface ar-líquido, simulando ambientes como cavidade oral, superfícies rochosas úmidas e cortinas de chuveiro.
• Este tipo de reator gera um biofilme consistente em baixo cisalhamento que pode ser utilizado como o reator estático de cupom de vidro para verificar a eficácia do microbicida.
• O biofilme deste reator é facilmente analisado com diferentes métodos, como contagem de placas viáveis, determinação de espessura e microscopia óptica.
• Os reagentes no PFR são consumidos continuamente porque fluem ao longo do comprimento do reator.
  Um PFR típico pode ser um tubo embalado em algum material sólido.

Vantagens e desvantagens

O vantagens do reator de fluxo plug inclui o seguinte.

• A vantagem do PFR sobre o CSTR é que este reator tem um volume baixo para um nível de espaço-tempo e conversão semelhante.
• O reator precisa de menos espaço e que a quantidade de conversão seja alta dentro do PFR em comparação com o CSTR para um volume de reator semelhante.
• Este reator é usado frequentemente para decidir o processo cinético catalítico em fase gasosa.
• Esses reatores são muito eficazes no manuseio de reações e para um grande grupo de reações “típicas”, com taxas de conversão mais altas para cada volume de reator em comparação com CSTR (Reatores de Tanque Agitado Contínuo)
• Os reatores são muito adequados para reações rápidas
• A transferência de calor em PFR pode ser gerenciada de maneira bastante melhor em comparação com reatores tanque, o que leva a um excelente ajuste para sistemas extremamente exotérmicos
• Devido ao caráter de fluxo tampão e à ausência de retromistura, há um tempo de residência consistente em nome de todos os reagentes, o que leva a uma qualidade confiável do produto, especialmente onde grandes tempos de residência levam à formação de contaminação e carbonização, e muito mais.
• A manutenção do reator de fluxo tampão é fácil porque não há elementos móveis.
• Estes são simples mecanicamente.
• Sua taxa de conversão é alta para cada volume de reator.
• A qualidade do produto não mudou.
• Excelente para estudar reações rápidas.
• O volume do reator é usado de forma muito eficiente.
• Excelente para processos de grande capacidade.
• Menos quedas de pressão.
• Não há retromixagem
• Escalabilidade direta
• O controle eficiente do tempo de residência, o controle da temperatura, a mistura eficiente, a variação de lote para lote é limitada, etc.

O Desvantagens do reator de fluxo plug inclui o seguinte.

• Num PFR, o desempenho da resposta exotérmica é difícil de controlar devido à ampla gama de perfis de temperatura.
• Para um PFR, as despesas operacionais e de manutenção são caras em comparação com o CST.
• O controle de temperatura é difícil para um reator.
• Pontos quentes ocorrem no reator sempre que usado para reações exotérmicas.
• É difícil de controlar devido às variações de composição e temperatura.
• Os PFRs são caros para projetar e manter devido ao seu projeto e montagem complexos.
• Os PFRs são projetados normalmente para reações precisas e podem não ser capazes de acomodar mudanças nas matérias-primas ou nas condições de reação.
• São difíceis de manter e limpar devido ao seu design estreito e longo.
• Os reagentes no PFR podem fluir de forma desigual, o que leva a pontos quentes ou reações incompletas.
• É muito importante ter em mente que os reatores de fluxo pistão não podem ser adequados para todas as aplicações. Portanto, deve-se analisar cuidadosamente o tempo de residência, cinética, questões de seletividade, etc. para decidir que tipo de reator é adequado para uma aplicação.

Formulários

As aplicações de reatores de fluxo pistão incluem o seguinte.

• Os PFRs são comumente usados ​​na produção de fertilizantes, produtos químicos, petroquímicos e farmacêuticos em grande escala.
• Esses reatores são usados ​​em processos de polimerização, como produção de polipropileno e polietileno.
• Os reatores de fluxo tampão são adequados para sistemas de reação líquido-sólido e gás-sólido.
• Estes são adequados para reações heterogêneas ou homogêneas como; hidrogenação de óleo e gordura.
• Os PFRs são usados ​​para oxidar álcoois e outros compostos orgânicos e para gerar produtos químicos finos, como pigmentos e corantes.

Assim, isso é uma visão geral do reator de fluxo pistão , funcionamento, vantagens, desvantagens e aplicações. O projeto e a seleção de um bom reator de fluxo ainda é uma arte e anos de conhecimento fazem você melhorar na hora de fazer seleções. Às vezes, um reator de fluxo pistão também é conhecido como CTR (reator tubular contínuo). De uma forma idealizada, a forma da combinação de reação pode ser medida como sendo composta por alguns tampões e cada tampão tem uma concentração uniforme. Este PFR pressupõe que não há mistura axial, portanto não há retromistura no reator. Aqui fica uma pergunta para você: o que é um reator?