滞留時間リアクターとは何ですか?原理、設計、応用

居住 時間 原子炉 は 何 です か

根本的な質問に答えます居住時間反応器とは何か? 継続的な化学プロセスにおける 居住時間分布 (RTD) は 変換,選択性,製品品質をどのように支配するのでしょうか?居住時間反応炉は,居住時間分布 (RTD) 理論のレンズを通して設計され分析された連続流動化学容器である.流体元素が原子炉内で過ごす時間の確率分布を定量化します空間時間 (tau = V / F,ここでVは原子炉の体積であり,Fは体積流量) は名前の居住時間を定義しますが,実際の分布E (t) は実際の変換を決定します.ペクレット数 (Pe = uL / D_ax),ここで u は速度,L は長さ,D_ax は軸性分散係数) は,バックミックス程度を特徴づけます: Pe <1 (完全混合 CSTR), Pe = 1-20 (混合), Pe > 50 (プラグ流量近似).CSTR のため,シリーズ型タンクのモデルパラメータ N (N = 1)居住時間反応器は,秒 (マイクロ反応器,tau = 1-30 s) から時間 (CSTRポリメリゼーション,(tau = 60〜300分)副作用抑制,分子重量分布制御,連続結晶品質に不可欠である.

居住時間原子炉解析は 基本的輸送と確率論の 3 つの原則に基づいています

• 居住時間分布 (RTD) 機能 E (t) と追跡方法RTD関数 E (t) は,時間 t と t+dt の間,原子炉から脱出する液体の分数である.これは,トレーサパルス (KCl,染料,放射性マーキングされた化合物) と出口濃度C (t) の監視標準化されたRTDはE (t) =C (t) /積分 (t) 0からinf (t) C (t) dt. 恒定密度のシステムでは平均居住時間 (t) =積分 (t) 0からinf (t) x E (t) dtはV/F (空間時間) に等しい.シグマ^2 =インテグラル (t - t_mean) (t - t_mean) ^2 x E (t) dt は,分散を定量化し,混合の程度を示します: sigma^2 = 0 理想のプラグ流量 (PFR),sigma^2 = tau^2 理想のCSTR.
• 軸性分散とペクレット数 (Pe)軸性分散モデルでは,プラグ流量からの偏差は,コンベクティブ輸送に重ねたフィキスの拡散型プロセスとして扱われます:D_ax x d2C/dz2 - u x dC/dz = dC/dt,D_ax は軸間分散係数である.次元のないペクレット数 Pe = uL / D_ax は,コンベクティブと分散型輸送の比率を定量化します. Pe > 50 は分散が無視可能であることを意味します (プラグ流量体制).Pe = 1-20 は重要なバックミックスPe < 1 は,原子炉が単一のCSTRとして振る舞うことを意味します.パックベッド原子炉では,Pe = (u x D_p) / D_ax x (L/D_p) = 2-12 粒径あたり (ベレコフ-バーンズ相関による典型的な値).
• シリーズ型タンクモデルとNパラメータバンク・イン・シリーズモデルでは,原子炉をNつの等容量CSTRとして連続で表し,N = sigma^2 / tau^2 (変数分析から).N = 1は単一のCSTR (sigma^2 = tau^2) である.N > 10 はプラグ流量 (sigma^2 -> 0) に近似するこのモデルはスケールアップに特に有用で,スケール全体で恒定Nを維持することで,居住時間行動の観点から動力学的な類似性が確保される.N = 3 の CSTR の原子炉カスケード (各 100 L),総V=300L,F=10L/min,tau_total=30min),第一順序反応 (k=0.05/min) の変換はX=1− (1+k×tau/N) ^(-N) =1− (1.5)^(-3) =1−0.296=70.4%である.

産業用耐久性原子炉は,RTD形とPe/N値によって特徴づけられる.

• プラグフローリアクター (PFR) - 狭いRTD理想的なPFRでは,すべての流体元素が同一の居住時間 (tau = V/F, sigma^2 = 0) を有する.実際のPFR (管状,パックベッド,マイクロチャネル) は,Pe >50とN >10でこれを接近する.RTDは,タウを中心とした狭いガウスピークである.. PFRは,ポジティブ・オーダー反応 (CSTRよりもバックミックスが少ない) の変換を最大化し,短い接触時間が望まれている場合,平行側反応選択性により好ましい.典型:管式原子炉 (L/D >50), Pe = 50-1000),パックベッド催化反応器 (Pe = 10-100),マイクロ反応器 (Pe = 50-500).
• 連続混ぜたタンク原子炉 (CSTR) - 広範なRTD理想のCSTRは指数関数 RTD を有し, sigma^2 = tau^2 で,E ((t) = (1/tau) x exp ((-t/tau) である.広範囲に分布しているため,一部の液体元素はすぐに離れる (ショート・サーキット),他の元素はずっと長く残る.CSTR は,選択性が低反応体濃度 (入入時に即時の稀释) を好む反応,外熱反応における温度均一性,緩やかな反応を簡単に制御できます3〜5つのCSTRのカスケードがRTD (N = 3-5) を狭め,実践的な目的のためにPFR変換に近づく.典型的には:単一のCSTR (N = 1, Pe <1),3〜5つのCSTRのカスケード (N = 3-5, sigma ^ 2 = tau ^ 2 / N).
• ラミナーフローリアクターと非理想的なRTDシステムラミナー流量 (Re < 2100) では,パラボリック速度プロファイルが広い RTD を生成します: E(t) =tau^2 / (2 x t^3) for t > tau/2,つまり,いくつかの元素は平均の2倍の速度で移動します.この非理想的な行動は,静的ミキサーによって修正されます死亡領域 (停滞領域) とバイパス (ショートサーキットチャンネル) からの非理想的なRTDは,トレーサテストによって診断される:死体積は,減少した平均居住時間 (t_measured < V/F) として表示される.バイパス (bypassing) は E (t) の初期ピークとして表される.

Q: 居住時間分布 (RTD) は何ですか? 原子炉ではどのように測定されますか?

A: RTD関数 E (t) は,出口年齢確率分布である.t と t+dt の間に原子炉から流出する液体の割合である.非反応性トレーサパルス (ディラクデルタ入力) を注入し,時間とともに出口濃度C (t) をモニタリングすることによって測定されます.E (t) = C (t) /積分 (t) 0からinf (t) dt. 平均居住時間 (t) =積分 (t) 0からinf (t) x E (t) dtは,恒定密度のシステムではV/Fに等しくなる.変数シグマ^2は分散を定量化する:sigma^2 = 0 理想の PFR (すべての要素が同じ居住時間), sigma^2 = tau^2 理想的な CSTR (幅広く指数分布) について.ステップインプットテスト (トレーサフリーからトレーサラッダフードへの突然の切り替え) は累積 RTD F(t を提供します.その補完は,死体積とバイパスを表す.

Q:ペクレット数 (Pe) は,原子炉のバックミックスと変換とどのように関係しているのですか?

A: Pe = uL / D_ax は,コンベクトと軸性分散輸送の比率を定量化します. Pe > 50 は分散が軽微であることを意味します (接近プラグ流量,最小のバックミックス).Pe = 1-20 は,有意なバックミックス (非理想) を意味します.Pe < 1 は,原子炉が完全に混ざった CSTR として振る舞うことを意味します.より高いPe (よりプラグフローのような) は,バックミックスによって反応剤濃度が減少し,速度が低下するため,ポジティブ・オーダー反応 (n > 0) の変換を増加させる.Pe = 50 と Da = 2 のチューブル式原子炉における第一順位反応では,変換は86.5% (理想のPFRでは87.5%,1%の損失) である. Pe = 5 (有意分散) で,変換は80%に低下する.ゼロ順位または自動催化反応より多くのバックミックスが有利です

Q: シリーズ型タンクとは何か?パラメータNはどのように決定されますか?

A: シリーズ型タンクでは,原子炉をNつの等容量理想のCSTRとして連続で表します.パラメータNは測定されたRTD変数から決定されます:N =tau ^ 2 / sigma ^ 2.N = 1は単一のCSTRです.N > 10 プラグ流量についてこのモデルはスケールアップに有用で,恒定Nを維持することでスケール全体で同様のRTD振る舞いが保証される.第一次元の反応の変換はX = 1 - (1 + k x tau_total / N) ^(-N).例えば,tau_total = 30 min と k = 0.05/min の 3-CSTR カスケードでは,X = 1 - (1 + 0.05 x 10) ^(-3) = 1 - 0.296 = 70.4% が得られ,同じ総tau の理想 PFR では 77.7% が得られる.

Q: 死地やバイパスが 居住時間原子炉の性能に どう影響する?

A: 死地 (停滞地域) は,有効な原子炉の容量を減少させ,測定された平均居住時間をV/F (t_measured < tau_nominal) 以下の値に短縮する.バイパス (ショート・サーキットチャンネル) は,E (t) の早期ピークを発生させる.,つまり一部の液体が名前の居住時間よりもはるかに早く出る.どちらも正順序反応の変換を減らす. 20%の死体積を持つ原子炉は,効果タウ = 0.8 x V/F,変換を比例的に減らすバイパスは選択性に対して特に有害である. 短期間の液体が不完全な変換が見られ,長期間の液体は副産物に対して過剰反応する.ステップ入力による診断トレーサテストでは,デッドボリューム (t_meanが減少) とバイパス (早期F ((t) 増加) が明らかになります..