یک راکتور لوله ای چیست؟ اصول، انواع و کاربردها

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور لوله ای چیست و چرا رفتار جریان پلگ برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی صنعتی مفید است؟یک راکتور لوله ای یک راکتور شیمیایی در قالب یک لوله یا لوله است که از طریق آن واکنش ها به طور مداوم از ورودی به خروجی جریان دارند، با حداقل مخلوط مجدد،به طوری که مایع تقریباً مانند یک راکتور جریان پلگ ایده آل (PFR) رفتار می کنددر یک راکتور لوله ای، غلظت و درجه حرارت در امتداد طول لوله در ورودی که واکنش دهنده ها تازه هستند، بیشترین تغییر را دارند.کاهش در جهت خروجی به عنوان مصرف شده اما تقریبا یکنواخت باقی می ماند در هر برش قطعی داده شدهاین گرادیانت فضایی به این معنی است که هر عنصر مایع زمان اقامت و تاریخچه دمای مشابه را تجربه می کند.تولید کیفیت محصول یکنواخت و دستیابی به بالاترین تبدیل ممکن در هر واحد حجم برای واکنش های مثبت.

1اصول اصلی عملکرد راکتورهای لوله ای

·**رفتار پلگ و جریان و تحقیق و توسعه**در یک PFR ایده آل، تمام عناصر مایع زمان اقامت یکسان دارند (RTD یک تابع دلتا است).راکتورهای لوله ای واقعی به این ایده آل نزدیک می شوند زمانی که نسبت طول به قطر (L / D) بیش از 50 و تعداد رینولدز (Re) بیش از 10 باشد.،000 (جریان آشفته). پراکندگی محوری (بازخورد) با عدد Peclet (Pe = u × L / Dax) مشخص می شود: Pe > 100 جریان نزدیک به ایده آل پلاگ را نشان می دهد. انحرافات از جریان پلاگ (شورت سرک،مناطق مرده) تبدیل و یکنواخت محصول را کاهش می دهد، و با طراحی مناسب ورودی و صاف کننده های جریان به حداقل می رسند.

·**عملیات آدیاباتیک در مقابل عمل ایزوترمیک**در راکتورهای لوله ای آدیاباتیک، هیچ گرمی در امتداد لوله اضافه یا حذف نمی شود، بنابراین دمای تغییر می کند با تبدیل:واکنش های گرمای خارجی باعث افزایش دمای بدن می شوند (افزایش دمای آدیاباتیک = ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp))در رآکتورهای لوله ای ایزوترمیک (تبادل گرما) ، رآکتورهای لوله ای با سرعت بالا در حال حرکت هستند. در رآکتورهای لوله ای با سرعت بالا، رآکتورهای لوله ای با سرعت بالا در حال حرکت هستند.انتقال گرما از طریق دیواره لوله دمای ثابت را حفظ می کند، نیاز به طرح های چند لوله ای با منطقه انتقال گرما بزرگ.

·** کاهش فشار و توزیع جریان **جریان مایع از طریق لوله باعث کاهش فشار اصطکاک می شود (ΔP = f × (L / D) × (ρ × u2/2)) ، که با طول، سرعت و خشکی افزایش می یابد. برای راکتورهای لوله ای بسته بندی شده کاتالیستی،معادله ارگون ΔP را بر اساس اندازه ذرات پیش بینی می کندکاهش فشار بیش از حد طول لوله و خروجی را محدود می کند و نیاز به تعادل بین تبدیل (به نفع لوله های طولانی تر) و کاهش فشار (به نفع کوتاه تر) دارد.لوله های گسترده تر)طرح های چند لوله ای با هزاران لوله موازی جریان را به طور یکنواخت توزیع می کنند و در عین حال میزان کل تولید بالا را حفظ می کنند.

2انواع اصلی راکتورهای لوله ای

·** راکتور لوله ای آدیاباتیک **یک لوله یا ظرف واحد بدون انتقال گرما، که در شرایط آدیاباتیک کار می کند. دمای بالا (exothermic) یا پایین (endothermic) در امتداد طول با تبدیل.برای واکنش های گازی با اثرات گرمایی متوسط استفاده می شود: سنتز آمونیاک (پایگاه های آدیاباتیک با خنک سازی بین مرحله ای) ، تبدیل اسید گوگرد (SO2 → SO3) و سنتز متانول. نسبت L / D معمولی 520 برای راکتورهای آدیاباتیک کاتالیستی ثابت.

·** راکتور چند لوله ای تبادل گرما**هزاران لوله با قطر کوچک (۲۰×۵۰ میلی متر) که با کاتالیزور بسته شده اند، در یک پوسته بسته شده اند که از طریق آن مایع انتقال گرما (آب جوش، نمک ذوب شده یا روغن حرارتی) گردش می کند.قطر کوچک لوله باعث می شود نسبت سطح به حجم بالا (500 ′′)،000 m2/m3) ، که امکان کار کردن ایزوترمیک واکنش های بسیار اگزوترمیک را فراهم می کند: سنتز اکسید اتیلن (ΔH = -105 kJ/mol) ، آن هیدرید فتالیک، آن هیدرید مالئیک.کل منطقه انتقال گرما 110000 متر مربع

·** رآکتور لوله ای پوشیده (رآکتور لوله) **یک لوله یا یک سری لوله با یک ژاکت گرمایش / خنک کننده خارجی. برای واکنش های فاز مایع با اثرات گرمای متوسط استفاده می شود: پلیمریزاسیون مستمر (ریاکتور لوله ای LDPE در 2000 ≈ 3،500 بار)، استریفیکیشن، هیدرولیز و خنثی سازی. مخلوط کننده های ایستاتیک در خط مخلوط کننده های رادیال و انتقال گرما را افزایش می دهند. قطر های معمولی 50 × 300 میلی متر، طول 10 × 1000 متر (اغلب پیچیده یا مارپیچی) ،و زمان اقامت 1 ⁄ 60 دقیقه.

انواع راکتورهای لوله ای ماتریس مقایسه

سوالات متداول (FAQ)

چه تفاوتی بین یک راکتور لوله ای و یک CSTR وجود دارد؟

یک راکتور لوله ای (PFR) دارای حداقل مخلوط مجدد است: جریان مایع از ورودی به خروجی با گرادیان غلظت فضایی (بالاتر در ورودی، پایین ترین در خروجی) است.یک CSTR (کنارگر مخلوط شده به طور مداوم) به طور کامل مخلوط شده است: کل مخزن دارای غلظت یکنواخت برابر با جریان خروجی است.یک PFR تبدیل بالاتر در هر واحد حجم را به دست می آورد زیرا سرعت واکنش متوسط (به دلیل غلظت متوسط بالاتر) بیشتر است.یک CSTR ترجیح داده می شود زمانی که مخلوط شدید مورد نیاز است (اتجاعات گاز-سیال، تعلیق) ؛ یک PFR برای تبدیل بالا یا توزیع زمان اقامت باریک ترجیح داده می شود.

چه مزایایی از راکتورهای چند لوله ای نسبت به لوله های بزرگ تک است؟

راکتورهای چند لوله ای به جای یک لوله بزرگ از هزاران لوله قطر کوچک (20 ′′ 50 mm) استفاده می کنند. این امر نسبت سطح به حجم بسیار بالاتر را فراهم می کند (500 ′′ 2,000 m2/m3 در مقابل 20 ′′ 100 m2/m3) ،که امکان کار کردن ایزوترمیک واکنش های بسیار اگزوترمیک را با حذف گرما از طریق دیواره های لوله فراهم می کند.تعادل هزینه سرمایه بیشتر (هزاران لوله، ورق های لوله پیچیده) و کاهش فشار بیشتر در هر واحد تولید است.

زمان اقامت در یک راکتور لوله ای چگونه محاسبه می شود؟

برای یک راکتور لوله ای خالی (غیر بسته بندی شده) ، زمان اقامت τ = V / Q، که در آن V حجم راکتور و Q میزان جریان حجمی است. برای یک راکتور کاتالیستی بسته بندی شده، τ = V_empty / Q (حجم خالی).در شرایط فاز گازی با تغییر تراکم قابل توجهی (به دلیل تغییرات دمای/فشار یا تغییر مول های گاز)، سرعت محلی در امتداد لوله تغییر می کند و ادغام معادله طراحی برای تغییر نرخ جریان حجمی حساب می شود.

افزایش دمای آدیاباتیک چیست و چرا مهم است؟

افزایش دمای آدیاباتیک ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp)نشان دهنده تغییر دمای زمانی است که یک کسر X از واکنش دهنده در غلظت اولیه CA0 با حرارت واکنش ΔHr در مایع با تراکم ρ و ظرفیت حرارتی Cp واکنش نشان می دهدبرای سنتز اکسید اتیلن (ΔH = -105 kJ/mol، CA0 = 2 mol/L، ρ = 1.5 kg/m3، Cp = 1.0 kJ/kg·K) ، تبدیل 10٪ به ΔT = 700 °C می رسداز این رو نیاز به راکتورهای چند لوله ای تبادل گرما برای این واکنش.