راکتور Residence Time چیست؟ اصول، طراحی و کاربردها

یک راکتور زمان اقامت چیست؟ اصول، طراحی و کاربردها

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور زمان اقامت چیست، و چگونه توزیع زمان اقامت (RTD) تبدیل، انتخابی و کیفیت محصول را در فرآیندهای شیمیایی مداوم کنترل می کند؟یک راکتور زمان اقامت یک ظرف شیمیایی جریان مداوم است که از طریق لنز نظریه توزیع زمان اقامت (RTD) طراحی و تجزیه و تحلیل شده است.که توزیع احتمال زمانی را که عناصر مایع در داخل راکتور می گذرانند محاسبه می کندزمان فضا (tau = V / F، جایی که V حجم راکتور و F میزان جریان حجمی است) زمان اقامت اسمی را تعریف می کند، اما توزیع واقعی E ((t) تبدیل واقعی را تعیین می کند.عدد Peclet (Pe = uL / D_ax)، جایی که u سرعت است، L طول است، D_ax ضریب پراکندگی محوری است) درجه مخلوط کردن را مشخص می کند: Pe < 1 (CSTR کاملا مخلوط) ، Pe = 1-20 (خلوط) ، Pe > 50 (تقریباً جریان پلاگ).پارامتر مدل مخازن سری N (N = 1 برای CSTR)، N > 10 برای تقریب PFR) یک نمایش RTD جایگزین را ارائه می دهد. راکتورهای زمان اقامت زمان های فضایی را از ثانیه (میکرو راکتورها، tau = 1-30 s) تا ساعت (پلیمریزاسیون CSTR،tau = 60 تا 300 دقیقه)، و تجزیه و تحلیل RTD برای سرکوب واکنش های جانبی، کنترل توزیع وزن مولکولی و کیفیت کریستالیزاسیون مداوم حیاتی است.

تجزیه و تحلیل رآکتور زمان اقامت بر اساس سه اصل اساسی حمل و نقل و احتمالات ساخته شده است:

• عملکرد توزیع زمان اقامت (RTD) E ((t) و روش های ردیابیتابع RTD E ((t) توزیع عمر خروج است: کسری از مایع که از راکتور بین زمان t و t+dt خارج می شود.یا ترکیبات رادیویی نشان داده شده) و نظارت بر غلظت خروجی C ((t). RTD عادی شده E ((t) = C ((t) / یکپارچه ((0 تا inf) C ((t) dt است. متوسط زمان اقامت t_mean = یکپارچه ((0 تا inf) t × E ((t) dt برابر با V / F (فضاء-زمان) برای سیستم های چگالی ثابت است.انحراف sigma ^ 2 = یکپارچه ((0 تا inf) (t - t_mean) ^ 2 x E ((t) dt گسترش را کمی کند و درجه مخلوط را نشان می دهد: سیگما^2 = 0 برای جریان پلگ ایده آل (PFR) ، سیگما^2 = تاو^2 برای CSTR ایده آل.
• پراکندگی محوری و تعداد پکت (Pe)مدل پراکندگی محوری انحراف از جریان پلگ را به عنوان یک فرآیند شبیه به پخش فیکی در حمل و نقل کنوکتوی بر می دارد: D_ax x d2C/dz2 - u x dC/dz = dC/dt،که D_ax ضریب پراکندگی محوری استعدد بی ابعاد Peclet Pe = uL / D_ax نسبت حمل کنوکتوی به انتقال پراکنده را اندازه گیری می کند. Pe > 50 به این معنی است که پراکندگی ناچیز است (نظام جریان پلاگ).Pe = 1-20 به معنای مخلوط مجدد قابل توجهی استبرای راکتورهای بستر بسته، Pe = (u x D_p) / D_ax x (L/D_p) = 2-12 در هر قطر ذره (ارزش معمولی از همبستگی Bereknoff-Baerns).
• مدل مخازن در سری و پارامتر Nمدل مخازن در سری راکتور را به عنوان N CSTR با حجم برابر در سری نشان می دهد، با N = sigma ^ 2 / tau ^ 2 (از تجزیه و تحلیل انحراف). N = 1 یک CSTR واحد است (sigma ^ 2 = tau ^ 2) ؛N > 10 تقریبا جریان پلگ (sigma^2 -> 0)این مدل به ویژه برای مقیاس بندی مفید است زیرا حفظ ثابت N در مقیاس ها شباهت حرکتی را از نظر رفتار زمان اقامت تضمین می کند.برای یک آبشار راکتور با N = 3 CSTR (هر 100 L)، کل V = 300 L، F = 10 L/min، tau_total = 30 min) ، تبدیل برای یک واکنش درجه اول (k = 0.05 /min) X = 1 - (1 + k x tau/N) ^(-N) = 1 - (1.5) ^(-3) = 1 - 0.296 = 70.4%.

راکتورهای صنعتی با زمان اقامت با شکل RTD و مقادیر Pe/N مشخص می شوند:

• راکتور جریان پلاگ (PFR) - RTD محدوددر PFR ایده آل، تمام عناصر مایع زمان اقامت یکسان دارند (tau = V / F، sigma ^ 2 = 0). PFR های واقعی (توبولار، بسته بندی بستر، میکروکانال) با Pe > 50 و N > 10 به این نزدیک می شوند.RTD یک قله گاوسی باریک است که مرکز آن در تاو است.PFR ها تبدیل را برای واکنش های مثبت (کم تر از CSTR) به حداکثر می رسانند و برای انتخابی واکنش های موازی در حالی که زمان تماس کوتاه مورد نیاز است، ترجیح می دهند.راکتورهای لوله ای (L/D > 50)، Pe = 50-1000) ، راکتورهای کاتالیتیک بستری بسته بندی شده (Pe = 10-100) ، میکرو راکتورها (Pe = 50-500).
• راکتور مخزن مخلوط مداوم (CSTR) - RTD گستردهیک CSTR ایده آل دارای RTD نمایی است: E ((t) = (1/tau) x exp ((-t/tau) ، با سیگما ^ 2 = tau ^ 2.توزیع گسترده به این معنی است که برخی از عناصر مایع بلافاصله خارج می شوند (شورت سرک) و برخی دیگر بسیار طولانی تر باقی می مانندCSTR ها برای: واکنش هایی که در آن انتخابی بودن به غلظت پایین واکنش دهنده (دقیق شدن فوری در ورود) ، یکسانی دمایی در واکنش های exothermic،و کنترل آسان واکنش های آهسته. کاسکدها از 3 تا 5 CSTRs RTD را محدود می کنند (N = 3-5) و برای اهداف عملی به تبدیل PFR نزدیک می شوند.
• راکتور جریان لامینری و سیستم های غیر ایده آل RTDدر جریان لامینری (Re < 2100) ، مشخصات سرعت پارابولیک RTD گسترده ای را ایجاد می کند: E ((t) = tau ^ 2 / (2 x t ^ 3) برای t > tau / 2 ، به این معنی که برخی از عناصر دو برابر سریعتر از میانگین حرکت می کنند.این رفتار غیر ایده آل توسط مخلوط کننده های استاتیک اصلاح می شود، پراکندگی تیلور (پراکندگی شعاعی در لوله های پیچیده) ، یا بسته بندی داخلی. RTD های غیر ایده آل از مناطق مرده (مناطق ایستاده) و دور زدن (کانال های مدار کوتاه) با تست های ردیابی تشخیص داده می شوند:حجم مرده به عنوان زمان متوسط اقامت کاهش یافته نشان داده می شود (t_ اندازه گیری شده < V/F)، در حالی که دور زدن به عنوان یک اوج اولیه در E ((t) ظاهر می شود.

سوال: توزیع زمان اقامت (RTD) چیست و چگونه در یک راکتور اندازه گیری می شود؟

A: تابع RTD E ((t) توزیع احتمال سن خروج است: کسری از مایع که از راکتور بین زمان t و t+dt خارج می شود.آن را با تزریق یک پالس ردیاب غیر واکنشی (دخول دیراک دلتا) و نظارت بر غلظت خروجی C ((t) در طول زمان اندازه گیری می شود.. E ((t) = C ((t) / یکپارچه ((0 تا inf) C ((t) dt. میانگین زمان اقامت t_mean = یکپارچه ((0 تا inf) t x E ((t) dt باید برابر با V / F برای سیستم های چگالی ثابت باشد. انحراف سیگما ^ 2 گسترش را اندازه گیری می کند:سیگما^2 = 0 برای PFR ایده آل (همه عناصر زمان اقامت یکسان)، sigma^2 = tau^2 برای CSTR ایده آل (توزیع افسانوی گسترده) ، آزمایش های ورودی مرحله ای (تغییر ناگهانی از خوراک بدون ردیاب به مواد ردیاب بار) ، RTD F(t را فراهم می کند،که مکمل آن حجم مرده و دور زدن را مشخص می کند..

س: چگونه عدد Peclet (Pe) با مخلوط مجدد و تبدیل راکتور ارتباط دارد؟

A: Pe = uL / D_ax نسبت حمل کنوکتوی به محوری پراکنده را اندازه گیری می کند. Pe > 50 به این معنی است که پراکندگی ناچیز است (جريان نزدیک پلگ، حداقل مخلوط مجدد).Pe = 1-20 به معنای مخلوط مجدد قابل توجهی (غیر ایده آل). Pe < 1 به این معنی است که راکتور به عنوان یک CSTR کاملا مخلوط رفتار می کند.Pe بالاتر (بیشتر مانند جریان پلاگین) تبدیل را برای واکنش های مثبت افزایش می دهد (n > 0) زیرا مخلوط کردن مجدد غلظت واکنش دهنده را رقیق می کند و نرخ را کاهش می دهدبرای یک واکنش درجه یک در یک راکتور لوله ای با Pe = 50 و Da = 2 ، تبدیل 86.5٪ (در مقابل 87.5٪ برای PFR ایده آل ، یک ضرر 1٪) است. در Pe = 5 (تفاوت قابل توجهی) ، تبدیل به 80٪ کاهش می یابد.برای واکنش های صفری یا اتوکاتالیز، مخلوط کردن بیشتر می تواند سودمند باشد.

سوال: مدل مخازن سری چیست و پارامتر N چگونه تعیین می شود؟

A: مدل مخازن در سری راکتور را به عنوان CSTRهای ایده آل N حجم برابر در سری نشان می دهد. پارامتر N از انحراف RTD اندازه گیری شده تعیین می شود: N = tau ^ 2 / sigma ^ 2. N = 1 یک CSTR واحد است.N > 10 جریان لگن را تخمین می زند. این مدل برای مقیاس بندی مفید است زیرا حفظ ثابت N رفتار مشابه RTD را در مقیاس ها تضمین می کند. تبدیل برای یک واکنش درجه یک X = 1 - (1 + k x tau_total / N) ^(-N است.برای مثال، یک کاسکاد 3-CSTR با tau_total = 30 دقیقه و k = 0.05 / دقیقه X = 1 - (1 + 0.05 x 10) ^ ((-3) = 1 - 0.296 = 70.4٪ را در مقایسه با 77.7٪ برای PFR ایده آل با همان کل tau می دهد.

س: مناطق مرده و دور زدن عملکرد راکتور زمان اقامت را چگونه تحت تاثیر قرار می دهد؟

ج: مناطق مرده (منطقهای ایستاده) حجم واقعی راکتور را کاهش می دهند و زمان متوسط اقامت اندازه گیری شده را زیر V / F (t_measured < tau_nominal) کوتاه می کنند.دور زدن (کانال های مدار کوتاه) باعث اوج اولیه در E ((t) می شود.، به این معنی که برخی از مایعات بسیار سریعتر از زمان اقامت اسمی خارج می شوند. هر دو تبدیل را برای واکنش های نظم مثبت کاهش می دهند. یک راکتور با حجم مرده 20٪ دارای tau موثر = 0.8 x V / F ،کاهش تبدیل به طور متناسبدور زدن به ویژه برای انتخاب پذیری مضر است زیرا مایع کوتاه مدت محل اقامت تبدیل ناقص را مشاهده می کند در حالی که مایع طولانی مدت بیش از حد به محصولات جانبی واکنش نشان می دهد.آزمایش های ردیابی تشخیصی با ورودی مرحله ای حجم مرده (توسط t_reduced) و دور زدن (افزایش F ((t)) اولیه) را نشان می دهد.