O que são reatores de fluxo contínuo

O que é um reator de fluxo contínuo, e que configuração se adapta a que química?Um reator de fluxo contínuo é um reator alimentado continuamente com reagentes e descarregado continuamente com produto,de modo que a composição e a temperatura são constantes em todos os pontos do tempo, embora variem com a posição ao longo do caminho do fluxoO reator de fluxo de enchufe, onde os elementos fluidos se movem como baboseiras coerentes com um número de Peclet superior a 100, o reator de tanque de agitação contínua, que é totalmente re-misturado;uma cascata de 3 a 6 reservatórios mexidos que se aproximam do fluxo do plugueO tempo de residência tau é igual ao volume do recipiente dividido pela taxa de fluxo volumétrico e varia de segundos a 8 horas.

1. Selecção da configuração contínua correta

A escolha da configuração é impulsionada pelo número de Damköhler e se a reação precisa de mistura, remoção de calor ou uma fase sólida.

• Reator de fluxo por enchufe (PFR):Um reator tubular ou de placa no qual a mistura axial é insignificante e a mistura radial é completa, dando um número de Peclet superior a 100.Porque a concentração é maior na entrada e cai monotonicamente ao longo do comprimento, um PFR atinge uma conversão maior do que um CSTR do mesmo volume para qualquer reação de ordem positiva, e maximiza a seletividade em relação a um intermediário em uma reação consecutiva de A a B a C.Os passivos são queda de pressão, que se escala com L/d^2, e formação de pontos quentes em serviço exotérmico, que é gerido por injecção em etapas de um reagente ou por várias zonas de arrefecimento ao longo do comprimento.
• Reator de tanque de agitação contínua (CSTR):Um recipiente de re-mistura cujo conteúdo é uniforme na composição da saída, correspondente a um número de Peclet que se aproxima de zero e a uma distribuição exponencial do tempo de residência.A composição uniforme torna ideal um CSTR onde a concentração do reagente deve ser mantida baixa e constante, por exemplo, na polimerização para controlar a distribuição do peso molecular, ou em reações sujeitas à inibição do substrato.É também a escolha certa para lodos e meios viscosos que um reator tubular não pode lidarA pena é o volume: para uma reação de segunda ordem a 99% de conversão, uma única CSTR necessita de aproximadamente 100 vezes o volume de uma PFR.
• Cascata CSTR:Três a seis tanques mexidos em série recuperam a maior parte da vantagem do fluxo do plugue, mantendo a capacidade de lidar com lulas, adicionar reagentes entre os estágios e remover calor por estágio.O DTI é descrito pelo modelo de tanques em série, onde N tanques iguais dão uma variância adimensional de 1/N, de modo que seis tanques reduzem a propagação para um sexto de um único tanque.hidrogenação com adição por etapas de hidrogénio, e qualquer processo em que um reagente deva ser dosado em vários pontos em vez de todos na entrada.
• Reatores de cama de embalagem e de cama de gotejamento:Para a catálise heterogênea, um leito fixo de partículas de catalisador de 1 a 5 mm de diâmetro dá um inventário de catalisadores muito elevado por unidade de volume sem qualquer etapa de filtragem.A operação do leito de gotejamento passa gás e líquido simultaneamente para baixo sobre o leito e é o cavalo de batalha do tratamento hidrotráfico, hidrogenação e oxidação a 1-30 MPa. As restrições de projeto são queda de pressão, descrita pela equação de Ergun; canalização e fluxo de parede,evitado mantendo a relação diâmetro cama-partículas acima de 10 e utilizando um bom distribuidorO aquecimento é gerido por um grande leito adiabático, que pode ser gerido por um aquecimento a frio ou por leitos múltiplos com intercooling.

2Intensificação dos processos e disciplina operacional

O processamento contínuo oferece a sua vantagem quando o reator é projetado para condições intensificadas e operado com uma estratégia de controlo definida.

• Funcionamento na nova janela de processo:A intensificação do processo significa funcionar em condições que um recipiente de lote não pode atingir com segurança: temperatura mais alta, pressão mais alta e concentração mais alta.Um reator contínuo fechado funciona facilmente a 100-300°C e 2-10 MPa porque não há espaço de cabeça e o inventário de reação a qualquer instante é pequeno, muitas vezes 1-10 L em vez de 5.000 L. A execução de 100 ° C acima do ponto de ebulição atmosférica pode acelerar uma reação de 100 a 1.000 vezes,reduzir o tempo de permanência de horas para segundos e o volume do reator proporcionalmenteO caso da segurança melhora ao mesmo tempo porque o inventário total de substâncias perigosas diminui em ordens de magnitude.
• Tempo de residência e matemática de conversão:Para uma reação de primeira ordem, a conversão X = 1 - exp ((-k·tau), então 99% da conversão precisa de k·tau de 4,6 e 95% precisa de 3.0Para uma reação de segunda ordem em um PFR, k·CA0·tau = X/(1-X), portanto 99% precisa de um valor de 99.Essas relações tornam o tempo de residência a principal variável de design e explicam por que a temperatura é a alavanca de transferência mais forte: o aumento da temperatura para o dobro k reduz pela metade o tempo de residência necessário e duplica a capacidade de produção para o mesmo volume.Verifique sempre se o perfil de selectividade e impurezas mantém-se a uma temperatura mais elevada antes de explorar este material..
• Iniciação, desligamento e desvio:Um reator contínuo não está em estado estacionário durante o arranque, desligamento e qualquer perturbação, e o material produzido nesses períodos é geralmente fora de especificação.Um projeto disciplinado define os estados explicitamente, dimensionam a transição e instalam válvulas automáticas de desvio que direcionam o material para um receptor de rejeição até que a temperatura, pressão, fluxo,e composição estão todos dentro dos seus intervalos comprovadamente aceitáveis durante um período definidoA lógica de desvio, incluindo o que a desencadeia e o que a elimina, deve ser inscrita na especificação de controlo na fase de concepção e verificada durante a colocação em serviço, não acrescentada posteriormente.
• Monitorização e verificação do estado estacionário:A operação contínua depende de saber se a instalação está realmente em estado estacionário.queda de pressão no reator como indicador de contaminação e canalização, e composição on-line por NIR, Raman ou HPLC quando a química o justificar.Converte uma planta contínua de uma caixa preta em um processo controlado e fornece a base de evidências que os reguladores esperam para a fabricação contínua sob o ICH Q13.

Configurações dos reatores de fluxo contínuo Matriz de comparação

Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Qual é a principal vantagem de um reator de fluxo contínuo em relação a um reator de lote?

R: Três vantagens predominam: transferência de calor: a relação superfície/volume é de 100 a 10 000 m2/m3 contra 5 a 50 m2/m3 num recipiente de lote,Assim, as reações altamente exotérmicas podem ser executadas com segurança em alta concentração em vez de serem diluídas e lentamente dosadas.Segurança: o inventário de reacção em qualquer momento é tipicamente de 1 a 10 litros em vez de vários metros cúbicos, o que torna muito mais seguras as substâncias químicas perigosas como a nitratação, a diazotização ou a fluoretação.ConsistênciaUma vez no estado estacionário, cada molécula vê a mesma história térmica e composição, de modo que a variabilidade de lote para lote desaparece e os perfis de impurezas são reproduzíveis.A operação contínua requer um investimento mais elevado na instrumentação e é menos flexível para campanhas de multiproduto com mudança frequente.

P: Como calculo o tempo de residência que preciso?

A: Medir ou obter a constante de velocidade k e a ordem de reação na temperatura pretendida, em seguida, aplicar a equação de projeto.Então tau = -ln(1-X) /kPara uma reação de segunda ordem com concentrações iniciais iguais, tau = X/(k·CA0·(1-X)), portanto, em k de 0,001 L/mol·s,CA0 de 2 mol/l, e 99% de conversão, tau é igual a 49.500 segundos ou cerca de 13,75 horas, razão pela qual a química lenta de segunda ordem geralmente precisa de uma cascata ou uma rota diferente em vez de um reator tubular.Adicionar sempre uma margem de 10-20% para fluxo não ideal.

P: O que é o número Damköhler e por que é importante?

R: O número de Damköhler é a relação entre o tempo de fluxo característico ou de transporte e o tempo de reação característico, Da = tau_flow/tau_reaction.O transporte é rápido em relação à reação e o reator é controlado cineticamente., então misturar detalhes mal afeta o resultado e escala-up é simples.A reação é rápida em relação à mistura e o resultado depende de quão rapidamente os reagentes são reunidos na escala molecular, que é onde os reatores de fluxo em micro e mesoscala fornecem seletividade que um recipiente mexido não pode. Regra prática: acima de Da de aproximadamente 0.1, começar a se preocupar com a micromissagem e especificar um misturador estático ou um reator de canal pequeno.

P: Os reatores de fluxo contínuo podem lidar com lodos e sólidos?

R: Sim, mas o projeto deve ser escolhido para isso.e são a escolha padrão para cristalização e precipitação em operação contínuaOs reatores tubulares podem transportar lama diluída se a velocidade linear permanecer acima da velocidade de sedimentação das partículas, tipicamente 0,1-0,5 m/s.se o diâmetro do canal for pelo menos dez vezes o tamanho máximo das partículas, e se o layout evitar corridas horizontais, curvas afiadas e zonas mortas onde os sólidos se acumulam.e aceitar um volume maior em troca da confiabilidade.