เครื่องปฏิกิริยาท่อคืออะไร หลักการ ประเภทและการใช้งาน

ตอบคําถามหลัก:ระบบปฏิกิริยาแบบท่อคืออะไร และทําไมพฤติกรรมการไหลของพล็อก (plug-flow) จึงมีประโยชน์ต่อกระบวนการเคมีอุตสาหกรรมมากมายเครื่องปฏิกิริยาท่อ คือ เครื่องปฏิกิริยาเคมีในรูปของท่อหรือท่อ โดยที่สารปฏิกิริยาไหลผ่านอย่างต่อเนื่องจากช่องเข้าสู่ช่องออก โดยมีการผสมผสานกลับอย่างน้อยดังนั้นของเหลวจะประพฤติประมาณเป็นปฏิกิริยาปั๊ก-ไหลของสมบูรณ์แบบ (PFR)ในโรงงานปฏิกิริยาแบบท่อ ความถี่และอุณหภูมิจะแตกต่างกันตามความยาวของท่อลดลงไปทางทางออกเมื่อมันถูกบริโภค แต่ยังคงคงเป็นแบบเดียวกันในส่วนตัดการปรับปรุงพื้นที่นี้หมายความว่า ธาตุของเหลวทุกชนิด จะมีช่วงเวลาและอุณหภูมิที่เหมือนกันการผลิตคุณภาพสินค้าแบบเดียวกัน และการบรรลุการแปลงสูงสุดต่อหน่วยปริมาณสําหรับปฏิกิริยาลําดับบวก.

1หลักการทํางานของเรอคเตอร์ทูบูลาร์

·**พฤติกรรมพหลก-ไหลและ RTD**ใน PFR ที่สมบูรณ์แบบ ธาตุของเหลวทั้งหมดมีเวลาการพํานักที่เหมือนกัน (RTD เป็นฟังก์ชันเดลต้า)ระบบปฏิกิริยาท่อจริงเข้าใกล้แนวคิดนี้เมื่อสัดส่วนความยาวต่อกว้าง (L / D) กว่า 50 และจํานวนเรย์โนลด์ (Re) กว่า 10,000 (กระแสความวุ่นวาย) การกระจายตัวทางแกน (การผสมผสานกลับ) เป็นลักษณะของจํานวน Peclet (Pe = u × L / Dax): Pe > 100 แสดงว่ากระแสการไหลของพล็อกที่เกือบสมบูรณ์แบบ การเบี่ยงเบนจากกระแสการไหลของพล็อกภูมิภาคตาย) ลดการแปลงและความเหมือนกันของสินค้าและลดลงโดยการออกแบบช่องเข้าที่เหมาะสมและเครื่องขัดกระแส

·**Adiabatic vs. Isothermal Operation** การทํางานแบบมีน้ําหนักสูงในตัวปฏิกิริยาท่อ adiabatic ไม่มีความร้อนเพิ่มขึ้นหรือถอนไปตามท่อ ดังนั้นอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงกับการแปลง:การปฏิกิริยา exothermic ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น (อุณหภูมิเพิ่มขึ้นด้วยการปรับปรุงน้ําหนัก = ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp))ผสมผสานไฟฟ้าในอัตราการปฏิกิริยาการถ่ายทอดความร้อนผ่านผนังท่อรักษาอุณหภูมิคงที่, จําเป็นต้องมีการออกแบบหลายท่อที่มีพื้นที่ถ่ายทอดความร้อนขนาดใหญ่

·**การลดความดันและการกระจายการไหลการไหลของของเหลวผ่านท่อสร้างการลดความดันจากการหด (ΔP = f × (L / D) × (ρ × u2/2)) ซึ่งเพิ่มขึ้นกับความยาว ความเร็วและความหยาบสมการเออร์กุนคาดเดา ΔP จากขนาดอนุภาค, ส่วนว่าง, และความเร็วของของเหลว. ความดันลดมากจํากัดความยาวของท่อและการผ่าน, จําเป็นต้องการคอมเพรสระหว่างการแปลง (สนับสนุนท่อยาว) และความดันลด (สนับสนุนสั้นท่อที่กว้างกว่า)การออกแบบแบบหลอดหลายหลอดที่มีหลอดปานกลางหลายพันหลอด แจกกระแสการไหลเวียนอย่างเท่าเทียมกันในขณะที่ยังคงการผ่านสูงทั้งหมด

2ประเภทหลักของเรอคเตอร์ท่อ

·**Adiabatic Tubular Reactor** เครื่องปฏิกิริยาท่อหลอดหรือภาชนะเดียวที่ไม่มีการถ่ายทอดความร้อน, ทํางานภายใต้สภาพ adiabatic อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ( exothermic) หรือลดลง (endothermic) ตลอดความยาวกับการแปลงใช้ในการปฏิกิริยาในระยะก๊าซที่มีผลกระทบความร้อนปานกลาง: การสังเคราะห์แอมมอนิโอค (อาเดียบัติกเบดที่มีการเย็นระหว่างระยะ) การแปลงกรดซัลฟูริค (SO2 → SO3) และการสังเคราะห์เมธานอล

·** ระบบปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนความร้อนหลายท่อ**หลอดขนาดเล็กหลายพันหลอด (20 หมื่น 50 มม) ที่บรรจุเครื่องกระตุ้น และถูกปิดไว้ในเปลือกที่ผ่านน้ําย้ายความร้อน (น้ําต้ม, เกลือหลอม, หรือน้ํามันร้อน) หมุนเวียนกว้างท่อขนาดเล็กให้ความสัมพันธ์พื้นที่สูงต่อปริมาณ (500,000 m2/m3) ทําให้การทํางาน isothermal ของปฏิกิริยา exothermic มาก: การสังเคราะห์ ethylene oxide (ΔH = -105 kJ/mol), phthalic anhydride, maleic anhydride ความยาวท่อของ 3พื้นที่ส่งความร้อนทั้งหมด 1หมื่นเมตร2

·** ระบบปฏิกิริยาท่อแบบกระดาษ (ระบบปฏิกิริยาท่อ) **หลอดเดียวหรือชุดหลอดที่มีเครื่องทําความร้อน / การทําความเย็นภายนอก ใช้ในการปฏิกิริยาในระยะของเหลวที่มีผลกระทบความร้อนปานกลาง: โพลิมเมอเรชั่นต่อเนื่อง (หลอด LDPE ระบบปฏิกิริยาที่ 2,000 ‰3,500 บาร์), esterification, hydrolysis, and neutralization. เครื่องผสมสติกในสายเพิ่มการผสมและการถ่ายทอดความร้อนแบบรัศมีประจําของ 50?? 300 มม, ความยาวของ 10?? 1,000 มม (มักจะม้วนหรือ serpentine),และเวลาพัก 1 ช่วง 60 นาที.

ประเภทของโรงงานปฏิกิริยาทูบูเลอร์

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

ความแตกต่างระหว่างเรอคเตอร์ท่อและ CSTR คืออะไร?

ระบบปฏิกิริยาแบบท่อ (PFR) มีการผสมผสานกลับอย่างน้อย: ไหลของเหลวจากช่องเข้าสู่ช่องออกด้วยการปรับปรุงความเข้มข้นในพื้นที่ (สูงที่สุดที่ช่องเข้า, น้อยที่สุดที่ช่องออก)เครื่องปฏิกิริยา CSTR (เครื่องปฏิกิริยาถังปั่นต่อเนื่อง) ผสมผสานกลับ: ถังทั้งหมดมีปริมาณปริมาณที่เท่ากันเท่ากับกระแสออกa PFR ประสบการแปลงสูงขึ้นต่อหน่วยปริมาตร เพราะอัตราปฏิกิริยาเฉลี่ย (ผลมาจากปริมาตรเฉลี่ยสูงกว่า). CSTR เป็นที่นิยมเมื่อมีการผสมผสานที่เข้มข้น (ปฏิกิริยาก๊าซ-ของเหลว, การแขวน); PFR เป็นที่นิยมสําหรับการแปลงสูงหรือการกระจายเวลาที่แคบ

ข้อดีของปฏิกิริยาหลายท่อเหนือท่อขนาดใหญ่เดียวคืออะไร?

ระบบปฏิกิริยาหลายท่อใช้ท่อขนาดเล็กหลายพันท่อ (2050 มม) แทนท่อขนาดใหญ่หนึ่งท่อ ซึ่งให้อัตราส่วนพื้นที่ต่อปริมาตรสูงกว่ามาก (5002,000 m2/m3 เทียบกับ 20100 m2/m3)ทําให้การทํางานแบบไอโซเทอร์มัลของปฏิกิริยาแบบไอโซเทอร์มิกสูง โดยการกําจัดความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพผ่านผนังท่อการสอดคล้องคือค่าทุนที่สูงขึ้น (พัน ๆ ท่อ, หนังท่อที่ซับซ้อน) และการลดความดันสูงขึ้นต่อหน่วยการผลิต

วิธีการคํานวณเวลาการพักในโรงงานปฏิกิริยาท่อ

สําหรับปฏิกิริยาท่อที่ว่างเปล่า (ไม่บรรจุ) เวลาที่พัก τ = V / Q, โดย V คือปริมาณของปฏิกิริยาและ Q คืออัตราการไหลของปริมาณ. สําหรับปฏิกิริยาคาตาลิติกที่บรรจุ, τ = V_empty / Q (ปริมาณว่าง)ในสภาพระยะแก๊สที่มีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นที่สําคัญ (เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ / ความดันหรือการเปลี่ยนแปลงของโมลของก๊าซ), ความเร็วท้องถิ่นจะแตกต่างกันตามท่อ, และการบูรณาการของสมการการออกแบบเป็นบัญชีสําหรับอัตราการไหลของปริมาตรการเปลี่ยนแปลง.

การเพิ่มอุณหภูมิแบบ adiabatic คืออะไร และทําไมมันจึงสําคัญ?

การเพิ่มอุณหภูมิ adiabatic คือ ΔT = (-ΔHr × X × CA0) / (ρ × Cp)แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเมื่อส่วน X ของสารปฏิกิริยาที่ปริมาณความเข้มข้นเริ่มต้น CA0 ตอบสนองกับความร้อนของปฏิกิริยา ΔHr ในของเหลวที่มีความหนาแน่น ρ และความจุความร้อน Cpสําหรับการสังเคราะห์เอธิลีนโอไซด์ (ΔH = -105 kJ/mol, CA0 = 2 mol/L, ρ = 1.5 kg/m3, Cp = 1.0 kJ/kg·K) การแปลง 10% ให้ ΔT = 700 °Cดังนั้นความจําเป็นของการปฏิกิริยานี้สําหรับปฏิกิริยาที่แลกเปลี่ยนความร้อนหลายท่อ.