การไหลของปลั๊กเป็นคุณลักษณะที่สำคัญของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ ดังนั้นจึงสามารถป้อนโมเลกุลสองโมเลกุลเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ได้ในเวลาน้อยลงและออกในเวลาเดียวกัน ปลั๊กไหล เครื่องปฏิกรณ์ ให้การควบคุมเวลาปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพเมื่อปรับการแบ่งตัวทำปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ให้เหมาะสม ดังนั้นการไหลของปลั๊กที่ดีจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพที่ดีในเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เคมีแบบปลั๊กโฟลว์มักเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์หรือเครื่องปฏิกรณ์ PFR เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์หรือ PFR เป็นเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปประเภทที่สามที่สารอาหารถูกป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์อย่างต่อเนื่อง และเคลื่อนที่ไปทั่วเครื่องปฏิกรณ์ในลักษณะ 'ปลั๊ก' บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของก เครื่องปฏิกรณ์ไหลแบบปลั๊ก การทำงานและการประยุกต์ของมัน
เครื่องปฏิกรณ์แบบ Plug Flow คืออะไร?
เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลแบบปลั๊กหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลแบบลูกสูบเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลในอุดมคติแบบสี่เหลี่ยมซึ่งใช้การไหลของของไหลอย่างต่อเนื่องเพื่อแปรรูปวัสดุทั่วทั้งท่อ เครื่องปฏิกรณ์นี้ใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยาเคมีภายในท่อทรงกระบอก โดยที่การผสมปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดจะถูกจ่ายด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกันตามทิศทางการไหล ดังนั้น ไม่มีการบูรณาการหรือการไหลย้อนกลับ
เครื่องปฏิกรณ์นี้มีท่อทรงกระบอกที่มีช่องเปิดที่ปลายทุกด้านสำหรับสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่ใช้จ่ายสารตั้งต้น เพื่อรักษาปฏิกิริยาที่สม่ำเสมอในเครื่องปฏิกรณ์นี้ น้ำที่อุณหภูมิคงที่จะถูกจ่ายให้กับเครื่องปฏิกรณ์ การไหลของปลั๊กเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นี้โดยการป้อนวัสดุอย่างต่อเนื่องจากปลายด้านหนึ่งไปและอีกด้านหนึ่ง โดยจะดึงวัสดุออกอย่างต่อเนื่อง วัสดุที่ผลิตบ่อยครั้งใน PFR ได้แก่ ปิโตรเคมี โพลีเมอร์ เภสัชภัณฑ์ ฯลฯ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีการใช้งานที่หลากหลายในระบบเฟสของเหลวหรือแก๊ส
เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ให้การควบคุมเวลาคงอยู่และสภาวะของปฏิกิริยาที่โดดเด่น ดังนั้นจึงให้การเปลี่ยนแปลงในระดับสูง และเข้ากันได้กับปฏิกิริยาผ่านการปลดปล่อยความร้อนสูง (หรือ) ความไวต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดบางประการหากไม่มีการผสมในแนวรัศมีและการผสมตามแนวแกน
คุณสมบัติที่สำคัญ
คุณสมบัติที่สำคัญของเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์มีดังต่อไปนี้
การไหลแบบทิศทางเดียว
ใน PFR สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวตามความยาวของเครื่องปฏิกรณ์โดยไม่ต้องผสมกลับ
การไล่ระดับความเข้มข้น
ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในเครื่องปฏิกรณ์นี้จะเปลี่ยนไปตามความยาวของเครื่องปฏิกรณ์ แม้ว่าจะมีความสม่ำเสมอทั่วทั้งส่วนใดๆ ในแนวตั้งกับการไหลก็ตาม
เวลาพักอาศัย
เวลาพัก ปริมาตรของตัวทำปฏิกิริยาแยกต่างหากที่ใช้ภายใน PFR เรียกว่า เวลาพัก และจะคงที่สำหรับทุกปริมาตร
หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์แบบเสียบไหล
เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ทำงานโดยการออกซิไดซ์แอลกอฮอล์และสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ เพื่อผลิตสารเคมีชั้นดี เช่น; เม็ดสีและสีย้อม ของไหลในเครื่องปฏิกรณ์นี้เคลื่อนที่ในลักษณะต่อเนื่องและสม่ำเสมอทั่วทั้งท่อหรือท่อ สารตั้งต้นจะเข้าไปที่ปลายด้านหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้ไหลไปทั่วเครื่องปฏิกรณ์และมีอยู่ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง
ลักษณะการไหลของปลั๊กในเครื่องปฏิกรณ์นี้ช่วยให้แน่ใจว่าตัวทำปฏิกิริยาเคมีจะต้องเผชิญกับสภาวะที่คล้ายคลึงกันผ่าน PFR และเวลาที่อาศัยของตัวทำปฏิกิริยาทุกตัวจะเท่ากัน ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์จึงเป็นตัวเลือกที่โดดเด่นสำหรับปฏิกิริยาหลักที่ต้องการการควบคุมเวลา อุณหภูมิ และความดันที่คงอยู่อย่างแม่นยำ
แผนภาพเครื่องปฏิกรณ์แบบเสียบไหล
การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์สามารถทำได้โดยใช้แคปิลลารีบางประเภทซึ่งเป็นท่อขนาดเล็ก (หรือ) ช่องที่ยึดเข้ากับแผ่น นี่คือชุดเครื่องปฏิกรณ์แบบต่อเนื่องที่มีทางเข้าของสารตั้งต้นและทางออกของปริมาณสารปฏิกรณ์ซึ่งจะดำเนินการอย่างต่อเนื่องตลอดการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์
เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ (PFR) ไม่มีเครื่องกวนซึ่งมีรูปทรงทรงกระบอกซึ่งช่วยให้ของไหลพัฒนาได้ด้วยการผสมกลับในปริมาณขั้นต่ำ ส่งผลให้อนุภาคของของไหลทั้งหมดที่เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์มีเวลาคงอยู่ใกล้เคียงกัน . เครื่องปฏิกรณ์นี้ถือได้ว่าเป็นชุดของชิ้นของเหลวบางๆ ซึ่งประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์เล็กๆ ที่ถูกคนจนหมดในชิ้นเพื่อเคลื่อนไปข้างหน้าภายในเครื่องปฏิกรณ์เหมือนกับลูกสูบ
สมการสำหรับความสมดุลของมวลทั่วไปสามารถแสดงได้ดังต่อไปนี้สำหรับชิ้นส่วนของเหลวชิ้นใดชิ้นหนึ่งภายในเครื่องปฏิกรณ์:
ทางเข้า = ทางออก + ปริมาณการใช้ + การสะสม
หน่วยของทุกองค์ประกอบของนิพจน์ข้างต้นคืออัตราการเดินของวัสดุ เช่น โมล/วินาที
ปลั๊กไหลสมการเครื่องปฏิกรณ์มา
เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์เป็นเครื่องปฏิกรณ์ในอุดมคติที่อนุภาคทั้งหมดในส่วนใดส่วนหนึ่งมีความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่เท่ากัน ในเครื่องปฏิกรณ์การไหลแบบปลั๊ก (PFR) ไม่มีการไหลย้อนกลับหรือการผสม ดังนั้นการไหลของของไหล เช่น ปลั๊กจากด้านทางเข้าไปยังทางออกจะแสดงในรูปด้านล่าง
เครื่องปฏิกรณ์นี้ถูกสร้างขึ้นโดยขึ้นอยู่กับความสมดุลของมวลและความสมดุลของความร้อนภายในปริมาณของเหลวที่แตกต่างกัน หากเราจินตนาการว่ากระบวนการนี้มีอุณหภูมิคงที่ ก็จะพิจารณาเฉพาะความสมดุลของมวลเท่านั้น
หากเราจินตนาการว่าความเข้มข้นของสารทำปฏิกิริยาในสภาวะคงตัวจะไม่เปลี่ยนแปลงในที่สุด เป็นวิธีการทั่วไปของการดำเนินการของ PFR สมการทางคณิตศาสตร์สำหรับ PFR สามารถเขียนง่ายๆ ได้ดังนี้
udCi/dx = แหล่งที่มา
ซี(0) = ซี(ฉ)
0≤ x ≤ ลิตร
โดยที่ 'Ci' คือสารตั้งต้น, 'i' คือความเข้มข้น, 'u' คือความเร็วของของไหล, 'νi' คือสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์, 'r' คืออัตราการเกิดปฏิกิริยา & 'x' คือตำแหน่งภายในเครื่องปฏิกรณ์ 'Caf' เป็นสารตั้งต้น ความเข้มข้นที่ทางเข้าของเครื่องปฏิกรณ์ & 'L' คือความยาวของเครื่องปฏิกรณ์ ความเร็วของของไหล 'u' วัดได้ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของปริมาตร Fv (m3/s) และพื้นที่หน้าตัดของเครื่องปฏิกรณ์ S (m^2):
u=Fv/S
ใน PFR ในอุดมคติ อนุภาคของเหลวทั้งหมดอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์เป็นระยะเวลาเท่ากันอย่างแม่นยำ ซึ่งเรียกว่าที่อยู่อาศัยเฉลี่ย ซึ่งวัดเป็น;
ที =แอล/ยู
โดยปกติแล้วข้อมูลเวลาคงอยู่จะใช้ภายในวิศวกรรมเครื่องปฏิกรณ์เคมีเพื่อคาดการณ์ความเข้มข้นของการเปลี่ยนแปลงและทางออก
ปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้ลำดับที่หนึ่ง
ให้เราพิจารณาปฏิกิริยาการสลายตัวอย่างง่าย:
ก–>บี
เมื่อใดก็ตามที่ปฏิกิริยาไม่สามารถย้อนกลับได้และเป็นลำดับแรก เราจะมี:
udCa/dx = -kCa
โดยที่ 'k' คือค่าคงที่จลน์ โดยทั่วไปค่าคงที่จลน์จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก โดยทั่วไปสมการอาร์เรเนียสสามารถใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์นี้ได้ ในกรณีนี้ เราจะถือว่ามีสภาวะอุณหภูมิคงที่ ดังนั้นจะไม่ใช้การขึ้นต่อกันนี้
แบบจำลองสำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้ลำดับที่หนึ่งสามารถแก้ไขได้อย่างมีเหตุผล ดังนั้นวิธีแก้ปัญหาจะเป็นดังนี้:
Ca = Cafexp(-x*k/u)
ปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้ลำดับที่สอง
ตัวอย่างปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับลำดับที่สองได้ ให้เราใช้ตัวอย่างด้านล่าง:
2เอ - บี
เมื่อปฏิกิริยาไม่สามารถย้อนกลับได้และเป็นลำดับที่สอง เราจะได้:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
ลักษณะเฉพาะของเครื่องปฏิกรณ์แบบเสียบไหล
คุณลักษณะของเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์มีดังต่อไปนี้
- สารตั้งต้นในเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์จะไหลไปทั่วเครื่องปฏิกรณ์ในลักษณะการไหลต่อเนื่องโดยมีการผสมเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย
- ปฏิกิริยาใน PFR เกิดขึ้นเมื่อสารตั้งต้นเคลื่อนที่ตามความยาวของเครื่องปฏิกรณ์
- ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะเปลี่ยนไปตามความยาวของเครื่องปฏิกรณ์ และโดยทั่วไปอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสูงขึ้นที่ทางเข้า
- เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มักใช้สำหรับปฏิกิริยาเมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงในปริมาณมาก และที่ใดก็ตามที่ความเร็วของปฏิกิริยาไม่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของการดูดซับ
- โดยปกติระยะเวลาพำนักภายใน PFR จะสั้น
- ฟิล์มชีวะก่อตัวใกล้กับส่วนต่อประสานระหว่างอากาศและของเหลว โดยจำลองสภาพแวดล้อม เช่น ช่องปาก พื้นผิวหินเปียก และม่านอาบน้ำ
- เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้จะสร้างฟิล์มชีวะสม่ำเสมอโดยมีแรงเฉือนต่ำ ซึ่งสามารถนำมาใช้ได้เหมือนกับเครื่องปฏิกรณ์แก้วแบบคงที่เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของสารฆ่าจุลินทรีย์
- แผ่นชีวะของเครื่องปฏิกรณ์นี้ได้รับการวิเคราะห์อย่างง่ายดายด้วยวิธีการต่างๆ เช่น การนับจำนวนเพลทที่มีชีวิต การกำหนดความหนา และกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
- สารตั้งต้นใน PFR ถูกใช้อย่างต่อเนื่องเนื่องจากไหลลงไปตามความยาวของเครื่องปฏิกรณ์
PFR ทั่วไปอาจเป็นท่อที่บรรจุด้วยวัสดุแข็งบางชนิด
ข้อดีและข้อเสีย
ที่ ข้อดีของเครื่องปฏิกรณ์แบบเสียบไหล รวมสิ่งต่อไปนี้
- ข้อได้เปรียบของ PFR ที่เหนือกว่า CSTR คือเครื่องปฏิกรณ์นี้มีปริมาตรต่ำสำหรับระดับกาล-เวลาและการแปลงที่ใกล้เคียงกัน
- เครื่องปฏิกรณ์ต้องการพื้นที่น้อยกว่า & ปริมาณการแปลงภายใน PFR สูง เมื่อเปรียบเทียบกับ CSTR สำหรับปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ที่ใกล้เคียงกัน
- เครื่องปฏิกรณ์นี้ถูกใช้บ่อยครั้งในการตัดสินใจเกี่ยวกับกระบวนการจลนพลศาสตร์ของตัวเร่งปฏิกิริยาในเฟสก๊าซ
- เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพมากในการจัดการปฏิกิริยา และสำหรับปฏิกิริยา 'ทั่วไป' กลุ่มใหญ่ ส่งผลให้เกิดอัตราการแปลงที่สูงขึ้นสำหรับปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์แต่ละเครื่อง เมื่อเปรียบเทียบกับ CSTR (เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนแบบต่อเนื่อง)
- เครื่องปฏิกรณ์มีความเหมาะสมเป็นอย่างดีสำหรับปฏิกิริยาที่รวดเร็ว
- การถ่ายเทความร้อนใน PFR สามารถจัดการได้ค่อนข้างดีเมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์แบบถัง ซึ่งนำไปสู่ความพอดีที่ดีเยี่ยมสำหรับระบบคายความร้อนระดับสูงสุด
- เนื่องจากลักษณะการไหลของปลั๊กและไม่มีการผสมกลับ จึงมีเวลาคงตัวที่สม่ำเสมอในนามของสารตั้งต้นทั้งหมด ซึ่งนำไปสู่คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเวลาคงตัวขนาดใหญ่ทำให้เกิดการปนเปื้อนและการไหม้เกรียม และอื่นๆ อีกมากมาย
- การบำรุงรักษาเครื่องปฏิกรณ์แบบ Plug Flow เป็นเรื่องง่ายเนื่องจากไม่มีองค์ประกอบที่เคลื่อนไหว
- สิ่งเหล่านี้เป็นกลไกที่เรียบง่าย
- อัตราการแปลงของมันสูงสำหรับปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ทุกเครื่อง
- คุณภาพสินค้าไม่เปลี่ยนแปลง
- ยอดเยี่ยมในการศึกษาปฏิกิริยาที่รวดเร็ว
- ปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพมาก
- ยอดเยี่ยมสำหรับกระบวนการที่มีความจุขนาดใหญ่
- แรงดันตกน้อยลง
- ไม่มีการผสมกลับ
- ความสามารถในการปรับขนาดโดยตรง
- การควบคุมเวลาที่อยู่อาศัยอย่างมีประสิทธิภาพ การควบคุมอุณหภูมิ การผสมที่มีประสิทธิภาพ ความแปรผันแบบแบทช์ต่อแบทช์มีจำกัด ฯลฯ
ที่ ข้อเสียของเครื่องปฏิกรณ์ไหลแบบปลั๊ก รวมสิ่งต่อไปนี้
- ใน PFR ประสิทธิภาพการตอบสนองแบบคายความร้อนนั้นควบคุมได้ยากเนื่องจากมีโปรไฟล์อุณหภูมิที่หลากหลาย
- สำหรับ PFR ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและการดำเนินงานมีค่าใช้จ่ายสูงเมื่อเทียบกับ CST
- การควบคุมอุณหภูมิเป็นเรื่องยากสำหรับเครื่องปฏิกรณ์
- จุดร้อนเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ทุกครั้งที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน
- เป็นการยากที่จะควบคุมเนื่องจากองค์ประกอบและอุณหภูมิที่แปรผัน
- PFR มีราคาแพงในการออกแบบและบำรุงรักษาเนื่องจากมีการออกแบบและการประกอบที่ซับซ้อน
- โดยทั่วไปแล้ว PFR ได้รับการออกแบบมาเพื่อการทำปฏิกิริยาที่แม่นยำ และอาจไม่สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงภายในวัตถุดิบตั้งต้นหรือสภาวะของปฏิกิริยาได้
- สิ่งเหล่านี้บำรุงรักษาและทำความสะอาดได้ยากเนื่องจากมีการออกแบบที่แคบและยาว
- สารตั้งต้นใน PFR สามารถไหลไม่สม่ำเสมอซึ่งนำไปสู่จุดร้อนหรือปฏิกิริยาที่ไม่สมบูรณ์
- เป็นสิ่งสำคัญมากที่ต้องจำไว้ว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ไม่เหมาะกับการใช้งานทั้งหมด ดังนั้นเราต้องวิเคราะห์เวลาที่อยู่อาศัย จลนศาสตร์ ปัญหาการเลือก ฯลฯ อย่างรอบคอบ เพื่อตัดสินใจว่าเครื่องปฏิกรณ์ประเภทใดเหมาะสมกับการใช้งาน
การใช้งาน
การใช้งานของเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์มีดังต่อไปนี้
- PFR ถูกนำมาใช้โดยทั่วไปในปุ๋ย การผลิตสารเคมีขนาดใหญ่ ปิโตรเคมี และยา
- เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ถูกใช้ภายในกระบวนการโพลีเมอไรเซชัน เช่น การผลิตโพลีโพรพีลีนและโพลีเอทิลีน
- เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์เหมาะสำหรับระบบปฏิกิริยาของเหลว-ของแข็ง และก๊าซ-ของแข็ง
- เหมาะสำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกันหรือเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ไฮโดรจิเนชันของน้ำมันและไขมัน
- PFR ใช้สำหรับออกซิไดซ์แอลกอฮอล์และสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ และเพื่อสร้างสารเคมีขนาดเล็ก เช่น เม็ดสีและสีย้อม
อย่างนี้นี่เอง ภาพรวมของเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ , การทำงาน ข้อดี ข้อเสีย และการประยุกต์ การออกแบบและการเลือกเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลที่ดียังคงเป็นศิลปะ และความรู้หลายปีที่ทำให้คุณปรับปรุงในการเลือก บางครั้ง เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์เรียกอีกอย่างว่า CTR (เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อต่อเนื่อง) ในรูปแบบอุดมคติ รูปร่างของปฏิกิริยาผสมสามารถวัดได้โดยประกอบด้วยปลั๊กบางตัว และปลั๊กทุกตัวมีความเข้มข้นสม่ำเสมอ PFR นี้สมมุติว่าไม่มีการผสมในแนวแกน ดังนั้นจึงไม่มีการผสมกลับในเครื่องปฏิกรณ์ นี่คือคำถามสำหรับคุณ เครื่องปฏิกรณ์คืออะไร?
