مفاعل التدفق التوصيلي: العمل والاشتقاق والخصائص وتطبيقاته

يعد التدفق السدادي من الخصائص الهامة لهذه المفاعلات، لذلك يمكن إدخال أي جزيئين إلى المفاعل في وقت أقل والخروج في نفس الوقت. تدفق المكونات مفاعل يوفر وقت رد فعل فعال للتحكم عند تحسين تقسيم المواد المتفاعلة وكذلك المنتجات. لذلك، يعد التدفق الجيد للمكونات ضروريًا للأداء الجيد في المفاعلات. لذا فإن المفاعلات التي تستخدم كيمياء التدفق السدادي تسمى عادةً مفاعلات التدفق السدادي أو مفاعلات PFR. مفاعل التدفق التوصيلي أو PFR هو مفاعل من النوع العام الثالث حيث يتم إدخال العناصر الغذائية بشكل مستمر إلى المفاعل وتتحرك في جميع أنحاء المفاعل كـ 'قابس'. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على أ مفاعل تدفق المكونات وأعماله وتطبيقاته.

ما هو مفاعل تدفق المكونات؟

مفاعل تدفق المكونات أو مفاعل تدفق المكبس هو مفاعل تدفق مثالي من النوع المستطيل يستخدم تدفق مستمر للسوائل لمعالجة المواد عبر الأنبوب. يستخدم هذا المفاعل لتصوير التفاعلات الكيميائية داخل أنبوب أسطواني بحيث يتم توفير جميع تركيبات التفاعل الكيميائي بسرعة مماثلة على طول اتجاه التدفق، وبالتالي؛ لا يوجد تكامل أو ارتجاعي.

يشتمل هذا المفاعل على أنبوب أسطواني به فتحات في كل طرف للمواد المتفاعلة وكذلك المنتجات التي يتم من خلالها إمداد المواد المتفاعلة. للحفاظ على تفاعل منتظم في هذا المفاعل، يتم توفير الماء عند درجة حرارة ثابتة للمفاعل. يتم إنتاج تدفق السدادة في هذا المفاعل عن طريق إدخال المواد بشكل مستمر من طرف إلى آخر، وهو يزيل المواد بشكل مستمر. المواد التي يتم إنتاجها بشكل متكرر في PFR هي: البتروكيماويات، والبوليمرات، والمستحضرات الصيدلانية، وما إلى ذلك. تتمتع هذه المفاعلات بمجموعة واسعة من التطبيقات في أنظمة الطور السائل أو الغازي.

يوفر مفاعل التدفق السدادي تحكمًا رائعًا في وقت الإقامة بالإضافة إلى ظروف التفاعل. لذلك فهي توفر مستويات عالية من التحويل وتتوافق مع التفاعلات من خلال إطلاق الحرارة العالية (أو) الحساسية لتركيزات المواد المتفاعلة. ومع ذلك، لديهم بعض القيود دون الخلط الشعاعي والخلط المحوري ببساطة.

دلائل الميزات

تتضمن الميزات الرئيسية لمفاعل تدفق المكونات ما يلي.

التدفق أحادي الاتجاه

في PFR، تنتقل المواد المتفاعلة وكذلك المنتجات في اتجاه واحد على طول المفاعل دون خلط خلفي.

تدرج التركيز

يتغير تركيز المواد المتفاعلة والمنتجات في هذا المفاعل مع طول المفاعل على الرغم من ثباته عبر أي قسم رأسي للتدفق.

وقت الاقامة

وقت المكوث هو حجم متفاعل منفصل يتم إنفاقه ضمن PFR يسمى وقت المكوث ويكون ثابتًا لجميع الأحجام.

مبدأ عمل مفاعل التدفق

يعمل مفاعل التدفق السدادي عن طريق أكسدة الكحوليات والمركبات العضوية الأخرى لإنتاج مواد كيميائية دقيقة مثل؛ أصباغ وأصباغ. تتحرك السوائل الموجودة في هذا المفاعل بطريقة مستمرة وموحدة عبر الأنبوب أو الأنبوب. تدخل المواد المتفاعلة من أحد طرفي المفاعل لتتدفق في جميع أنحاء المفاعل وتتواجد في الطرف الآخر.

تضمن طبيعة التدفق السدادي في هذا المفاعل تعرض المواد الكيميائية المتفاعلة لظروف مماثلة من خلال PFR وأن كل زمن بقاء للمادة المتفاعلة هو نفسه. لذلك، يعد مفاعل التدفق السدادي خيارًا رائعًا للتفاعلات الرئيسية التي تحتاج إلى التحكم الدقيق في الوقت ودرجة الحرارة والضغط.

مخطط مفاعل التدفق

يمكن تصميم مفاعل التدفق السدادي باستخدام نوع ما من الشعيرات الدموية التي تكون عبارة عن أنبوب صغير (أو) قناة مثبتة في لوحة. هذا عبارة عن مجموعة مفاعلات مستمرة تحتوي على مدخل للمواد المتفاعلة ومخرج لمحتوى المفاعل، ويتم ذلك بشكل مستمر طوال فترة تشغيل المفاعل.

لا يحتوي مفاعل التدفق السدادي (PFR) على محرض ذو شكل أسطواني يسمح للسائل بالتطور بأقل كمية من الخلط الخلفي، ونتيجة لذلك، تتمتع جميع جزيئات السائل التي تدخل المفاعل بوقت بقاء مماثل . من المؤكد أن هذا المفاعل يمكن اعتباره سلسلة من شرائح السوائل الرقيقة، التي تشتمل على مفاعل دفعي صغير، يتم تحريكها بالكامل في الشريحة للمضي قدمًا داخل المفاعل مثل المكبس.

يمكن التعبير عن معادلة توازن الكتلة العام كما يلي لإحدى شرائح المائع داخل المفاعل:

المدخل = المخرج + الاستهلاك + التراكم

وحدات كل مكون من التعبير أعلاه هي معدل تشغيل المادة مثل مول/ثانية.

اشتقاق معادلة مفاعل التدفق

مفاعل التدفق الإضافي هو مفاعل مثالي حيث تكون جميع الجسيمات في قسم معين لها نفس السرعة واتجاه الحركة. في مفاعل تدفق المكونات (PFR) لا يوجد تدفق عكسي أو خلط، وبالتالي فإن تدفق السائل مثل السدادة من جانب المدخل إلى المخرج يظهر في الشكل أدناه.

يتم إنشاء هذا المفاعل بالاعتماد على توازن الكتلة بالإضافة إلى توازن الحرارة ضمن كمية متفاوتة من السوائل. إذا تخيلنا أن الإجراء متساوي الحرارة، فسيتم أخذ توازن الكتلة فقط في الاعتبار.

إذا تخيلنا ظروف الحالة المستقرة فإن تركيزات المواد المتفاعلة لا تتغير في النهاية. إنها طريقة نموذجية لتشغيل PFR. يمكن كتابة المعادلة الرياضية لـ PFR ببساطة على النحو التالي:

udCi/dx = source

Ci(0) = Ci(f)

0×× ≥ لتر

حيث أن 'Ci' هو المادة المتفاعلة، و'i' هو التركيز، و'u' هو سرعة السائل، و'νi' هو المعامل المتكافئ، و'r' هو معدل التفاعل، و'x' هو الموضع داخل المفاعل. 'Caf' هو المتفاعل التركيز عند مدخل المفاعل و'L' هو طول المفاعل. يتم قياس سرعة السائل 'u' اعتمادًا على معدل التدفق الحجمي Fv (m3/s) ومنطقة المقطع العرضي للمفاعل S (m^2):

ش=Fv/S

في PFR المثالي، تكون جميع الجزيئات السائلة موجودة في المفاعل لنفس الكمية من الوقت بالضبط والتي تسمى الإقامة المتوسطة، ويتم قياسها على النحو التالي:

تي = ل / ش

تُستخدم بيانات وقت البقاء عادةً في هندسة المفاعلات الكيميائية للتنبؤ بالتغيير وتركيزات الخروج.

رد فعل لا رجعة فيه من الدرجة الأولى

دعونا نفكر في رد فعل التحلل البسيط:

أ->ب

عندما يكون رد الفعل لا رجعة فيه ومن الدرجة الأولى، لدينا:

udCa/dx = -kCa

حيث 'k' ثابت حركي. بشكل عام، يعتمد ثابت الحركة بشكل أساسي على درجة الحرارة. بشكل عام، يمكن استخدام معادلة أرهينيوس لوصف هذه العلاقة. هنا، نفترض أن الظروف متساوية الحرارة، لذلك لن نستخدم هذه التبعية.

يمكن حل نموذج التفاعلات غير العكسية من الدرجة الأولى بشكل منطقي. إذن الحل كالتالي:

كا = كافيكسب(-س*ك/ش)

رد فعل لا رجعة فيه من الدرجة الثانية

دعونا نستخدم مثال رد الفعل الذي لا رجعة فيه من الدرجة الثانية أدناه:

2A -> ب

بمجرد أن يصبح رد الفعل لا رجعة فيه ومن الدرجة الثانية، لدينا:

udCa/dx = -2k*(Ca)^2

خصائص مفاعل التدفق

تتضمن خصائص مفاعل تدفق المكونات ما يلي.

• تتدفق المواد المتفاعلة في مفاعل سدادة التدفق في جميع أنحاء المفاعل بتدفق مستمر مع قليل من الخلط أو عدم الخلط.
• يحدث التفاعل في PFR عندما تتحرك المواد المتفاعلة مع طول المفاعل.
• يتغير تركيز المواد المتفاعلة مع طول المفاعل ويكون معدل التفاعل أعلى بشكل عام عند الدخول.
• يتم استخدام هذه المفاعلات بشكل متكرر للتفاعلات عندما يكون هناك حاجة إلى قدر كبير من التغيير وحيثما لا تستجيب سرعة التفاعل لتغيرات الامتصاص.
• عادة ما تكون فترة الإقامة داخل هيئة مراقبة التمويل السياسي قصيرة.
• يتشكل الغشاء الحيوي بالقرب من واجهة الهواء السائل التي تحاكي البيئات مثل تجويف الفم والأسطح الصخرية الرطبة وستائر الدش.
• يقوم هذا النوع من المفاعلات بتوليد طبقة حيوية متسقة ذات قص منخفض يمكن استخدامها مثل مفاعل القسيمة الزجاجي الثابت للتحقق من فعالية مبيدات الميكروبات.
• يتم تحليل الأغشية الحيوية لهذا المفاعل بسهولة باستخدام طرق مختلفة مثل تعداد الصفائح القابلة للحياة وتحديد السُمك والمجهر الضوئي.
• يتم استهلاك المواد المتفاعلة في PFR بشكل مستمر لأنها تتدفق على طول المفاعل.
  يمكن أن يكون PFR النموذجي عبارة عن أنبوب معبأ ببعض المواد الصلبة.

المميزات والعيوب

ال مزايا مفاعل تدفق المكونات تشمل ما يلي.

• تتمثل ميزة PFR على CSTR في أن هذا المفاعل يحتوي على حجم منخفض لمستوى مماثل من الزمكان والتحويل.
• يحتاج المفاعل إلى مساحة أقل وأن تكون كمية التحويل عالية ضمن PFR مقارنةً بـ CSTR لحجم مفاعل مماثل.
• يتم استخدام هذا المفاعل بشكل متكرر لتحديد عملية الحركية الحفزية للطور الغازي.
• تعتبر هذه المفاعلات فعالة جدًا في التعامل مع التفاعلات ولمجموعة كبيرة من التفاعلات 'النموذجية' التي تؤثر ضمن معدلات تحويل أعلى لكل حجم مفاعل مقارنةً بـ CSTR (مفاعلات الخزان المقلب المستمر)
• المفاعلات مناسبة جدًا للتفاعلات السريعة
• يمكن إدارة نقل الحرارة في PFR بشكل أفضل إلى حد ما مقارنة بمفاعلات الخزان مما يؤدي إلى ملاءمة ممتازة للأنظمة الطاردة للحرارة للغاية
• بسبب خاصية التدفق السدادي وعدم وجود خلط خلفي، هناك وقت بقاء ثابت نيابة عن جميع المواد المتفاعلة، مما يؤدي إلى جودة منتج موثوقة خاصة عندما تؤدي أوقات الإقامة الكبيرة إلى تكوين التلوث والتفحم، وغير ذلك الكثير.
• تعد صيانة مفاعل التدفق السدادي أمرًا سهلاً نظرًا لعدم وجود عناصر متحركة.
• هذه بسيطة ميكانيكيا.
• معدل التحويل الخاص به مرتفع لكل حجم مفاعل.
• جودة المنتج لم تتغير.
• ممتاز لدراسة ردود الفعل السريعة.
• يتم استخدام حجم المفاعل بكفاءة عالية.
• ممتاز للعمليات ذات السعة الضخمة.
• انخفاض الضغط أقل.
• لا يوجد خلط خلفي
• قابلية التوسع المباشرة
• التحكم الفعال في وقت الإقامة، والتحكم في درجة الحرارة، والخلط الفعال، والتنوع من دفعة إلى دفعة محدود، وما إلى ذلك.

ال عيوب مفاعل تدفق المكونات تشمل ما يلي.

• في PFR، من الصعب التحكم في أداء الاستجابة الطاردة للحرارة بسبب النطاق الواسع من درجات الحرارة.
• بالنسبة لهيئة مراقبة التمويل السياسي، تعتبر نفقات الصيانة والتشغيل مكلفة مقارنة بنفقات الدعم الفني.
• التحكم في درجة الحرارة أمر صعب بالنسبة للمفاعل.
• تحدث النقاط الساخنة في المفاعل عند استخدامها في التفاعلات الطاردة للحرارة.
• من الصعب التحكم فيه بسبب اختلاف التركيب ودرجة الحرارة.
• إن تصميم وصيانة PFRs باهظ الثمن بسبب تصميمها وتجميعها المعقد.
• تم تصميم PFRs عادةً للتفاعلات الدقيقة وقد لا تكون قادرة على استيعاب التغييرات داخل المواد الأولية أو ظروف التفاعل.
• يصعب صيانتها وتنظيفها بسبب تصميمها الضيق والطويل.
• يمكن أن تتدفق المواد المتفاعلة في PFR بشكل غير متساو مما يؤدي إلى ظهور نقاط ساخنة أو تفاعلات غير كاملة.
• من المهم جدًا أن نأخذ في الاعتبار أن مفاعلات التدفق السدادي لا يمكن أن تناسب جميع التطبيقات. لذلك يجب على المرء أن يحلل بعناية وقت المكوث، والحركية، وقضايا الانتقائية، وما إلى ذلك لتحديد نوع المفاعل المناسب للتطبيق.

التطبيقات

تتضمن تطبيقات مفاعلات التدفق الإضافي ما يلي.

• تُستخدم PFRs بشكل شائع في إنتاج الأسمدة والكيماويات والبتروكيماويات والأدوية على نطاق واسع.
• وتستخدم هذه المفاعلات في عمليات البلمرة مثل إنتاج البولي بروبيلين والبولي إيثيلين.
• مفاعلات تدفق المكونات مناسبة لأنظمة التفاعل السائلة الصلبة والغازية الصلبة.
• هذه مناسبة للتفاعلات غير المتجانسة أو المتجانسة مثل؛ هدرجة الزيوت والدهون.
• تُستخدم PFRs لأكسدة الكحوليات والمركبات العضوية الأخرى ولتوليد مواد كيميائية دقيقة مثل الأصباغ والأصباغ.

هكذا هذا نظرة عامة على مفاعل تدفق المكونات والعمل والمزايا والعيوب والتطبيقات. لا يزال تصميم واختيار مفاعل التدفق الجيد بمثابة فن، كما أن سنوات المعرفة تجعلك تتحسن في عملية الاختيار. في بعض الأحيان، يُعرف أيضًا مفاعل تدفق المكونات باسم CTR (المفاعل الأنبوبي المستمر). وفي الصورة المثالية يمكن قياس شكل تركيبة التفاعل بحيث تكون مكونة من بعض السدادات ولكل سدادة تركيز موحد. يفترض PFR هذا أنه لا يوجد خلط محوري وبالتالي لا يوجد خلط خلفي في المفاعل. وهنا سؤال لك ما هو المفاعل؟