プラグフローリアクター : 動作、導出、特性とその応用

プラグフローはこれらのリアクターの重要な特徴であるため、任意の 2 つの分子をより短い時間でリアクターに流入させ、同時に排出することができます。プラグフロー 反応器 反応物と生成物の分割を最適化する際に、反応時間を効率的に制御できます。したがって、反応器で良好な性能を得るには、良好なプラグフローが必要です。したがって、プラグフロー化学反応を使用する反応器は通常、プラグフロー反応器または PFR 反応器と呼ばれます。プラグ フロー リアクター (PFR) は、栄養素が連続的にリアクターに導入され、「プラグ」としてリアクター全体に移動する 3 番目の一般的なタイプのリアクターです。この記事では、 プラグフロー反応器 、その動作、およびそのアプリケーション。

プラグフローリアクターとは何ですか?

プラグ フロー リアクターまたはピストン フロー リアクターは、チューブ全体で材料を処理するために連続流体の流れを使用する長方形型の理想的なフロー リアクターです。この反応器は、すべての化学反応の組み合わせが流れの方向に沿って同様の速度で供給されるように、円筒パイプ内の化学反応を描写するために使用されます。統合や逆流はありません。

この反応器には、反応物と反応物が供給される生成物のための開口部が両端にある円筒形のパイプが含まれています。この反応器では均一な反応を維持するために、一定温度の水を反応器に供給します。この反応器では、材料を一方の端からもう一方の端まで連続的に導入し、材料を連続的に除去することによってプラグフローが生成されます。 PFR で頻繁に生成される材料は次のとおりです。これらの反応器は、液相システムでも気相システムでも幅広い用途に使用できます。

プラグフロー反応器は、優れた滞留時間制御と反応条件を提供します。したがって、それらは高レベルの変換を提供し、反応物の濃度に対する高い発熱（または）感度による反応と互換性があります。ただし、半径方向の混合と単純な軸方向の混合がなければ、いくつかの制限があります。

主な特長

プラグフロー反応器の主な特徴は次のとおりです。

一方向の流れ

PFR では、反応物と生成物は逆混合することなく反応器の長さに沿って一方向に移動します。

濃度勾配

このリアクター内の反応物質の濃度と生成物は、流れに垂直などのセクションでも一貫していますが、リアクターの長さによって変化します。

滞在時間

PFR 内で消費される別の反応体ボリュームの滞留時間は滞留時間と呼ばれ、すべてのボリュームに対して安定しています。

プラグフローリアクターの動作原理

プラグフロー反応器は、アルコールやその他の有機化合物を酸化して次のようなファインケミカルを生成します。顔料と染料。この反応器内の流体は、パイプまたはチューブ全体を連続的かつ均一に移動します。反応物は反応器の一端から入り、反応器全体を流れ、もう一方の端に存在します。

この反応器のプラグフローの性質により、化学反応物が PFR を通じて同様の条件にさらされ、すべての反応物の滞留時間が同じになることが保証されます。したがって、プラグフロー反応器は、滞留時間、温度、圧力の正確な制御が必要な主反応にとって優れた選択肢です。

プラグフローリアクターの図

プラグフロー反応器の設計は、プレートに固定された小さなチューブ (または) チャネルであるある種のキャピラリーを使用して行うことができます。これは、反応物の入口と反応器内容物の出口を備えた連続反応器セットであり、反応器の運転中ずっと連続的に行われます。

プラグフロー反応器 (PFR) には、最小限の逆混合で流体を生成できる円筒形の撹拌機がありません。その結果、反応器に入るすべての流体粒子の滞留時間が同様になります。 。この反応器は、確かに、小さなバッチ反応器を構成する一連の薄い流体スライスとして考えることができ、スライス内で完全に撹拌されてピストンのように反応器内を前進する。

一般的な質量バランスの方程式は、リアクター内の流体スライスの 1 つについて次のように表すことができます。

入口 = 出口 + 消費 + 蓄積

上式の各成分の単位は、mol/秒などの材料の実行速度です。

プラグフローリアクター方程式の導出

プラグフロー リアクターは、特定のセクション内のすべての粒子が同じ速度と運動方向を持つ理想的なリアクターです。プラグフロー反応器 (PFR) では逆流や混合が存在しないため、入口側から出口へのプラグのような流体の流れが下の図に示されています。

このリアクターは、異なる量の流体内の質量バランスと熱バランスに基づいて作成されます。手順が等温であると仮定すると、物質バランスのみが考慮されます。

定常状態を想像すると、反応物質の濃度は最終的には変化しません。 PFRの代表的な運用方法です。 PFR の数学方程式は次のように簡単に書くことができます。

udCi/dx = ソース

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

ここで、「Ci」は反応物質、「i」は濃度、「u」は流体の速度、「νi」は化学量論係数、「r」は反応速度、「x」は反応器内の位置です。 「Caf」は反応器入口における反応物 A の濃度、「L」は反応器の長さです。流体「u」の速度は、Fv (m3/s) 体積流量と反応器の断面積 S (m^2) に応じて測定されます。

u=Fv/S

理想的な PFR では、すべての液体粒子が正確に同じ時間だけ反応器内に存在します。これは平均滞留時間と呼ばれ、次のように測定されます。

T =L/u

滞留時間データは通常、変化と出口濃度の予測を行うために化学反応器工学内で使用されます。

一次不可逆反応

単純な分解反応を考えてみましょう。

A–>B

反応が不可逆的かつ一次反応である場合は常に、次のようになります。

udCa/dx = -kCa

ここで、「k」は運動定数です。一般に、速度定数は主に温度に依存します。一般に、アレニウス方程式を使用してこの関係を説明できます。ここでは等温条件を想定しているため、この依存関係は使用しません。

一次不可逆反応のモデルは論理的に解くことができます。したがって、解決策は次のようになります。

Ca = Cafeexp(-x*k/u)

二次不可逆反応

二次不可逆反応の例では、以下の反応を利用します。

2A –> B

反応が不可逆的かつ二次的になると、次のようになります。

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

プラグフローリアクターの特性

プラグフロー反応器の特徴は次のとおりです。

• プラグフロー反応器内の反応物質は、ほとんど混合することなく、連続的な流れで反応器全体を流れます。
• PFR での反応は、反応物質が反応器の長さとともに移動するときに発生します。
• 反応物質の濃度は反応器の長さに応じて変化し、一般に反応速度は入口で高くなります。
• これらの反応器は、大量の変化が必要な場合や、反応速度が吸収の変化に応答しない場合の反応に頻繁に使用されます。
• PFR 内の滞留時間は通常短いです。
• バイオフィルムは、口腔、濡れた岩の表面、シャワーカーテンなどの環境を模擬した気液界面の近くで形成されます。
• このタイプのリアクターは、低せん断力で安定したバイオフィルムを生成し、静的ガラスクーポンリアクターと同様に殺菌剤の有効性を確認するために利用できます。
• このリアクターのバイオフィルムは、生存プレート数、厚さの測定、光学顕微鏡などのさまざまな方法で簡単に分析できます。
• PFR 内の反応物は反応器の長さ方向に流れるため、継続的に消費されます。
  典型的な PFR は、何らかの固体材料を充填したチューブです。

長所と短所

の プラグフロー反応器の利点 以下のものが含まれます。

• CSTR に対する PFR の利点は、この反応器が同様の時空および変換レベルに対して容積が小さいことです。
• 反応器に必要なスペースは少なく、同様の反応器容積の場合、CSTR と比較して PFR 内での変換量が高くなります。
• この反応器は、気相触媒反応速度論プロセスを決定するために頻繁に使用されます。
• これらの反応器は、反応の処理に非常に効果的であり、CSTR (連続撹拌タンク反応器) と比較して、各反応器容積でより高い変換率で大きな「典型的な」反応効果をもたらします。
• 反応器は迅速な反応に非常に適しています
• PFR での熱伝達はタンク型反応器と比較してかなり適切に管理できるため、極度に発熱するシステムに最適です。
• プラグフロー特性と逆混合がないため、すべての反応物に対して一貫した滞留時間があり、特に長時間の滞留時間が汚染の形成や焦げなどを引き起こす場合に、信頼性の高い製品品質が得られます。
• プラグフロー反応器には可動要素がないため、メンテナンスが簡単です。
• これらは機械的には単純です。
• どの反応器容量でも変換率が高くなります。
• 製品の品質は変わりません。
• 素早い反応を研究するのに最適です。
• 反応器の容積は非常に効率的に使用されます。
• 大容量プロセスに最適です。
• 圧力降下が少なくなります。
• 逆混合はありません
• 直接的なスケーラビリティ
• 滞留時間の効率的な制御、温度制御、効率的な混合、バッチ間の変動の制限など。

の プラグフロー反応器の欠点 以下のものが含まれます。

• PFR では、温度プロファイルの範囲が広いため、発熱応答性能を制御するのが困難です。
• PFR の場合、CST と比較してメンテナンスと運用の費用がかかります。
• 原子炉は温度管理が難しい。
• 発熱反応に使用すると必ず反応器内にホットスポットが発生します。
• 組成と温度が変化するため、制御が困難です。
• PFR は、設計と組み立てが複雑なため、設計と保守に費用がかかります。
• PFR は通常、正確な反応を目的として設計されているため、原料や反応条件内の変化に対応できない場合があります。
• これらは狭くて長い設計のため、メンテナンスと掃除が困難です。
• PFR 内の反応物は不均一に流れる可能性があり、ホットスポットや不完全な反応が発生します。
• プラグフロー反応器はすべての用途に適合するわけではないことに留意することが非常に重要です。したがって、滞留時間、速度論、選択性の問題などを注意深く分析して、どのタイプの反応器が用途に適しているかを決定する必要があります。

アプリケーション

プラグフロー反応器の用途には次のようなものがあります。

• PFR は、肥料、大規模な化学薬品、石油化学および医薬品の生産で一般的に使用されています。
• これらの反応器は、ポリプロピレンやポリエチレンの製造などの重合プロセスで使用されます。
• プラグフロー反応器は、液体-固体および気体-固体反応システムに適しています。
• これらは、次のような不均一反応または均一反応に適しています。油脂の水素化。
• PFR は、アルコールやその他の有機化合物を酸化し、顔料や染料などのファインケミカルを生成するために使用されます。

したがって、これは プラグフロー反応器の概要 、働き方、メリット、デメリット、用途など。優れたフロー リアクターの設計と選択は依然として芸術であり、長年にわたる知識により、選択の仕方が向上します。プラグフロー反応器は、CTR (連続管型反応器) としても知られる場合があります。理想的な形では、いくつかのプラグで構成され、すべてのプラグが均一な濃度を持つように反応組み合わせの形状を測定できます。この PFR は軸方向の混合がないことを前提としているため、反応器内での逆混合はありません。ここで質問なのですが、リアクターとは何ですか?