El flujo pistón es una característica importante de estos reactores, por lo que dos moléculas cualesquiera pueden entrar al reactor en menos tiempo y salir al mismo tiempo. Flujo tapón reactor Proporciona un control eficiente del tiempo de reacción al optimizar la división de reactivos y productos. Por lo tanto, es necesario un buen flujo pistón para un buen rendimiento en los reactores. Por lo tanto, los reactores que utilizan química de flujo pistón normalmente se denominan reactores de flujo pistón o reactores PFR. El reactor de flujo pistón o PFR es un tercer reactor de tipo general en el que los nutrientes se introducen continuamente en el reactor y se mueven por todo el reactor como un 'tapón'. Este artículo analiza una visión general de un reactor de flujo pistón , su funcionamiento y sus aplicaciones.

¿Qué es un reactor de flujo pistón?

El reactor de flujo pistón o reactor de flujo pistón es un reactor de flujo idealizado de tipo rectangular que utiliza un flujo de fluido continuo para procesar materiales a lo largo de un tubo. Este reactor se utiliza para representar reacciones químicas dentro de una tubería cilíndrica de modo que todas las combinaciones de reacciones químicas se suministren a una velocidad similar a lo largo de la dirección del flujo, por lo tanto; no hay integración ni reflujo.

Este reactor incluye una tubería cilíndrica con aberturas en cada extremo para los reactivos así como para los productos a través de los cuales se suministran los reactivos. Para mantener una reacción uniforme en este reactor, se proporciona al reactor agua a una temperatura fija. El flujo pistón se produce en este reactor introduciendo material continuamente de un extremo a otro, elimina los materiales continuamente. Los materiales frecuentemente producidos en PFR, son; petroquímicos, polímeros, productos farmacéuticos, etc. Estos reactores tienen una amplia gama de aplicaciones, ya sea en sistemas en fase líquida o gaseosa.

El reactor de flujo pistón proporciona un excelente control del tiempo de residencia y de las condiciones de reacción. Por lo tanto, proporcionan altos niveles de conversión y son compatibles con reacciones mediante una alta liberación de calor (o) sensibilidad a las concentraciones de reactivo. Sin embargo, tienen algunas limitaciones sin mezcla radial y simplemente mezcla axial.

Reactor de flujo tapón

Características clave

Las características clave de un reactor de flujo pistón incluyen las siguientes.

Flujo unidireccional

En PFR, los reactivos y los productos viajan en una sola dirección a lo largo del reactor sin retromezclarse.

Gradiente de concentración

La concentración de reactivos y los productos en este reactor cambian con la longitud del reactor, aunque son consistentes en cualquier sección vertical al flujo.

Tiempo de residencia

Tiempo de residencia: un volumen de reactivo separado que se gasta dentro del PFR se llama tiempo de residencia y es estable para todos los volúmenes.

Principio de funcionamiento del reactor de flujo tapón

El reactor de flujo tipo pistón funciona oxidando alcoholes y otros compuestos orgánicos para producir productos químicos finos como; pigmentos y colorantes. Los fluidos en este reactor se mueven de manera continua y uniforme a lo largo de una tubería o tubo. Los reactivos entran por un extremo del reactor para fluir por todo el reactor y existir en el otro extremo.

La naturaleza del flujo pistón en este reactor garantiza que los reactivos químicos estén expuestos a condiciones similares a través del PFR y que el tiempo de residencia de cada reactivo sea el mismo. Por lo tanto, un reactor de flujo pistón es una excelente opción para reacciones principales que necesitan un control exacto del tiempo, la temperatura y la presión residentes.

Diagrama del reactor de flujo tapón

El diseño de un reactor de flujo pistón se puede realizar con algún tipo de capilar que es un tubo pequeño (o) un canal fijado en una placa. Se trata de un conjunto de reactor continuo con una entrada de reactivos y una salida del contenido del reactor que se realizan de forma continua durante toda la operación del reactor.

Un reactor de flujo pistón (PFR) no tiene un agitador el cual tiene una forma cilíndrica que permite que el fluido se desarrolle con una cantidad mínima de retromezcla, como resultado, todas las partículas de fluido que ingresan al reactor tienen un tiempo de residencia similar. . Este reactor ciertamente puede considerarse como una serie de finas láminas de fluido, que comprenden un pequeño reactor discontinuo, completamente agitado en la lámina para avanzar dentro del reactor como un pistón.

Diagrama del reactor de flujo tapón

La ecuación para el balance de masa general se puede expresar de la siguiente manera para una de las porciones de fluido dentro del reactor:

Entrada = Salida + Consumo + Acumulación

Las unidades de cada componente de la expresión anterior son una velocidad de ejecución del material como mol/seg.

Derivación de la ecuación del reactor de flujo pistón

El reactor de flujo pistón es un reactor idealizado donde todas las partículas en una sección particular tienen la misma velocidad y dirección de movimiento. En un reactor de flujo pistón (PFR) no hay reflujo ni mezcla, por lo que el flujo de un fluido como un tapón desde el lado de entrada hasta la salida se muestra en la siguiente figura.

Este reactor se crea dependiendo del equilibrio de masa y del equilibrio térmico dentro de una cantidad diferencial de fluido. Si imaginamos que el procedimiento es isotérmico, entonces sólo se considera el balance de masa.

Si imaginamos condiciones de estado estacionario, las concentraciones de reactivos no varían eventualmente. Es un método típico de operación de PFR. La ecuación matemática para PFR se puede escribir simplemente como;

“¿Cómo mide la resistencia un ohmímetro? ”

udCi/dx = fuente

Ci(0) = Ci(f)

0≤x≤L

Donde 'Ci' es el reactivo, 'i' es la concentración, 'u' es la velocidad del fluido, 'νi' es el coeficiente estequiométrico, 'r' es la velocidad de reacción y 'x' es la posición dentro del reactor. 'Caf' es la concentración del reactivo A en la entrada del reactor y 'L' es la longitud del reactor. La velocidad del fluido 'u' se mide dependiendo del caudal volumétrico Fv (m3/s) y la región de la sección transversal del reactor S (m^2):

u=Fv/S

En un PFR ideal, todas las partículas líquidas han estado en el reactor exactamente la misma cantidad de tiempo, lo que se denomina residencia media, medida como;

T=L/u

Los datos del tiempo de residencia se utilizan normalmente en la ingeniería de reactores químicos para hacer predicciones de cambios y concentraciones de salida.

Reacción irreversible de primer orden

Consideremos una reacción de descomposición simple:

A–>B

Siempre que la reacción sea irreversible y de primer orden, tenemos:

udCa/dx = -kCa

Donde 'k' es una constante cinética. Generalmente, la constante cinética depende principalmente de la temperatura. Generalmente, se puede utilizar una ecuación de Arrhenius para describir esta relación. Aquí asumimos condiciones isotérmicas, por lo que no utilizaremos esta dependencia.

El modelo de reacciones irreversibles de primer orden se puede resolver lógicamente. Entonces la solución sigue la siguiente:

Ca = Cafexp(-x*k/u)

Reacción irreversible de segundo orden

El ejemplo de reacción irreversible de segundo orden nos permite utilizar el siguiente:

2A –> B

Una vez que la reacción es irreversible y de segundo orden, tenemos:

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

Características del reactor de flujo pistón

Las características de un reactor de flujo pistón incluyen las siguientes.

Los reactivos en un reactor de flujo pistón fluyen por todo el reactor en un flujo continuo con poca o ninguna mezcla.
La reacción en PFR ocurre cuando los reactivos se mueven con la longitud del reactor.
La concentración de reactivos cambia con la longitud del reactor y la velocidad de reacción es generalmente mayor en la entrada.
Estos reactores se utilizan frecuentemente para reacciones donde es necesaria una gran cantidad de cambio y donde la velocidad de reacción no responde a los cambios de absorción.
El tiempo de residencia dentro del PFR suele ser corto.
La biopelícula se forma cerca de la interfaz aire-líquido simulando entornos como la cavidad bucal, superficies de rocas húmedas y cortinas de ducha.
Este tipo de reactor genera una biopelícula consistente de bajo cizallamiento que puede utilizarse como el reactor de cupón de vidrio estático para comprobar la eficacia del microbicida.
La biopelícula de este reactor se analiza fácilmente con diferentes métodos como recuento de placas viables, determinación de espesor y microscopía óptica.
Los reactivos en el PFR se consumen continuamente porque fluyen a lo largo del reactor.
Un PFR típico podría ser un tubo empaquetado a través de algún material sólido.

Ventajas y desventajas

El Ventajas del reactor de flujo pistón. Incluya lo siguiente.

La ventaja del PFR sobre el CSTR es que este reactor tiene un volumen bajo para un nivel de conversión y espacio-tiempo similar.
El reactor necesita menos espacio y la cantidad de conversión es alta dentro del PFR en comparación con el CSTR para un volumen de reactor similar.
Este reactor se utiliza frecuentemente para decidir el proceso cinético catalítico en fase gaseosa.
Estos reactores son muy efectivos en el manejo de reacciones y para un gran grupo de reacciones 'típicas' con tasas de conversión más altas para cada volumen de reactor en comparación con los CSTR (reactores de tanque agitado continuo)
Los reactores son muy adecuados para reacciones rápidas.
La transferencia de calor en PFR se puede gestionar bastante mejor en comparación con los reactores de tanque, lo que resulta en un ajuste excelente para sistemas extremadamente exotérmicos.
Debido al carácter de flujo pistón y a la ausencia de retromezcla, existe un tiempo de residencia constante para todos los reactivos, lo que conduce a una calidad confiable del producto, particularmente cuando tiempos de residencia enormes conducen a la formación de contaminación y carbonización, y muchos más.
El mantenimiento del reactor de flujo pistón es sencillo porque no hay elementos móviles.
Estos son simples mecánicamente.
Su tasa de conversión es alta para cada volumen de reactor.
La calidad del producto no ha cambiado.
Excelente para estudiar reacciones rápidas.
El volumen del reactor se utiliza de manera muy eficiente.
Excelente para procesos de gran capacidad.
Menos caídas de presión.
No hay retromezcla
Escalabilidad directa
El control eficiente del tiempo de residencia, el control de la temperatura, la mezcla eficiente, la variación entre lotes son limitadas, etc.

El Desventajas del reactor de flujo pistón. Incluya lo siguiente.

En un PFR, el rendimiento de la respuesta exotérmica es difícil de controlar debido a la amplia gama de perfiles de temperatura.
Para un PFR, los gastos operativos y de mantenimiento son costosos en comparación con el CST.
El control de la temperatura es difícil para un reactor.
Se producen puntos calientes en el reactor siempre que se utiliza para reacciones exotérmicas.
Es difícil de controlar debido a las variaciones de composición y temperatura.
Los PFR son costosos de diseñar y mantener debido a su complejo diseño y ensamblaje.
Los PFR generalmente están diseñados para reacciones precisas y es posible que no puedan adaptarse a los cambios dentro de las materias primas o las condiciones de reacción.
Son difíciles de mantener y limpiar debido a su diseño estrecho y largo.
Los reactivos en el PFR pueden fluir de manera desigual, lo que genera puntos calientes o reacciones incompletas.
Es muy importante tener en cuenta que los reactores de flujo pistón no pueden adaptarse a todas las aplicaciones. Por lo tanto, se debe analizar cuidadosamente el tiempo de residencia, la cinética, la selectividad, etc. para decidir qué tipo de reactor es adecuado para una aplicación.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los reactores de flujo pistón incluyen las siguientes.

Los PFR se utilizan comúnmente en la producción de fertilizantes, productos químicos, petroquímicos y farmacéuticos a gran escala.
Estos reactores se utilizan en procesos de polimerización como la producción de polipropileno y polietileno.
Los reactores de flujo pistón son adecuados para sistemas de reacción líquido-sólido y gas-sólido.
Estos son adecuados para reacciones heterogéneas u homogéneas como; Hidrogenación de aceites y grasas.
Los PFR se utilizan para oxidar alcoholes y otros compuestos orgánicos y para generar productos químicos finos como pigmentos y tintes.

Así, esto es una descripción general del reactor de flujo pistón , funcionamiento, ventajas, desventajas y aplicaciones. El diseño y la selección de un buen reactor de flujo sigue siendo un arte y años de conocimiento le permiten mejorar en la selección. A veces, un reactor de flujo pistón también se conoce como CTR (reactor tubular continuo). En una forma idealizada, se puede medir que la forma de la combinación de reacción está formada por algunos tapones y cada tapón tiene una concentración uniforme. Este PFR supone que no hay mezcla axial, por lo que no hay retromezcla en el reactor. Aquí tienes una pregunta, ¿qué es un reactor?