זרימת תקע היא מאפיין משמעותי של כורים אלה, כך שניתן להכניס כל שתי מולקולות לכור בפחות זמן ולצאת בו זמנית. זרימת תקע כור מספק זמן תגובה יעיל בקרה בעת אופטימיזציה של חלוקת המגיבים כמו גם מוצרים. לכן, זרימת תקע טובה נחוצה לביצועים טובים בכורים. אז כורים המשתמשים בכימיה של זרימת תקע נקראים בדרך כלל כורי זרימת תקע או כורי PFR. The Plug Flow Reactor או PFR הוא כור מסוג כללי שלישי שבו החומרים המזינים מוכנסים ברציפות לכור ונעים ברחבי הכור כ'פקק'. מאמר זה דן בסקירה כללית של א כור זרימת תקע , העבודה שלו והיישומים שלו.
מהו כור זרימת תקע?
כור זרימת התקע או כור זרימת הבוכנה הוא כור זרימה אידיאלי מסוג מלבני המשתמש בזרימת נוזלים רציפה לעיבוד חומרים לאורך הצינור. כור זה משמש לתיאור תגובות כימיות בתוך צינור גלילי כך שכל שילובי התגובה הכימית יסופקו במהירות דומה לאורך כיוון הזרימה, ובכך; אין אינטגרציה או זרימה חוזרת.
כור זה כולל צינור גלילי עם פתחים בכל קצה עבור מגיבים וכן מוצרים דרכם אספקת מגיבים. לשמירה על תגובה אחידה בכור זה, מסופקים לכור מים בטמפרטורה קבועה. זרימת הפקק מופקת בכור זה על ידי הכנסת חומר ברציפות מקצה אחד לקצה השני, היא מסירה את החומרים ברציפות. החומרים המיוצרים לעתים קרובות ב-PFR, הם; פטרוכימיקלים, פולימרים, תרופות וכו'. לכורים אלה יש מגוון רחב של יישומים במערכות שלב נוזל או גז.
כור זרימת תקע מספק בקרת זמן שהייה יוצאת דופן כמו גם תנאי תגובה. אז הם מספקים רמות גבוהות של המרה ותואמים לתגובות באמצעות שחרור חום גבוה (או) רגישות לריכוזי מגיב. עם זאת, יש להם כמה מגבלות ללא ערבוב רדיאלי ופשוט ערבוב צירי.
תכונות עיקריות
המאפיינים העיקריים של כור זרימת תקע כוללים את הדברים הבאים.
זרימה חד כיוונית
ב-PFR, המגיבים כמו גם המוצרים נעים בכיוון יחיד לאורך הכור ללא ערבוב חוזר.
דרגת ריכוז
ריכוז המגיבים והמוצרים בכור זה משתנים עם אורך הכור למרות שהוא עקבי בכל קטע אנכי לזרימה.
זמן מגורים
זמן מגורים נפח מגיב נפרד המושקע בתוך ה-PFR נקרא זמן שהייה והוא יציב עבור כל הנפחים.
עקרון העבודה של כור זרימת תקע
כור זרימת תקע פועל על ידי חמצון של אלכוהול ותרכובות אורגניות אחרות לייצור כימיקלים עדינים כמו; פיגמנטים וצבעים. הנוזלים בכור זה נעים בצורה רציפה ואחידה לאורך צינור או צינור. המגיבים נכנסים בקצה אחד של הכור כדי לזרום לאורך הכור ומתקיימים בקצה השני.
אופי זרימת התקע בכור זה מבטיח שהמגיבים הכימיים יהיו חשופים לתנאים דומים דרך ה-PFR ושזמן השהייה של מגיב זהה. אז, כור זרימת תקע הוא בחירה יוצאת מן הכלל עבור תגובות עיקריות שצריכות שליטה מדויקת על זמן התושבים, הטמפרטורה והלחץ.
תרשים כור זרימת תקע
העיצוב של כור זרימת תקע יכול להיעשות עם סוג כלשהו של נימי שהוא צינור קטן (או) תעלה מקובעת לצלחת. זהו מערך כור רציף עם כניסת מגיבים ויציאה של תכולת הכור אשר נעשים ברציפות לאורך כל פעולת הכור.
לכור זרימת תקע (PFR) אין ערבול בעל צורה גלילית המאפשרת לנוזל להתפתח עם כמות מינימלית של ערבוב חזרה, כתוצאה מכך, לכל חלקיקי הנוזל הנכנסים לכור יש זמן שהייה דומה . כור זה בהחלט יכול להתייחס לסדרה של פרוסות נוזלים דקות, הכוללות כור אצווה זעיר, שנערבב לחלוטין בפרוסה כדי להתקדם בתוך הכור כמו בוכנה.
ניתן לבטא את המשוואה לאיזון המסה הכללי בצורה הבאה עבור אחת מפרוסות הנוזלים בתוך הכור:
כניסה = יציאה + צריכה + צבירה
היחידות של כל רכיב של הביטוי לעיל הן קצב ריצה של חומר כמו מול/שנייה.
גזירת משוואת כור זרימת תקע
כור זרימת תקע הוא כור אידאלי שבו לכל החלקיקים בקטע מסוים יש את אותה מהירות וכיוון תנועה. בכור זרימת תקע (PFR) אין זרימה חוזרת או ערבוב, ולכן זרימת נוזל כמו פקק מצד הכניסה ליציאה מוצגת באיור למטה.
כור זה נוצר בהתאם לאיזון המסה וכן לאיזון החום בתוך כמות דיפרנציאלית של נוזל. אם אנו מדמיינים שההליך הוא איזותרמי, אזי איזון המסה נחשב רק.
אם אנו מדמיינים תנאי מצב יציב, ריכוזי המגיבים אינם משתנים בסופו של דבר. זוהי שיטת פעולה טיפוסית של PFR. ניתן לכתוב את המשוואה המתמטית עבור PFR בפשטות כך;
udCi/dx = מקור
Ci(0) = Ci(f)
0≤ x ≤ L
כאשר 'Ci' הוא המגיב, 'i' הוא ריכוז, 'u' הוא מהירות הנוזל, 'νi' הוא המקדם הסטוכיומטרי, 'r' הוא קצב התגובה ו-'x' הוא המיקום בתוך הכור. 'Caf' הוא ריכוז מגיב A בכניסת הכור ו-'L' הוא אורך הכור. מהירות הנוזל 'u' נמדדת בהתאם לקצב הזרימה הנפחי של Fv (m3/s) ואזור החתך של הכור S (m^2):
u=Fv/S
ב-PFR אידיאלי, כל חלקיקי הנוזל היו בכור בדיוק את אותה כמות זמן שנקראת מגורים ממוצעים, הנמדדת כ;
T =L/u
נתוני זמן השהייה משמשים בדרך כלל בהנדסת כור כימי לביצוע תחזיות של שינוי וריכוזי יציאה.
תגובה בלתי הפיכה מסדר ראשון
הבה נבחן תגובת פירוק פשוטה:
א–>ב
בכל פעם שהתגובה היא בלתי הפיכה ומסדר ראשון, יש לנו:
udCa/dx = -kCa
כאשר 'k' הוא קבוע קינטי. באופן כללי, קבוע קינטי תלוי בעיקר בטמפרטורה. באופן כללי, ניתן להשתמש במשוואת Arrhenius כדי לתאר את הקשר הזה. כאן, אנו מניחים תנאים איזוטרמיים, ולכן לא נשתמש בתלות זו.
ניתן לפתור את המודל לתגובות בלתי הפיכות מסדר ראשון. אז הפתרון הוא כדלקמן;
Ca = Cafexp(-x*k/u)
תגובה בלתי הפיכה מסדר שני
דוגמא התגובה הבלתי הפיכה מסדר שני, הבה נשתמש באחת הבאה:
2א –> ב
ברגע שהתגובה היא בלתי הפיכה ומסדר שני, יש לנו:
udCa/dx = -2k*(Ca)^2
מאפייני כור זרימת תקע
המאפיינים של כור זרימת תקע כוללים את הדברים הבאים.
- המגיבים בכור תקע-זרימה זורמים בכל הכור בזרימה רציפה עם מעט עד ללא ערבוב.
- התגובה ב-PFR מתרחשת כאשר המגיבים נעים עם אורך הכור.
- ריכוז המגיבים משתנה עם אורך הכור וקצב התגובה בדרך כלל גבוה יותר בכניסה.
- כורים אלה משמשים לעתים קרובות לתגובות בכל מקום בו יש צורך בכמות גבוהה של שינוי ובכל מקום שמהירות התגובה אינה מגיבה לשינויי ספיגה.
- זמן השהייה בתוך ה-PFR הוא בדרך כלל קצר.
- הביופילם נוצר קרוב לממשק האוויר-נוזל המדמה סביבות כגון חלל הפה, משטחי סלע רטובים ווילונות מקלחת.
- סוג זה של כור יוצר ביופילם עקבי בגזירה נמוכה שניתן להשתמש בו כמו כור קופוני זכוכית סטטי כדי לבדוק את יעילות קוטלי החיידקים.
- הביופילם של הכור הזה מנותח בקלות בשיטות שונות כמו ספירת לוחות קיימא, קביעת עובי ומיקרוסקופ אור.
- המגיבים ב-PFR נצרכים ללא הרף מכיוון שהם זורמים לאורך הכור.
PFR טיפוסי יכול להיות צינור ארוז דרך חומר מוצק כלשהו.
יתרונות וחסרונות
ה יתרונות כור זרימת תקע כלול את הבאים.
- יתרון ה-PFR על פני CSTR הוא שלכור זה יש נפח נמוך לרמת מרחב-זמן והמרה דומה.
- הכור צריך פחות מקום ושכמות ההמרה גבוהה בתוך PFR בהשוואה ל-CSTR עבור נפח כור דומה.
- כור זה משמש לעתים קרובות כדי להחליט על תהליך הקינטיקה הקטליטית של שלב הגז.
- כורים אלה יעילים מאוד בטיפול בתגובות ועבור קבוצה גדולה של תגובות 'טיפוסיות' משפיעים על שיעורי המרה גבוהים יותר עבור כל נפח כור בהשוואה ל-CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
- הכורים מתאימים מאוד לתגובות מהירות
- העברת חום ב-PFR ניתנת לניהול טוב יותר בהשוואה לכורי טנקים, מה שמוביל להתאמה מצוינת למערכות אקזותרמיות במיוחד
- בגלל אופי זרימת הפקק ואי-ערבוב חוזר, יש זמן שהייה עקבי מטעם כל המגיבים, מה שמוביל לאיכות מוצר אמינה במיוחד כאשר זמני שהייה עצומים מובילים להיווצרות זיהום וחריכה, ועוד רבים נוספים.
- תחזוקת כור זרימת תקע קלה מכיוון שאין אלמנטים נעים.
- אלה פשוטים מבחינה מכנית.
- שיעור ההמרה שלו גבוה עבור כל נפח כור.
- איכות המוצר לא השתנתה.
- מצוין ללמוד תגובות מהירות.
- נפח הכור משמש ביעילות רבה.
- מצוין לתהליכי קיבולת ענק.
- פחות ירידות לחץ.
- אין ערבוב אחורי
- מדרגיות ישירה
- בקרת זמן יעילה של מגורים, בקרת טמפרטורה, ערבוב יעיל, וריאציה מאצווה למנה מוגבלת וכו'.
ה חסרונות תקע זרימת כור כלול את הבאים.
- ב-PFR, קשה לשלוט בביצועי תגובה אקסותרמית בגלל הטווח הרחב של פרופילי טמפרטורה.
- עבור PFR, הוצאות תחזוקה ותפעול יקרות בהשוואה ל-CST.
- בקרת טמפרטורה קשה לכור.
- נקודות חמות מתרחשות בכור בכל פעם שמשמשים לתגובות אקסותרמיות.
- קשה לשלוט בו בגלל שינויים בהרכב ובטמפרטורה.
- PFRs יקרים לתכנון ולתחזוקה בגלל התכנון וההרכבה המורכבים שלהם.
- PFRs מתוכננים בדרך כלל לתגובות מדויקות וייתכן שלא יוכלו להכיל שינויים בתוך חומרי הזנה או תנאי תגובה.
- אלה קשים לתחזוקה ולניקוי בגלל עיצובם הצר והארוך.
- המגיבים ב-PFR יכולים לזרום בצורה לא אחידה מה שמוביל לנקודות חמות או לתגובות לא שלמות.
- חשוב מאוד לזכור שכורי זרימת תקע לא יכולים להתאים לכל היישומים. אז יש לנתח בקפידה את זמן השהייה, הקינטיקה, בעיות סלקטיביות וכו' כדי להחליט איזה סוג של כור מתאים ליישום.
יישומים
היישומים של כורי זרימת תקע כוללים את הדברים הבאים.
- PFRs משמשים בדרך כלל בייצור דשנים, כימיקלים, פטרוכימיים ותרופות בקנה מידה גדול.
- כורים אלה משמשים בתהליכי פילמור כמו ייצור פוליפרופילן ופוליאתילן.
- כורי זרימת תקע מתאימים למערכות תגובה נוזל מוצק וגז מוצק.
- אלה מתאימים לתגובות הטרוגניות או הומוגניות כמו; הידרוגנציית שמן ושומן.
- PFRs משמשים לחמצון אלכוהול ותרכובות אורגניות אחרות וליצירת כימיקלים עדינים כמו פיגמנטים וצבעים.
לפיכך, זהו סקירה כללית של כור זרימת תקע , עבודה, יתרונות, חסרונות ויישומים. עיצוב ובחירה של כור זרימה טוב הם עדיין אומנות ושנים של ידע גורמים לך להשתפר בביצוע בחירות. לפעמים, כור זרימת תקע ידוע גם בתור CTR (כור צינורי מתמשך). בצורה אידיאלית, ניתן למדוד את צורת שילוב התגובה מורכבת מכמה פקקים ולכל פקק יש ריכוז אחיד. ל-PFR הזה יש הנחה שאין ערבוב צירי ולכן אין ערבוב אחורי בכור. הנה שאלה בשבילך, מה זה כור?
