Le flux piston est une caractéristique importante de ces réacteurs, de sorte que deux molécules quelconques peuvent entrer dans le réacteur en moins de temps et en sortir en même temps. Flux de bouchon réacteur fournit un temps de réaction de contrôle efficace lors de l’optimisation de la division des réactifs ainsi que des produits. Ainsi, un bon écoulement piston est nécessaire pour de bonnes performances dans les réacteurs. Ainsi, les réacteurs qui utilisent la chimie à écoulement piston sont normalement appelés réacteurs à écoulement piston ou réacteurs PFR. Le réacteur à flux plug ou PFR est un troisième réacteur de type général dans lequel les nutriments sont introduits en continu dans le réacteur et se déplacent dans tout le réacteur comme un « bouchon ». Cet article donne un aperçu d'un réacteur à flux piston , son fonctionnement et ses applications.

Qu’est-ce qu’un réacteur à flux plug ?

Le réacteur à écoulement piston ou réacteur à écoulement piston est un réacteur à écoulement idéalisé de type rectangulaire qui utilise un flux de fluide continu pour traiter des matériaux dans un tube. Ce réacteur est utilisé pour représenter les réactions chimiques dans un tuyau cylindrique de telle sorte que toutes les combinaisons de réactions chimiques soient fournies à une vitesse similaire dans le sens de l'écoulement, donc ; il n’y a pas d’intégration ni de reflux.

Ce réacteur comprend un tuyau cylindrique avec des ouvertures à chaque extrémité pour les réactifs ainsi que les produits par lesquels les réactifs sont amenés. Pour maintenir une réaction uniforme dans ce réacteur, de l'eau à température fixe est fournie au réacteur. Le flux piston est produit dans ce réacteur en introduisant des matériaux en continu d'une extrémité à l'autre, il élimine les matériaux en continu. Les matériaux fréquemment produits dans PFR sont : produits pétrochimiques, polymères, produits pharmaceutiques, etc. Ces réacteurs ont une large gamme d'applications dans les systèmes en phase liquide ou gazeuse.

Le réacteur à flux piston offre un contrôle exceptionnel du temps de séjour ainsi que des conditions de réaction. Ils fournissent donc des niveaux de conversion élevés et sont compatibles avec les réactions grâce à un dégagement de chaleur élevé (ou) une sensibilité aux concentrations de réactifs. Cependant, ils présentent certaines limites sans mélange radial et simplement avec mélange axial.

Réacteur à flux plug

Principales caractéristiques

Les principales caractéristiques d'un réacteur à écoulement piston sont les suivantes.

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Flux unidirectionnel

Dans le PFR, les réactifs ainsi que les produits se déplacent dans une seule direction sur toute la longueur du réacteur sans rétro-mélange.

Le gradient de concentration

La concentration des réactifs et des produits dans ce réacteur change avec la longueur du réacteur, bien qu'elle soit constante dans toutes les sections verticales du flux.

Temps de séjour

Temps de séjour Un volume de réactif distinct dépensé dans le PFR est appelé temps de séjour et est stable pour tous les volumes.

Principe de fonctionnement du réacteur à flux plug

Le réacteur à flux piston fonctionne en oxydant les alcools et autres composés organiques pour produire des produits chimiques fins comme ; pigments et colorants. Les fluides dans ce réacteur se déplacent de manière continue et uniforme dans un tuyau ou un tube. Les réactifs entrent à une extrémité du réacteur pour circuler dans tout le réacteur et existent à l’autre extrémité.

La nature du flux piston dans ce réacteur garantit que les réactifs chimiques sont exposés à des conditions similaires via le PFR et que chaque temps de séjour des réactifs est le même. Ainsi, un réacteur à flux piston est un choix exceptionnel pour les réactions principales qui nécessitent un contrôle exact du temps de séjour, de la température et de la pression.

Schéma du réacteur à flux plug

La conception d'un réacteur à écoulement piston peut être réalisée avec un certain type de capillaire qui est un petit tube (ou) un canal fixé dans une plaque. Il s'agit d'un ensemble de réacteurs continus avec une entrée de réactifs et une sortie du contenu du réacteur qui sont effectuées en continu tout au long du fonctionnement du réacteur.

Un réacteur à flux piston (PFR) n'a pas d'agitateur de forme cylindrique qui permet au fluide de se développer avec une quantité minimale de mélange arrière. Par conséquent, toutes les particules de fluide qui entrent dans le réacteur ont un temps de séjour similaire. . Ce réacteur peut certainement être considéré comme une série de fines tranches de fluide, comprenant un minuscule réacteur discontinu, complètement agité dans la tranche pour avancer à l'intérieur du réacteur tel un piston.

Schéma du réacteur à flux plug

L'équation du bilan massique général peut être exprimée comme suit pour l'une des tranches de fluide à l'intérieur du réacteur :

Entrée = Sortie + Consommation + Accumulation

Les unités de chaque composant de l'expression ci-dessus sont un débit de matériau tel que mol/sec.

Dérivation de l’équation du réacteur à écoulement piston

Le réacteur à flux piston est un réacteur idéalisé dans lequel toutes les particules d'une section particulière ont la même vitesse et la même direction de mouvement. Dans un réacteur à flux piston (PFR), il n'y a pas de reflux ni de mélange, ainsi l'écoulement d'un fluide comme un bouchon du côté entrée vers la sortie est illustré dans la figure ci-dessous.

Ce réacteur est créé en fonction du bilan de masse ainsi que du bilan thermique au sein d'une quantité différentielle de fluide. Si l’on imagine que la procédure est isotherme, alors seul le bilan massique est pris en compte.

Si nous imaginons des conditions stables, les concentrations de réactifs ne varient finalement pas. Il s’agit d’une méthode de fonctionnement typique du PFR. L'équation mathématique du PFR peut s'écrire simplement ainsi :

udCi/dx = source

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Où « Ci » est le réactif, « i » est la concentration, « u » est la vitesse du fluide, « νi » est le coefficient stoechiométrique, « r » est la vitesse de réaction et « x » est la position dans le réacteur. « Caf » est la concentration du réactif A à l'entrée du réacteur et « L » est la longueur du réacteur. La vitesse du fluide « u » est mesurée en fonction du débit volumétrique Fv (m3/s) et de la section transversale du réacteur S (m^2) :

u=Fv/S

Dans un PFR idéal, toutes les particules liquides sont restées dans le réacteur exactement pendant la même durée appelée séjour moyen, mesurée par :

T = L/u

Les données de temps de séjour sont normalement utilisées dans l'ingénierie des réacteurs chimiques pour faire des prédictions sur les concentrations de changement et de sortie.

Réaction irréversible de premier ordre

Considérons une réaction de décomposition simple :

A–>B

Chaque fois que la réaction est irréversible et de premier ordre, on a :

udCa/dx = -kCa

Où « k » est une constante cinétique. Généralement, la constante cinétique dépend principalement de la température. Généralement, une équation d’Arrhenius peut être utilisée pour décrire cette relation. Ici, nous supposons des conditions isothermes, nous n’utiliserons donc pas cette dépendance.

Le modèle des réactions irréversibles de premier ordre peut être résolu logiquement. La solution est donc la suivante :

Ca = Caféxp(-x*k/u)

Réaction irréversible de second ordre

“types de filtre passe-bas ”

L’exemple de réaction irréversible du second ordre utilisons celui ci-dessous :

2A -> B

Une fois la réaction irréversible & du second ordre, on a :

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

Caractéristiques du réacteur à flux piston

Les caractéristiques d'un réacteur à écoulement piston sont les suivantes.

Les réactifs dans un réacteur à écoulement piston s'écoulent dans tout le réacteur selon un flux continu avec peu ou pas de mélange.
La réaction dans le PFR se produit lorsque les réactifs se déplacent avec la longueur du réacteur.
La concentration des réactifs change avec la longueur du réacteur et la vitesse de réaction est généralement plus élevée à l’entrée.
Ces réacteurs sont fréquemment utilisés pour des réactions partout où un grand nombre de changements est nécessaire et partout où la vitesse de réaction ne répond pas aux changements d'absorption.
Le temps de séjour au sein du PFR est normalement court.
Le biofilm se forme à proximité de l’interface air-liquide, simulant des environnements tels que la cavité buccale, les surfaces rocheuses humides et les rideaux de douche.
Ce type de réacteur génère un biofilm cohérent sous faible cisaillement qui peut être utilisé comme le réacteur à coupons de verre statique pour vérifier l'efficacité des microbicides.
Le biofilm de ce réacteur est analysé facilement avec différentes méthodes comme le comptage de plaques viables, la détermination de l'épaisseur et la microscopie optique.
Les réactifs du PFR sont consommés continuellement car ils s’écoulent tout au long du réacteur.
Un PFR typique pourrait être un tube emballé dans un matériau solide.

Avantages et inconvénients

Le avantages du réacteur à flux piston inclure les éléments suivants.

L'avantage du PFR par rapport au CSTR est que ce réacteur a un faible volume pour un niveau d'espace-temps et de conversion similaire.
Le réacteur a besoin de moins d'espace et la quantité de conversion est élevée dans le PFR par rapport au CSTR pour un volume de réacteur similaire.
Ce réacteur est fréquemment utilisé pour décider du processus cinétique catalytique en phase gazeuse.
Ces réacteurs sont très efficaces dans la gestion des réactions et pour un grand groupe de réactions « typiques » avec des taux de conversion plus élevés pour chaque volume de réacteur par rapport aux CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors).
Les réacteurs sont très bien adaptés aux réactions rapides
Le transfert de chaleur dans le PFR peut être assez mieux géré par rapport aux réacteurs à réservoir, ce qui conduit à un excellent ajustement pour les systèmes extrêmement exothermiques.
En raison du caractère d'écoulement piston et de l'absence de rétro-mélange, il existe un temps de séjour constant pour tous les réactifs, ce qui conduit à une qualité de produit fiable, en particulier lorsque des temps de séjour énormes conduisent à la formation de contamination et à la carbonisation, et bien d'autres encore.
La maintenance du réacteur à flux piston est facile car il n’y a pas d’éléments mobiles.
Ce sont des mécaniques simples.
Son taux de conversion est élevé pour chaque volume de réacteur.
La qualité du produit n'a pas changé.
Excellent pour étudier les réactions rapides.
Le volume du réacteur est utilisé de manière très efficace.
Excellent pour les processus de grande capacité.
Moins de chutes de pression.
Il n'y a pas de rétro-mixage
Évolutivité directe
Un contrôle efficace du temps de séjour, un contrôle de la température, un mélange efficace, une variation d'un lot à l'autre limitée, etc.

Le inconvénients du réacteur à flux piston inclure les éléments suivants.

Dans un PFR, les performances de réponse exothermique sont difficiles à contrôler en raison de la large gamme de profils de température.
Pour un PFR, les dépenses de maintenance et d’exploitation sont coûteuses par rapport au CST.
Le contrôle de la température est difficile pour un réacteur.
Des points chauds apparaissent dans le réacteur chaque fois qu'il est utilisé pour des réactions exothermiques.
Il est difficile à contrôler en raison des variations de composition et de température.
Les PFR sont coûteux à concevoir et à entretenir en raison de leur conception et de leur assemblage complexes.
Les PFR sont généralement conçus pour des réactions précises et peuvent ne pas être en mesure de s'adapter aux changements dans les matières premières ou dans les conditions de réaction.
Ceux-ci sont difficiles à entretenir et à nettoyer en raison de leur conception étroite et longue.
Les réactifs du PFR peuvent s'écouler de manière inégale, ce qui entraîne des points chauds ou des réactions incomplètes.
Il est très important de garder à l’esprit que les réacteurs à flux piston ne peuvent pas s’adapter à toutes les applications. Il faut donc analyser soigneusement le temps de séjour, la cinétique, les problèmes de sélectivité, etc. pour décider quel type de réacteur convient à une application.

Applications

Les applications des réacteurs à écoulement piston sont les suivantes.

Les PFR sont couramment utilisés dans la production d’engrais, ainsi que dans la production chimique, pétrochimique et pharmaceutique à grande échelle.
Ces réacteurs sont utilisés dans les processus de polymérisation comme la production de polypropylène et de polyéthylène.
Les réacteurs à flux piston conviennent aux systèmes de réaction liquide-solide et gaz-solide.
Ceux-ci conviennent aux réactions hétérogènes ou homogènes telles que : hydrogénation des huiles et des graisses.
Les PFR sont utilisés pour oxyder les alcools et autres composés organiques et pour générer des produits chimiques fins comme des pigments et des colorants.

Ainsi, c'est un aperçu du réacteur à flux piston , fonctionnement, avantages, inconvénients et applications. La conception et la sélection d'un réacteur à bon débit sont toujours un art et des années de connaissances vous permettent de vous améliorer dans vos sélections. Parfois, un réacteur à écoulement piston est également connu sous le nom de CTR (réacteur tubulaire continu). Sous une forme idéalisée, la forme de la combinaison de réaction peut être mesurée comme étant composée de quelques bouchons et chaque bouchon a une concentration uniforme. Ce PFR suppose qu’il n’y a pas de mélange axial donc il n’y a pas de rétro-mélange dans le réacteur. Voici une question pour vous, qu'est-ce qu'un réacteur ?