Реактор ламинарного потока

Реактор с ламинарным потоком ( LFR ) — это тип химического реактора , который использует ламинарный поток для контроля скорости реакции и/или распределения реакции. LFR обычно представляет собой длинную трубку постоянного диаметра, в которой поддерживается постоянная температура. Реагенты вводятся на одном конце, а продукты собираются и контролируются на другом. ^[1] Реакторы с ламинарным потоком часто используются для изучения изолированной элементарной реакции многостадийной или механизма реакции .

Обзор

Реакторы с ламинарным потоком используют характеристики ламинарного потока для достижения различных исследовательских целей. Например, LFR можно использовать для изучения гидродинамики в химических реакциях или для создания специальных химических структур, таких как углеродные нанотрубки . Одной из особенностей LFR является то, что время пребывания (интервал времени, в течение которого химические вещества остаются в реакторе) химических веществ в реакторе можно изменять, либо изменяя расстояние между точкой ввода реагента и точкой, в которой продукт/ отбора пробы или путем регулирования скорости газа/жидкости. Таким образом, преимущество реактора с ламинарным потоком заключается в том, что различные факторы, которые могут повлиять на реакцию, можно легко контролировать и регулировать на протяжении всего эксперимента.

Средства анализа реагентов в LFR

Средства анализа реакции включают использование зонда, вводимого в реактор; или, точнее, иногда можно использовать неинтрузивные оптические методы (например, использовать спектрометр для идентификации и анализа содержимого) для изучения реакций в реакторе. Более того, может оказаться полезным взять всю пробу газа/жидкости в конце реактора и собрать данные. ^[1] различные данные, такие как концентрация , скорость потока Используя упомянутые выше методы, можно отслеживать и анализировать и т. д.

Скорость потока в LFR

Жидкости или газы с контролируемой скоростью проходят через реактор с ламинарным потоком в виде ламинарного потока . То есть потоки жидкостей или газов скользят друг по другу, как карты. При анализе жидкостей с одинаковой вязкостью («толщиной» или «липкостью»), но с разной скоростью, жидкости обычно разделяют на два типа потоков: ламинарный поток и турбулентный поток . По сравнению с турбулентным потоком ламинарный поток имеет тенденцию иметь более низкую скорость и обычно имеет более низкое число Рейнольдса . С другой стороны, турбулентный поток нерегулярен и движется с более высокой скоростью. Поэтому скорость течения турбулентного потока в одном поперечном сечении часто предполагается постоянной или «плоской». «Неплоская» скорость ламинарного потока помогает объяснить механизм LFR. Для жидкости/газа, движущегося в LFR, скорость вблизи центра трубы выше, чем скорость жидкости вблизи стенки трубы. Таким образом, распределение реагентов по скоростям имеет тенденцию к уменьшению от центра к стенке.

Распределение времени пребывания (RTD)

Скорость вблизи центра трубы выше, чем скорость жидкости у стенки трубы. Таким образом, распределение реагентов по скоростям имеет тенденцию быть выше в центре и ниже по бокам. Предположим, что жидкость прокачивается через LFR с постоянной скоростью от входного отверстия, а концентрация жидкости контролируется на выходе. График распределения времени пребывания должен иметь отрицательный наклон с положительной вогнутостью. А график моделируется функцией: $E(t)=0$ если $t$ меньше, чем $\tau /2$ ; $E(t)=(\tau ^{2}/2)t^{3}$ если $t$ больше или равно $\tau /2$ . ^[2] Обратите внимание, что на графике имеется $E(t)$ Первоначальное значение равно нулю, это просто потому, что веществу требуется некоторое время, чтобы пройти через реактор. Когда материал начинает достигать выхода, концентрация резко возрастает и с течением времени постепенно снижается.

Характеристики

Ламинарные потоки внутри LFR имеют уникальную особенность: они текут параллельно, не мешая друг другу. Скорость жидкости или газа естественным образом будет уменьшаться по мере приближения к стенке и удаления от центра. реагентов Поэтому время пребывания в LFR увеличивается от центра к бокам. Постепенно увеличивающееся время пребывания дает исследователям четкое представление о реакции в разное время. Кроме того, при изучении реакций в ЛФС существенны радиальные градиенты скорости, состава и температуры. ^[3] Другими словами, в других реакторах, где ламинарное течение не является существенным, например, в реакторе с поршневым потоком , скорость объекта предполагается одинаковой в одном поперечном сечении, поскольку потоки в основном турбулентные. В реакторе с ламинарным потоком скорость существенно различается в разных точках одного и того же сечения. Поэтому при работе с LFR необходимо учитывать разницу скоростей по всему реактору.

Исследовать

За последние десятилетия были проведены различные исследования, касающиеся моделирования ЛФС и образования веществ внутри ЛФР. Например, образование одностенных углеродных нанотрубок было исследовано в LFR. ^[4] В качестве другого примера, конверсия метана в высшие углеводороды изучалась в реакторе с ламинарным потоком. ^[5]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ЛИ, JC; РА ЙЕТТЕР; ФЛ СУШИЛКА; АГ ТОМБУЛИДЕС; СА ОРСЗАГ (24 октября 2007 г.). «Моделирование и анализ реакторов с ламинарным потоком». Наука и технология горения . 159 (1): 199–212. дои : 10.1080/00102200008935783 .
^ Фоглер, Г.С. «Элементы технологии химических реакций» . Инженерный колледж Мичиганского университета . Архивировано из оригинала 29 февраля 2012 года . Проверено 5 февраля 2012 г.
^ АбоГандер, Н.С. «Лабораторный эксперимент по разработке химических реакций: изотермический реактор с ламинарным потоком» (PDF) . Факультет химической инженерии Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда, Дахран, 31261, Саудовская Аравия . Проверено 5 февраля 2012 г.
^ Мойсала, Анна; Насибулин Альберт Георгиевич; Браун, Дэвид П.; Цзян, Хуа; Хрящев Леонид; Кауппинен, Эско И. (2006). «Синтез одностенных углеродных нанотрубок с использованием ферроцена и пентакарбонила железа в реакторе с ламинарным потоком». Химико-техническая наука . 61 (13): 4393–4402. Бибкод : 2006ЧЭнС..61.4393М . дои : 10.1016/j.ces.2006.02.020 . ISSN 0009-2509 .
^ Скьёт-Расмуссен, MS; П. Гларборг; М Остберг; Дж. Т. Йоханнессен; Х Ливбьерг; А.Д. Дженсен; Т. С. Кристенсен (январь 2004 г.). «Образование полициклических ароматических углеводородов и сажи при богатом топливом окислении метана в реакторе с ламинарным потоком». Горение и пламя . 136 (1–2): 91–128. Бибкод : 2004CoFl..136...91S . дои : 10.1016/j.combustflame.2003.09.011 .

Внешние ссылки

https://www.youtube.com/watch?v=VOemsoVSPWI

[S&A_for_LFR-1] Jump up to: ^а ^б ЛИ, JC; РА ЙЕТТЕР; ФЛ СУШИЛКА; АГ ТОМБУЛИДЕС; СА ОРСЗАГ (24 октября 2007 г.). «Моделирование и анализ реакторов с ламинарным потоком». Наука и технология горения . 159 (1): 199–212. дои : 10.1080/00102200008935783 .

[UMich-2] Фоглер, Г.С. «Элементы технологии химических реакций» . Инженерный колледж Мичиганского университета . Архивировано из оригинала 29 февраля 2012 года . Проверено 5 февраля 2012 г.

[3] АбоГандер, Н.С. «Лабораторный эксперимент по разработке химических реакций: изотермический реактор с ламинарным потоком» (PDF) . Факультет химической инженерии Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда, Дахран, 31261, Саудовская Аравия . Проверено 5 февраля 2012 г.

[ChemES-4] Мойсала, Анна; Насибулин Альберт Георгиевич; Браун, Дэвид П.; Цзян, Хуа; Хрящев Леонид; Кауппинен, Эско И. (2006). «Синтез одностенных углеродных нанотрубок с использованием ферроцена и пентакарбонила железа в реакторе с ламинарным потоком». Химико-техническая наука . 61 (13): 4393–4402. Бибкод : 2006ЧЭнС..61.4393М . дои : 10.1016/j.ces.2006.02.020 . ISSN 0009-2509 .

[Combustion-5] Скьёт-Расмуссен, MS; П. Гларборг; М Остберг; Дж. Т. Йоханнессен; Х Ливбьерг; А.Д. Дженсен; Т. С. Кристенсен (январь 2004 г.). «Образование полициклических ароматических углеводородов и сажи при богатом топливом окислении метана в реакторе с ламинарным потоком». Горение и пламя . 136 (1–2): 91–128. Бибкод : 2004CoFl..136...91S . дои : 10.1016/j.combustflame.2003.09.011 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]