Reaktor Aliran Plug : Cara Kerja, Derivasi, Karakteristik & Aplikasinya

Aliran sumbat merupakan karakteristik penting dari reaktor ini, sehingga dua molekul mana pun dapat masuk ke dalam reaktor dalam waktu yang lebih singkat dan keluar pada waktu yang bersamaan. Pasang aliran reaktor memberikan pengendalian waktu reaksi yang efisien ketika mengoptimalkan pembagian reaktan dan produk. Jadi, aliran sumbat yang baik diperlukan untuk kinerja reaktor yang baik. Jadi reaktor yang menggunakan bahan kimia aliran sumbat biasa disebut reaktor aliran sumbat atau reaktor PFR. Reaktor Aliran Sumbat atau PFR adalah reaktor tipe umum ketiga di mana nutrisi dimasukkan secara terus menerus ke dalam reaktor & dipindahkan ke seluruh reaktor sebagai “sumbat”. Artikel ini membahas ikhtisar a reaktor aliran sumbat , cara kerjanya, dan aplikasinya.

Apa itu Reaktor Aliran Plug?

Reaktor aliran sumbat atau reaktor aliran piston adalah reaktor aliran ideal tipe persegi panjang yang menggunakan aliran fluida kontinu untuk memproses bahan di seluruh tabung. Reaktor ini digunakan untuk menggambarkan reaksi kimia di dalam pipa silinder sedemikian rupa sehingga semua kombinasi reaksi kimia akan disuplai dengan kecepatan yang sama sepanjang arah aliran, sehingga; tidak ada integrasi atau arus balik.

Reaktor ini mencakup pipa silinder dengan bukaan di setiap ujungnya untuk reaktan serta produk yang melaluinya reaktan disuplai. Untuk menjaga keseragaman reaksi dalam reaktor ini, air pada suhu tetap disediakan untuk reaktor. Aliran sumbat dihasilkan dalam reaktor ini dengan memasukkan material secara terus menerus dari satu ujung ke ujung lainnya, sehingga material tersebut dikeluarkan secara terus menerus. Bahan yang sering diproduksi di PFR adalah; petrokimia, polimer, farmasi, dll. Reaktor ini memiliki berbagai aplikasi baik dalam sistem fase cair atau gas.

Reaktor aliran sumbat memberikan kontrol waktu tinggal dan kondisi reaksi yang luar biasa. Jadi mereka memberikan tingkat konversi yang tinggi & kompatibel dengan reaksi melalui pelepasan panas yang tinggi (atau) sensitivitas terhadap konsentrasi reaktan. Namun, mereka memiliki beberapa keterbatasan tanpa pencampuran radial dan pencampuran aksial saja.

Fitur Utama

Fitur utama dari reaktor aliran sumbat adalah sebagai berikut.

Aliran Searah

Dalam PFR, reaktan dan produk bergerak dalam satu arah sepanjang reaktor tanpa terjadi pencampuran kembali.

Gradien Konsentrasi

Konsentrasi reaktan & produk dalam reaktor ini berubah seiring dengan panjang reaktor meskipun tetap konsisten pada setiap bagian vertikal aliran.

Waktu Tinggal

Waktu tinggal volume reaktan terpisah yang dihabiskan dalam PFR disebut waktu tinggal dan stabil untuk semua volume.

Prinsip Kerja Reaktor Aliran Plug

Reaktor aliran sumbat bekerja dengan mengoksidasi alkohol & senyawa organik lainnya untuk menghasilkan bahan kimia seperti; pigmen & pewarna. Fluida dalam reaktor ini bergerak secara kontinyu & seragam di seluruh pipa atau tabung. Reaktan masuk di salah satu ujung reaktor mengalir ke seluruh reaktor dan berada di ujung lainnya.

Sifat aliran sumbat dalam reaktor ini memastikan bahwa reaktan kimia terkena kondisi yang sama melalui PFR & waktu tinggal setiap reaktan adalah sama. Jadi, reaktor aliran sumbat adalah pilihan tepat untuk reaksi utama yang memerlukan kontrol waktu, suhu, dan tekanan yang tepat.

Diagram Reaktor Aliran Steker

Perancangan reaktor aliran sumbat dapat dilakukan dengan beberapa jenis kapiler yang berupa tabung kecil (atau) saluran yang dipasang pada pelat. Ini merupakan rangkaian reaktor kontinu dengan saluran masuk reaktan & saluran keluar isi reaktor yang dilakukan secara terus menerus sepanjang operasi reaktor.

Reaktor aliran sumbat (PFR) tidak mempunyai agitator yang berbentuk silinder yang memungkinkan fluida berkembang dengan jumlah pencampuran balik yang minimal, akibatnya semua partikel fluida yang masuk ke dalam reaktor mempunyai waktu tinggal yang sama. . Reaktor ini tentu saja dapat dianggap sebagai serangkaian irisan cairan tipis, yang terdiri dari reaktor batch kecil, yang diaduk seluruhnya dalam irisan tersebut untuk bergerak maju di dalam reaktor seperti piston.

Persamaan keseimbangan massa umum dapat dinyatakan seperti berikut untuk salah satu irisan fluida di dalam reaktor:

Inlet = Outlet + Konsumsi + Akumulasi

Satuan setiap komponen dari ekspresi di atas adalah laju aliran material seperti mol/detik.

Derivasi Persamaan Reaktor Aliran Plug

Reaktor aliran plug adalah reaktor ideal dimana semua partikel pada suatu bagian tertentu mempunyai kecepatan dan arah gerak yang sama. Pada reaktor aliran sumbat (PFR) tidak terjadi aliran balik atau pencampuran, sehingga aliran suatu fluida seperti sumbat dari sisi saluran masuk ke saluran keluar ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Reaktor ini dibuat tergantung pada keseimbangan massa serta keseimbangan panas dalam jumlah fluida yang berbeda. Jika kita membayangkan prosedurnya isotermal, maka keseimbangan massa hanya dipertimbangkan.

Jika kita membayangkan kondisi tunak, konsentrasi reaktan pada akhirnya tidak berubah. Ini adalah metode pengoperasian PFR yang khas. Persamaan matematis PFR dapat dituliskan secara sederhana sebagai;

udCi/dx = sumber

Ci(0) = Ci(f)

0≤ x ≤ L

Dimana 'Ci' adalah reaktan, 'i' adalah konsentrasi, 'u' adalah kecepatan fluida, 'νi' adalah koefisien stoikiometri, 'r' adalah laju reaksi & 'x' adalah posisi di dalam reaktor. 'Caf' adalah reaktan Konsentrasi A pada saluran masuk reaktor & 'L' adalah panjang reaktor. Kecepatan fluida 'u' diukur tergantung pada laju aliran volumetrik Fv (m3/s) & luas penampang reaktor S (m^2):

kamu=Fv/S

Dalam PFR ideal, semua partikel cair telah berada di dalam reaktor selama jangka waktu yang sama yang disebut tempat tinggal rata-rata, yang diukur sebagai;

T =L/kamu

Data waktu tinggal biasanya digunakan dalam teknik reaktor kimia untuk membuat prediksi perubahan & konsentrasi keluar.

Reaksi Ireversibel Orde Pertama

Mari kita perhatikan reaksi dekomposisi sederhana:

SEBUAH–>B

Kapanpun reaksinya ireversibel & orde pertama, kita mempunyai:

udCa/dx = -kCa

Dimana 'k' adalah konstanta kinetik. Secara umum, konstanta kinetik terutama bergantung pada suhu. Umumnya persamaan Arrhenius dapat digunakan untuk menggambarkan hubungan ini. Di sini, kami mengasumsikan kondisi isotermal, sehingga ketergantungan ini tidak akan digunakan.

Model reaksi ireversibel orde pertama dapat diselesaikan secara logis. Jadi solusinya sebagai berikut;

Ca = Kafeexp(-x*k/u)

Reaksi Ireversibel Orde Kedua

Contoh reaksi ireversibel orde kedua, mari kita gunakan contoh di bawah ini:

2A –> B

Jika reaksinya bersifat ireversibel dan reaksi orde kedua, maka diperoleh:

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

Karakteristik Reaktor Aliran Plug

Ciri-ciri reaktor aliran sumbat antara lain sebagai berikut.

• Reaktan dalam reaktor aliran sumbat mengalir ke seluruh reaktor dalam aliran kontinu dengan sedikit atau tanpa pencampuran.
• Reaksi pada PFR terjadi ketika reaktan bergerak mengikuti panjang reaktor.
• Konsentrasi reaktan berubah seiring dengan panjang reaktor dan laju reaksi umumnya lebih tinggi pada saat masuk.
• Reaktor ini sering digunakan untuk reaksi dimana diperlukan perubahan dalam jumlah besar dan dimana kecepatan reaksi tidak responsif terhadap perubahan penyerapan.
• Waktu tinggal di dalam PFR biasanya singkat.
• Biofilm terbentuk dekat dengan lingkungan simulasi antarmuka udara-cair seperti rongga mulut, permukaan batu basah, dan tirai kamar mandi.
• Reaktor jenis ini menghasilkan biofilm yang konsisten dalam geseran rendah yang dapat digunakan seperti reaktor kupon kaca statis untuk memeriksa efektivitas mikrobisida.
• Biofilm reaktor ini dianalisis dengan mudah menggunakan berbagai metode seperti penghitungan pelat yang layak, penentuan ketebalan & mikroskop cahaya.
• Reaktan dalam PFR dikonsumsi terus menerus karena mengalir sepanjang reaktor.
  PFR tipikal dapat berupa tabung yang dikemas melalui bahan padat.

Keuntungan dan kerugian

Itu keunggulan reaktor aliran sumbat termasuk yang berikut ini.

• Keunggulan PFR dibandingkan CSTR adalah reaktor ini memiliki volume yang rendah untuk ruang-waktu & tingkat konversi yang serupa.
• Reaktor memerlukan lebih sedikit ruang & kuantitas konversi dalam PFR tinggi dibandingkan dengan CSTR untuk volume reaktor serupa.
• Reaktor ini sering digunakan untuk menentukan proses kinetika katalitik fasa gas.
• Reaktor ini sangat efektif dalam menangani reaksi & untuk sekelompok besar reaksi “khas” menghasilkan tingkat konversi yang lebih tinggi untuk setiap volume reaktor dibandingkan dengan CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactors)
• Reaktor ini sangat cocok untuk reaksi cepat
• Perpindahan panas di PFR dapat dikelola dengan lebih baik dibandingkan dengan reaktor tangki sehingga sangat cocok untuk sistem yang sangat eksotermik
• Karena karakter aliran sumbat dan tidak adanya pencampuran kembali, terdapat waktu tinggal yang konsisten pada semua reaktan, yang menghasilkan kualitas produk yang dapat diandalkan terutama jika waktu tinggal yang lama menyebabkan pembentukan kontaminasi dan pembakaran, dan masih banyak lagi.
• Perawatan reaktor aliran sumbat mudah karena tidak ada elemen yang bergerak.
• Ini sederhana secara mekanis.
• Tingkat konversinya tinggi untuk setiap volume reaktor.
• Kualitas produk tidak berubah.
• Sangat baik untuk mempelajari reaksi cepat.
• Volume reaktor digunakan dengan sangat efisien.
• Sangat baik untuk proses berkapasitas besar.
• Lebih sedikit penurunan tekanan.
• Tidak ada pencampuran kembali
• Skalabilitas langsung
• Kontrol waktu tinggal yang efisien, kontrol suhu, pencampuran yang efisien, variasi batch-ke-batch terbatas, dll.

Itu kelemahan reaktor aliran sumbat termasuk yang berikut ini.

• Dalam PFR, kinerja respons eksotermik sulit dikendalikan karena beragamnya profil suhu.
• Untuk PFR, pengeluaran pemeliharaan & operasional lebih mahal dibandingkan dengan CST.
• Kontrol suhu sulit dilakukan pada reaktor.
• Titik panas terjadi di dalam reaktor setiap kali digunakan untuk reaksi eksotermik.
• Sulit dikendalikan karena komposisi & variasi suhu.
• PFR mahal untuk dirancang & dipelihara karena desain dan perakitannya yang rumit.
• PFR dirancang khusus untuk reaksi yang tepat dan mungkin tidak mampu mengakomodasi perubahan dalam bahan baku atau kondisi reaksi.
• Ini sulit dirawat dan dibersihkan karena desainnya yang sempit dan panjang.
• Reaktan dalam PFR dapat mengalir tidak merata sehingga menyebabkan titik panas atau reaksi tidak sempurna.
• Penting untuk diingat bahwa reaktor aliran sumbat tidak dapat digunakan pada semua aplikasi. Jadi kita harus menganalisis dengan cermat waktu tinggal, kinetika, masalah selektivitas, dll untuk memutuskan jenis reaktor apa yang cocok untuk suatu aplikasi.

Aplikasi

Penerapan reaktor aliran sumbat antara lain sebagai berikut.

• PFR umumnya digunakan dalam produksi pupuk, kimia skala besar, petrokimia & farmasi.
• Reaktor ini digunakan dalam proses polimerisasi seperti produksi polipropilen & polietilen.
• Reaktor aliran plug cocok untuk sistem reaksi cair-padat dan gas-padat.
• Ini cocok untuk reaksi heterogen atau homogen seperti; hidrogenasi minyak dan lemak.
• PFR digunakan untuk mengoksidasi alkohol & senyawa organik lainnya & untuk menghasilkan bahan kimia seperti pigmen & pewarna.

Jadi, ini adalah gambaran umum reaktor aliran sumbat , cara kerja, kelebihan, kekurangan, dan aplikasi. Desain & pemilihan reaktor aliran yang baik masih merupakan seni & pengetahuan bertahun-tahun membuat Anda lebih baik dalam menentukan pilihan. Kadang-kadang, reaktor aliran sumbat juga dikenal sebagai CTR (reaktor tabung kontinu). Dalam bentuk yang ideal, bentuk kombinasi reaksi dapat diukur terdiri dari beberapa sumbat & setiap sumbat mempunyai konsentrasi yang seragam. PFR ini mempunyai anggapan tidak terjadi pencampuran aksial sehingga tidak terjadi pencampuran balik di dalam reaktor. Ini pertanyaan buat anda, apa itu reaktor?