Un reactor de flujo laminar ( LFR ) es un tipo de reactor químico que utiliza flujo laminar para controlar la velocidad de reacción y / o la distribución de la reacción. El LFR es generalmente un tubo largo de diámetro constante que se mantiene a temperatura constante. Los reactivos se inyectan en un extremo y los productos se recogen y controlan en el otro. [1] Los reactores de flujo laminar se utilizan a menudo para estudiar una reacción elemental aislada o un mecanismo de reacción de varios pasos .
Descripción general
Los reactores de flujo laminar emplean las características del flujo laminar para lograr diversos fines de investigación. Por ejemplo, los LFR se pueden utilizar para estudiar la dinámica de fluidos en reacciones químicas , o se pueden utilizar para generar estructuras químicas especiales como los nanotubos de carbono . Una característica del LFR es que el tiempo de residencia (el intervalo de tiempo durante el cual los productos químicos permanecen en el reactor) de los productos químicos en el reactor se puede variar cambiando la distancia entre el punto de entrada del reactivo y el punto en el que el producto / se toma una muestra, o ajustando la velocidad del gas / fluido. Por lo tanto, el beneficio de un reactor de flujo laminar es que los diferentes factores que pueden afectar una reacción pueden controlarse y ajustarse fácilmente a lo largo de un experimento.
Medios de análisis de reactivos en LFR
Los medios para analizar la reacción incluyen el uso de una sonda que ingresa al reactor; o más exactamente, a veces se pueden utilizar métodos ópticos no intrusivos (por ejemplo, usar un espectrómetro para identificar y analizar el contenido) para estudiar las reacciones en el reactor. Además, también puede ser útil tomar la muestra completa del gas / fluido al final del reactor y recopilar datos. [1] Utilizando los métodos mencionados anteriormente, se pueden monitorear y analizar varios datos como la concentración , la velocidad del flujo , etc.
Velocidad de flujo en LFR
Los fluidos o gases con velocidad controlada pasan a través de un reactor de flujo laminar en forma de flujo laminar . Es decir, corrientes de fluidos o gases se deslizan unas sobre otras como cartas. Al analizar fluidos con la misma viscosidad ("espesor" o "pegajosidad") pero diferente velocidad, los fluidos se caracterizan típicamente en dos tipos de flujos: flujo laminar y flujo turbulento . En comparación con el flujo turbulento, el flujo laminar tiende a tener una velocidad más baja y generalmente tiene un número de Reynolds más bajo . El flujo turbulento, por otro lado, es irregular y viaja a mayor velocidad. Por lo tanto, a menudo se supone que la velocidad de flujo de un flujo turbulento en una sección transversal es constante o "plana". La velocidad de flujo "no plana" del flujo laminar ayuda a explicar el mecanismo de un LFR. Para el fluido / gas que se mueve en un LFR, la velocidad cerca del centro de la tubería es mayor que la de los fluidos cerca de la pared de la tubería. Por tanto, la distribución de velocidades de los reactivos tiende a disminuir desde el centro hasta la pared.
Distribución del tiempo de residencia (RTD)
La velocidad cerca del centro de la tubería es mayor que la de los fluidos cerca de la pared de la tubería. Por tanto, la distribución de velocidades de los reactivos tiende a ser mayor en el centro y menor en el lateral. Considere el fluido que se bombea a través de un LFR a velocidad constante desde la entrada, y la concentración del fluido se monitorea en la salida. El gráfico de la distribución del tiempo de residencia debe verse como una pendiente negativa con concavidad positiva. Y el gráfico está modelado por la función: E (t) = 0 si t es menor que τ / 2; E (t) = τ ^ 2 / 2t ^ 3 si t es mayor o igual que τ / 2. [2] Observe que la gráfica tiene el valor E (t) de cero inicialmente, esto se debe simplemente a que la sustancia tarda algún tiempo en viajar a través del reactor. Cuando el material comienza a llegar a la salida, la concentración aumenta drásticamente y disminuye gradualmente a medida que pasa el tiempo.
Caracteristicas
Los flujos laminares dentro de un LFR tienen la característica única de fluir en forma paralela sin molestarse entre sí. La velocidad del fluido o gas disminuirá naturalmente a medida que se acerque a la pared y se aleje del centro. Por lo tanto, los reactivos tienen un tiempo de residencia creciente en el LFR desde el centro hacia el lado. Un tiempo de residencia que aumenta gradualmente proporciona a los investigadores un diseño claro de la reacción en diferentes momentos. Además, al estudiar reacciones en LFR, los gradientes radiales en velocidad, composición y temperatura son significativos. [3] En otras palabras, en otros reactores donde el flujo laminar no es significativo, por ejemplo, en un reactor de flujo pistón , se supone que la velocidad del objeto es la misma en una sección transversal ya que los flujos son en su mayoría turbulentos. En un reactor de flujo laminar, la velocidad es significativamente diferente en varios puntos de la misma sección transversal. Por lo tanto, las diferencias de velocidad en todo el reactor deben tenerse en cuenta cuando se trabaja con un LFR.
Investigar
Durante las últimas décadas se han realizado varias investigaciones relacionadas con el modelado de LFR y formaciones de sustancias dentro de un LFR. Por ejemplo, se investigó la formación de nanotubos de carbono de pared simple en un LFR. [4] Como otro ejemplo, se ha estudiado la conversión de metano a hidrocarburos superiores en un reactor de flujo laminar. [5]
Ver también
Referencias
- ^ a b LEE, JC; RA YETTER; FL DRYER; AG TOMBOULIDES; SA ORSZAG (24 de octubre de 2007). "Simulación y Análisis de Reactores de Flujo Laminar". Ciencia y tecnología de la combustión . 159 (1): 199–212. doi : 10.1080 / 00102200008935783 .
- ^ Fogler, HS "Elementos de Ingeniería de Reacción Química" . Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería . Archivado desde el original el 29 de febrero de 2012 . Consultado el 5 de febrero de 2012 .
- ^ AboGhander, NS "Un experimento de laboratorio de ingeniería de reacción química: reactor isotérmico de flujo laminar" (PDF) . Departamento de Ingeniería Química Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales Dhahran 31261, Arabia Saudita . Consultado el 5 de febrero de 2012 .
- ^ Moisala, Anna; Nasibulin, Albert G .; Brown, David P .; Jiang, Hua; Khriachtchev, Leonid; Kauppinen, Esko I. (2006). "Síntesis de nanotubos de carbono de pared simple utilizando ferroceno y pentacarbonilo de hierro en un reactor de flujo laminar". Ciencias de la Ingeniería Química . 61 (13): 4393–4402. doi : 10.1016 / j.ces.2006.02.020 . ISSN 0009-2509 .
- ^ Skjøth-Rasmussen, MS; P Glarborg; M Østberg; JT Johannessen; H Livbjerg; AD Jensen; TS Christensen (enero de 2004). "Formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos y hollín en la oxidación rica en combustible de metano en un reactor de flujo laminar". Combustión y llama . 136 (1–2): 91–128. doi : 10.1016 / j.combustflame.2003.09.011 .