Реактор с ламинарным потоком ( LFR ) — это тип химического реактора , который использует ламинарный поток для управления скоростью реакции и/или распределением реакции. LFR обычно представляет собой длинную трубку с постоянным диаметром, которая поддерживается при постоянной температуре. Реагенты вводятся с одного конца, а продукты собираются и контролируются с другого. [1] Реакторы с ламинарным потоком часто используются для изучения изолированной элементарной реакции или многостадийного механизма реакции .
Реакторы с ламинарным потоком используют характеристики ламинарного потока для достижения различных исследовательских целей. Например, LFR могут использоваться для изучения динамики жидкости в химических реакциях или для создания специальных химических структур, таких как углеродные нанотрубки . Одной из особенностей LFR является то, что время пребывания (промежуток времени, в течение которого химические вещества остаются в реакторе) химических веществ в реакторе можно изменять либо путем изменения расстояния между точкой ввода реагента и точкой, в которой берется продукт/образец, либо путем регулирования скорости газа/жидкости. Поэтому преимущество реактора с ламинарным потоком заключается в том, что различные факторы, которые могут влиять на реакцию, можно легко контролировать и регулировать в течение всего эксперимента.
Средства анализа реакции включают использование зонда, который вводится 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, взятие всего образца газа/жидкости в конце реактора и сбор данных также может быть полезным. [1] Используя методы, упомянутые выше, можно контролировать и анализировать различные данные, такие как концентрация , скорость потока и т. д.
Жидкости или газы с контролируемой скоростью проходят через реактор с ламинарным потоком в режиме ламинарного потока . То есть потоки жидкостей или газов скользят друг по другу, как карты. При анализе жидкостей с одинаковой вязкостью («густотой» или «липкостью»), но разной скоростью, жидкости обычно характеризуются двумя типами потоков: ламинарный поток и турбулентный поток . По сравнению с турбулентным потоком ламинарный поток имеет тенденцию иметь более низкую скорость и, как правило, имеет более низкое число Рейнольдса . Турбулентный поток, с другой стороны, нерегулярен и движется с более высокой скоростью. Поэтому скорость потока турбулентного потока на одном поперечном сечении часто предполагается постоянной или «плоской». «Неплоская» скорость потока ламинарного потока помогает объяснить механизм LFR. Для жидкости/газа, движущихся в LFR, скорость вблизи центра трубы выше, чем у жидкостей вблизи стенки трубы. Таким образом, распределение скоростей реагентов имеет тенденцию уменьшаться от центра к стенке.
Скорость вблизи центра трубы выше, чем у жидкостей вблизи стенки трубы. Таким образом, распределение скоростей реагентов имеет тенденцию быть выше в центре и ниже по бокам. Рассмотрим жидкость, прокачиваемую через LFR с постоянной скоростью от входа, а концентрация жидкости контролируется на выходе. График распределения времени пребывания должен выглядеть как отрицательный наклон с положительной вогнутостью. И график моделируется функцией: если меньше ; если больше или равно . [2] Обратите внимание, что график изначально имеет нулевое значение, это просто потому, что веществу требуется некоторое время, чтобы пройти через реактор. Когда материал начинает достигать выхода, концентрация резко увеличивается и постепенно уменьшается с течением времени.
Ламинарное течение внутри LFR имеет уникальную характеристику течения параллельно, не мешая друг другу. Скорость жидкости или газа естественным образом уменьшается по мере приближения к стенке и удаления от центра. Поэтому реагенты имеют увеличивающееся время пребывания в LFR от центра к стороне. Постепенно увеличивающееся время пребывания дает исследователям четкую схему реакции в разное время. Кроме того, при изучении реакций в LFR радиальные градиенты скорости, состава и температуры являются значительными. [3] Другими словами, в других реакторах, где ламинарное течение не является значительным, 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 поперечного сечения. Поэтому при работе с LFR необходимо учитывать разницу скоростей по всему реактору.
Различные исследования, касающиеся моделирования LFR и образования веществ в LFR, были проведены за последние десятилетия. Например, образование однослойной углеродной нанотрубки было исследовано в LFR. [4] В качестве другого примера, преобразование метана в высшие углеводороды было изучено в реакторе с ламинарным потоком. [5]
