Reattore chimico: il “PFR”

Nella scienza, e più precisamente nell’ingegneria chimica, un reattore è visto come un tank, o contenitore, che deve avere come scopo quello di tenere al suo interno una serie di reagenti e soluzioni, atte a innescare al suo interno e fra di loro una data e specifica reazione chimica.

Costruire un contenitore chimico come un reattore, deve tenere conto di numerosi aspetti, sia chimici che di tipo ingegneristico, garantendo la buona riuscita della reazione chimica con la maggiore resa possibile e con la minore spesa che si possa.

Per non parlare degli elevati costi di produzione non solo per quanto riguarda le materie primarie, ma anche per quanto riguarda l’acquisto di energia spendibile e da rimuovere se si rendesse necessario raffreddare e quindi stoppare la reazione, e anche i costi di lavorazione manuale legati alla conduzione della reazione.

Esistono molte tipologie di reattori chimici, che vengono suddivise in due apposite e differenti categorie (famiglie), e che sarebbero i reattori “continui e discontinui”.

Essi si differenziano fra di loro per le modalità di operazione e di svolgimento di una reazione: i continui sono infatti composti da tutte le unità dell’impianto chimico, e lavorano ogni giorno 24 ore su 24, mentre i reattori a processo discontinuo seguono un particolare ciclo di lavorazione della reazione, in cui per prima cosa si introducono i reagenti al suo interno (carico) reazione e svuotamento (con relativa pulitura).

Tra i reattori chimici a processo continuo troviamo diversi tipi di reattori, che sarebbero il reattore CSTR, PBR e PFR. Essi sono considerati anche dei reattori di tipo “ideale”, come anche il reattore Batch (che però è discontinuo) Semi-Batch e LFR.
Questi reattori ideali sarebbero delle approssimazioni teoriche di reattori in realtà esistenti, atti a rendere più semplice la creazioni e costruzione del reattore facente parte dell’impianto chimico.

Il reattore PFR (Plug Flow Reactor, in italiano “reattore a flusso a pistone”), in particolar modo, è un reattore chimico di tipo ideale e continuo.
In questo tipo di reattore, la reazione chimica decorre al suo interno e la forte concentrazione di prodotti aumenta con l’aumento della variabile spaziale. Questo modello è usato per predire la lunghezza del tubo necessaria a ottenere un certo tipo di resa.
Il modello matematico che descrive nella sua totalità il reattore PFR si ottiene partendo con un bilancio di materia con riferimento alle moli della specie i-esima in entrata nel reattore, in scala microscopica, con un volume di cilindretto che ha uno spessore di dx e sezione S uguale a quella del tubo.

Il modello PFR ideale, prevede inoltre che ci si metta nelle condizioni di regime stazionario (quindi con accumulo nullo), moto a pistone (cioè il vettore velocità ha componente solo assiale) e assenza di moti diffusivi (ovvero con diffusiti inesistente).
L’applicazione che si ritrova più frequentemente con l’utilizzo del modello PFR è quella riguardante il dimensionamento.