Въведение В Периодичните Реактори: Основи И Приложения

Замисляли ли сте се как се случват химичните реакции, които правят неща като лекарства и гориво?

Знаете, че тези реакции не се случват сами, защото сте студент по инженерство или инженер.

Те се нуждаят от точни условия, внимателно измерени количества реагенти и катализатори и правилния тип реактор.

Периодичният реактор помага за това.

Периодичният реактор е важен инструмент за всеки инженер-химик, защото може да се справи с широк спектър от реакции и условията на тези реакции могат да се контролират много прецизно.

В тази статия ще разгледам подробно периодичните реактори, като говоря за техните части, предимства и приложения.

Независимо дали сте опитен инженер или току-що прохождащ, тази статия ще ви даде информацията, от която се нуждаете, за да разберете периодичните реактори и колко важни са те в света на химическото инженерство.

Въведение в периодичните реактори

Официална дефиниция:

Химически реактор, в който реагентите и катализаторът се въвеждат в желаните количества и след това съдът се затваря за доставяне на допълнителен материал.

Периодичните реактори са гъвкави машини, които могат да се използват за много различни процеси.

Някои от най-често срещаните неща, които правят периодичните реактори, са:

Твърдите вещества могат да се разтварят в течности с помощта на периодични реактори.

Твърдите вещества и разтворителят се поставят в реактора и сместа се разбърква, докато всички твърди вещества се разтворят.

• Смесване на продукти: Периодичните реактори се използват за смесване на различни продукти, за да се получи желаната от вас смес.

Това може да бъде полезно в индустрията за храни и напитки, където различни съставки се смесват, за да се получи определен продукт.

• Химични реакции: Повечето химични реакции се извършват в периодични реактори.

След добавяне на реагентите към реактора, сместа се оставя да реагира за определено време.

В края на партидата артикулите се изваждат.

• Периодична дестилация: Периодичните реактори могат също да се използват за периодична дестилация, което е начин за разделяне на части от смес въз основа на техните точки на кипене.

Предимства и недостатъци на периодичните реактори

Периодичните реактори имат редица предимства, като например:

Периодичните реактори са многофункционални, защото могат да извършват повече от едно нещо в един съд, без да нарушават защитната конструкция.

Периодичните реактори могат да произвеждат различни продукти в един и същ реактор, защото могат да се използват за повече от едно нещо.

• Високи конверсии: Реагентите могат да останат в реактора за дълго време, което води до високи конверсии.
• Лесно правене и промяна: Партидните реактори са доста лесни за правене и промяна.

Но периодичните реактори също имат някои проблеми, като например:

• Обратно смесване: Обратно смесване се случва, когато материалът не се извади, докато реакцията не приключи.

Това скъсява живота на катализатора и води до много отпадъци.

• Ограничени количества: Партидните реактори не са най-добрият начин да се направи голямо количество продукт наведнъж.
• Променливост на продуктите: Продуктите, произведени от периодични реактори, могат да бъдат различни от една партида до друга.
• Трудности с широкомащабното производство: Партидните реактори не са подходящи за производство на много неща наведнъж.
• Скъпи за работа: Периодичните реактори трябва да се включват и изключват често, което ги прави скъпи за работа.

Конструктивни характеристики на периодичните реактори

Периодичните реактори се правят с някои подобни части, като например:

• Портове за инжектиране на реагенти и отстраняване на продукти: Периодичните реактори имат портове за инжектиране на реагенти и отстраняване на продукти.
• Топлообменник или система за разбъркване: Топлообменник или система за разбъркване може да се добави към периодичен реактор.
• Постоянен обем: Периодичните реактори обикновено имат постоянен обем, но някои са направени така, че обемът да може да се променя, за да се поддържа постоянно налягане.

Накратко, периодичните реактори са прости контейнери, които се използват в преработвателната промишленост за широк спектър от задачи.

Те са универсални, могат да се използват за повече от едно нещо, имат висок процент на реализация и са лесни за правене и промяна.

Но те също имат някои проблеми, като обратно смесване, ограничени количества, различни продукти, трудност при производството на много от тях, кратък живот на катализатора и отпадъци.

Периодичните реактори често се използват за малки задачи, тестване на нови методи и производство на скъпи стоки.

Те също така често се използват в лаборатории за дребномащабно производство и за стартиране на процеса на ферментация на напитки.

Прегръщане на непредсказуемостта: Вълнението и рисковете от периодичните реактори

Все още трудно за разбиране? Да променя малко гледната точка:

Химици, моля, обърнете внимание! Искате работата ви да е по-интересна? Уморихте ли се едни и същи неща да се случват отново и отново? Периодичният реактор е всичко, от което се нуждаете.

Периодичният реактор е идеален за хаос, непредсказуемост и може би дори малко вълнение, защото можете да добавите реагенти и катализатори в количествата, които желаете, и след това да затворите съда, за да спрете навлизането на повече материали.

На кого му пука за контрола и последователността? Приемете факта, че периодичният реактор е труден за предвиждане и вижте къде ще ви отведе.

Добре, това беше просто шега, направена да изглежда като телевизионна реклама.

Сега да се върнем към обяснението.

Компоненти на периодични реактори

Периодичните реактори са съдове, които се използват в преработвателната промишленост за извършване на неща като разтваряне на твърди вещества, смесване на продукти, извършване на химически реакции и дестилиране на партиди.

Реакторният съд, реакционната среда, горното пространство и бъркалката са четирите основни части.

Корпус на реактора

Основната част на периодичния реактор е корпусът на реактора, който често е направен от стомана, неръждаема стомана, облицована със стъкло стомана, стъкло или екзотична сплав.

Може да бъде по-малък от 1 литър или по-голям от 15 000 литра.

През повечето време течностите и твърдите частици се поставят в реактора през отвори в горния капак.

Парите и газовете излизат от дупките в горната част, а течностите излизат от дупките в долната част.

Средна реакция

Нещото, в което протича реакцията, се нарича реакционна среда.

В зависимост от вида на извършваната реакция, тя може да бъде в газова фаза, течна фаза или течно-твърда фаза.

Главно пространство

Headspace е празното пространство над средата.

Той дава място за газа или парата, които се образуват по време на реакцията.

Агитатор

Бъркалката е необходима за смесване на различните части и добавяне или премахване на топлина от реакцията.

В зависимост от вида на реакцията, тя може да бъде направена с работни колела с аксиален поток или работни колела с радиален поток, за да се осигурят различни видове смесване.

Предимства и предизвикателства на периодичните реактори

Едно от най-добрите неща за периодичните реактори е колко гъвкави са.

Един единствен кораб може да изпълнява поредица от различни задачи, без да наруши защитната конструкция.

Това е полезно при работа с токсични материали, защото намалява риска работниците да бъдат наранени.

Но периодичните реактори имат някои проблеми, като обратното смесване, което може да влоши качеството на продукта, тъй като реагентите не са разпределени равномерно в съда.

Проектиране и оразмеряване на периодични реактори

Няколко неща трябва да се вземат предвид при проектирането и оразмеряването на периодичен реактор за определена реакция.

Те включват кинетиката на реакцията, пренос на топлина, пренос на маса, смесване и фазово поведение.

Проектът трябва да гарантира, че реакторът може да извърши реакцията безопасно и ефективно, да отговаря на спецификациите за продукта и да поддържа производствените разходи възможно най-ниски.

През повечето време определянето на размера на партиден реактор означава определяне на обема на реактора, необходим за преобразуване на реагентите по определен начин и позволяване на достатъчно смесване и пренос на топлина.

За да получите най-доброто представяне на реактора, процесът на проектиране и оразмеряване може да включва експерименти, симулации и модели.

В периодичен реактор времето, необходимо за достигане на определено ниво на преобразуване, зависи от това колко бързо протича реакцията и колко преобразуване искате.

Така че, за да разберете правилния обем на партидния реактор за определена реакция, ще трябва да помислите за неща като скоростта на реакцията, началните концентрации на реагентите, нивото на преобразуване, което искате, и времето, през което реакторът ще се изпълнява.

Тази информация може да се използва за определяне на правилния размер за партиден реактор чрез изчисляване на параметри като константи на скоростта на реакцията и стехиометрични коефициенти.

За разлика от CSTR и PFR, които могат да обработват големи количества реагенти непрекъснато във времето, периодичните реактори могат да обработват само определен брой реагенти наведнъж.

Така че един периодичен реактор може да не е в състояние да обработва същото количество вид А на ден като реактор с непрекъснат поток.

Но периодичните реактори все още са полезни за операции в малък мащаб, тестване на нови процеси, които все още не са напълно разработени, и производство на скъпи продукти.

Накратко, периодичните реактори имат няколко важни части, като реакторния съд, реакционната среда, горното пространство и бъркалката.

Те имат предимства като гъвкавост и възможност за използване за повече от едно нещо, но също така имат проблеми като обратно смесване.

За да проектирате и оразмерите партиден реактор за определена реакция, трябва да помислите за неща като кинетика на реакцията, пренос на топлина, пренос на маса, смесване и фазово поведение.

Изчисления в периодични реактори

Уравнение на молния баланс и последователна реакция

За периодичен реактор с последователна реакция трябва да използваме уравнението за моларния баланс, за да разберем какво количество вещество има в реактора.

Уравнението на молния баланс се използва, за да се определи колко бързо се променя количеството на всеки мол в реактора.

Уравнението на молния баланс за периодичен реактор е:

dN_i/dt = r_i*V

където N_i е броят молове на вид i, t е времето, r_i е скоростта на реакция за вид i, а V е обемът на реактора.

Всеки път, когато искаме да знаем колко от всеки вид е в периодичен реактор по време на серийна реакция, можем да използваме това уравнение.

Оразмеряване на реактор за партидно осапунване за горещ процес

Сапонификацията е химичен процес, който превръща мазнините и лугата в сапун.

За горещия процес на осапунване се използва периодичен реактор.

За горещия процес размерът на реактора за партидно осапунване ще зависи от това колко сапун трябва да се направи и какъв вид сапун се прави.

В допълнение към размера на реактора, площта на повърхността на реактора също може да промени колко бързо протича реакцията.

Ако използвате реактор с прегради или такъв с по-висок аспект, можете да увеличите повърхността.

За процеса на горещо осапунване температурата на реактора трябва да се поддържа между 70°C и 85°C.

Колко време отнема реакцията зависи от това колко сапун искате да направите.

Може да отнеме от няколко часа до няколко дни.

Периодичен реактор може да се използва за изследване на кинетиката на осапунването.

Използвайки периодичен реактор с магнитно разбъркване и стъклен кожух, учениците могат да разберат скоростните константи на реакция от втори ред при различни температури.

Реакцията на осапунване може също да се използва за определяне на реакционната конверсия в тръбен реактор с натъпкан слой.

Тестване и оптимизация в периодични реактори

Извършване на тестове на партиден реактор с твърди вещества

Когато се прави периодичен реакторен тест с твърдо вещество, твърдите и течните реагенти обикновено се смесват в съд с бъркалка.

След това сместа се оставя да реагира за определено време.

След това твърдото вещество обикновено се отделя от течността чрез филтруване или центрофугиране.

След това, за да се установи докъде е стигнала реакцията, се измерва концентрацията на интересуващите ни видове в течната фаза.

Когато планирате периодичен реакторен тест с твърдо вещество, трябва също да помислите за размера на частиците на твърдото вещество, първоначалната концентрация на реагентите и нивото на преобразуване, което искате.

Модифициран лабораторен периодичен реакторен тест

Биологичното разграждане на летливи органични съединения в активната утайка е тествано в периодичен реактор в лаборатория.

Тестът е променен, за да включва влакна за микроекстракция в твърда фаза (SPME) за вземане на проби в газовата фаза.

Това елиминира необходимостта от нагнетателна тръба и го прави по-лесен за използване с твърди вещества.

Системи с периодичен реактор за секвениране (SBR).

Периодичният реактор за секвениране (SBR) е система с активна утайка, която пречиства отпадъчните води, като се пълни и след това се източва.

В тази система отпадъчните води се поставят в реактор с едно партидно действие.

Два или повече периодични реактора се използват в определен ред, за да се получи най-доброто представяне на системата.

SBR системите се използват за пречистване на отпадъчни води както от градове, така и от фабрики.

Уравнение на материалния баланс

Уравнението на материалния баланс може да се използва, за да се разбере какво се случва в периодичните реактори, когато протичат химични реакции.

Например уравнението d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV може да се използва за периодични реактори с добро разбъркване, тъй като интегралите са лесни за оценка поради доброто смесване в реактора.

Полупериодични реактори

Полупериодичните реактори имат характеристики както на периодичните реактори, така и на реакторите с разбъркване, които работят през цялото време (CSTR).

Те могат да добавят захранване, докато протича реакцията, като CSTR, но те са пълни с реагент в началото, като периодичните реактори.

По-голямата част от времето се използват полу-периодични реактори, когато една реакция трябва да добави бавно един реагент или когато реакцията е твърде гореща, за да се извърши в периодичен реактор.

Преглед на партиден реактор

Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с говоримия език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.

Случаи на употреба

Заключение

В крайна сметка периодичният реактор е важен инструмент за инженерите-химици в много различни области.

Позволява ви да контролирате много прецизно условията на реакция, което е важно за производството на постоянни, висококачествени продукти.

Но въпреки че периодичният реактор е страхотна технология, той не е лек за всичко.

Не може да се използва за всеки вид реакция, защото има някои недостатъци.

Като инженери, нашата работа е да продължаваме да измисляме нови идеи и да изпробваме нови технологии, които могат да ни помогнат да преодолеем тези проблеми и да улесним производството на сложни химически продукти.

Можем да създадем по-добро бъдеще за себе си и планетата, ако прекрачим границите на възможното.

Така че нека продължим да търсим и опитваме нови неща, за да намерим по-добри, по-ефективни и по-дългосрочни решения.

Връзки и препратки

Мол баланси:

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

Реактори в процесното инженерство:

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering