Uvod U Šaržne Reaktore: Osnove I Primjene

Da li ste ikada razmišljali o tome kako se dešavaju hemijske reakcije koje stvaraju stvari poput lekova i goriva?

Znate da se ove reakcije ne događaju same od sebe jer ste student ili inženjer.

Potrebni su im tačni uslovi, pažljivo odmerene količine reaktanata i katalizatora i prava vrsta reaktora.

Šaržni reaktor pomaže u tome.

Šaržni reaktor je važan alat za svakog hemijskog inženjera jer može da obradi širok spektar reakcija i da se uslovi tih reakcija mogu veoma precizno kontrolisati.

U ovom članku ću detaljno govoriti o šaržnim reaktorima, govoreći o njihovim dijelovima, prednostima i upotrebi.

Bilo da ste iskusni inženjer ili tek počinjete, ovaj članak će vam dati informacije koje su vam potrebne da biste razumjeli šaržni reaktor i koliko su oni važni u svijetu kemijskog inženjerstva.

Uvod u batch reaktore

Formalna definicija:

Hemijski reaktor u koji se reaktanti i katalizator unose u željenim količinama, a posuda se zatim zatvara za isporuku dodatnog materijala.

Batch reaktori su fleksibilne mašine koje se mogu koristiti za mnoge različite procesne operacije.

Neke od najčešćih stvari koje rade šaržni reaktori su:

Čvrste materije se mogu rastvoriti u tečnostima uz pomoć šaržnih reaktora.

Čvrste materije i rastvarač se stavljaju u reaktor, a mešavina se meša dok se sve čvrste supstance ne rastvore.

• Miješanje proizvoda: šaržni reaktori se koriste za miješanje različitih proizvoda kako bi se dobila mješavina koju želite.

Ovo može biti korisno u industriji hrane i pića, gdje se različiti sastojci miješaju kako bi se napravio određeni proizvod.

• Hemijske reakcije: Većina hemijskih reakcija se odvija u šaržnim reaktorima.

Nakon dodavanja reaktanata u reaktor, smjesa se ostavlja da reagira određeno vrijeme.

Na kraju serije, predmeti se zatim vade.

• Šaržna destilacija: šaržni reaktori se također mogu koristiti za šaržnu destilaciju, što je način odvajanja dijelova mješavine na osnovu njihovih tačaka ključanja.

Prednosti i nedostaci šaržnih reaktora

Šaržni reaktori imaju niz prednosti, kao što su:

Serijski reaktori su svestrani jer mogu učiniti više od jedne stvari u jednoj posudi, a da pritom ne razbiju izolaciju.

Serijski reaktori mogu napraviti različite proizvode u istom reaktoru jer se mogu koristiti za više od jedne stvari.

• Visoke konverzije: Reagensi mogu ostati u reaktoru dugo vremena, što dovodi do visokih konverzija.
• Jednostavnost izrade i promjene: Batch reaktore je prilično lako napraviti i promijeniti.

Ali šaržni reaktori također imaju neke probleme, kao što su:

• Povratno miješanje: Povratno miješanje se dešava kada se materijal ne vadi dok se reakcija ne završi.

To skraćuje vijek trajanja katalizatora i stvara mnogo otpada.

• Ograničene količine: Serijski reaktori nisu najbolji način da se napravi mnogo proizvoda odjednom.
• Varijabilnost proizvoda: Proizvodi proizvedeni u šaržnim reaktorima mogu se razlikovati od serije do serije.
• Poteškoće s proizvodnjom velikih razmjera: Serijski reaktori nisu dobri za izradu mnogo stvari odjednom.
• Skupo za rad: Batch reaktori moraju se često uključivati ​​i isključivati, što ih čini skupim za rad.

Dizajnerske karakteristike šaržnih reaktora

Šaržni reaktori se izrađuju sa nekim sličnim dijelovima, kao što su:

• Priključci za ubrizgavanje reaktanata i uklanjanje proizvoda: Serijski reaktori imaju priključke za ubrizgavanje reaktanata i uklanjanje proizvoda.
• Izmjenjivač topline ili sistem za miješanje: Izmjenjivač topline ili sistem za miješanje mogu se dodati u šaržni reaktor.
• Konstantan volumen: šaržni reaktori obično imaju konstantan volumen, ali neki su napravljeni tako da se volumen može mijenjati kako bi se održao konstantan pritisak.

Ukratko, šaržni reaktori su jednostavni kontejneri koji se koriste u procesnoj industriji za širok spektar zadataka.

Svestrani su, mogu se koristiti za više od jedne stvari, imaju visoke stope konverzije i lako se prave i mijenjaju.

Ali oni također imaju neke probleme, kao što su ponovno miješanje, ograničene količine, različiti proizvodi, poteškoće u pravljenju puno njih, kratak vijek trajanja katalizatora i otpad.

Serijski reaktori se često koriste za male poslove, testiranje novih metoda i proizvodnju skupe robe.

Takođe se često koriste u laboratorijama za proizvodnju malih razmera i za pokretanje procesa fermentacije pića.

Prihvatanje nepredvidivosti: uzbuđenje i rizici šaržnih reaktora

Još uvijek je teško razumjeti? Dozvolite mi da malo promijenim tačku gledišta:

Hemičari, obratite pažnju! Želite da vam posao bude zanimljiviji? Umorni ste od istih stvari koje se dešavaju iznova i iznova? Serijski reaktor je sve što vam treba.

Serijski reaktor je savršen za haos, nepredvidljivost, a možda čak i malo uzbuđenja jer možete dodati reaktante i katalizatore u količinama koje želite, a zatim zatvoriti posudu kako biste spriječili da više materijala ulazi.

Koga briga za kontrolu i dosljednost? Prihvatite činjenicu da je batch reaktor teško predvidjeti i vidite kuda će vas odvesti.

U redu, to je bila samo šala napravljena da izgleda kao TV reklama.

Vratimo se sada na objašnjenje.

Komponente šaržnih reaktora

Šaržni reaktori su posude koje se koriste u procesnoj industriji za otapanje čvrstih tvari, miješanje proizvoda, izvođenje kemijskih reakcija i destilaciju u serijama.

Reaktorska posuda, reakcioni medij, gornji prostor i miješalica su četiri glavna dijela.

Reactor Vessel

Glavni dio šaržnog reaktora je reaktorska posuda, koja je često napravljena od čelika, nehrđajućeg čelika, čelika obloženog staklom, stakla ili egzotične legure.

Može biti manji od 1 litre ili veći od 15.000 litara.

Većinu vremena, tečnosti i čvrste materije se stavljaju u reaktor kroz rupe na gornjem poklopcu.

Pare i gasovi izlaze iz rupa na vrhu, a tečnosti izlaze iz rupa na dnu.

Reakcioni medij

Stvar u kojoj se odvija reakcija naziva se reakcioni medij.

Ovisno o vrsti reakcije koja se izvodi, može biti u plinovitoj fazi, tečnoj fazi ili tečno-čvrstoj fazi.

Headspace

Headspace je prazan prostor iznad medija.

Daje prostor za gas ili paru koja nastaje tokom reakcije.

Agitator

Miješalica je potrebna za miješanje različitih dijelova i dodavanje ili uklanjanje topline iz reakcije.

Ovisno o vrsti reakcije, može se izraditi s aksijalnim protočnim impelerima ili impelerima radijalnog protoka kako bi se osigurale različite vrste miješanja.

Prednosti i izazovi šaržnih reaktora

Jedna od najboljih stvari kod šaržnih reaktora je njihova fleksibilnost.

Jedno plovilo može obaviti niz različitih zadataka bez razbijanja zatvorenosti.

Ovo je korisno kada radite s toksičnim materijalima jer smanjuje rizik od ozljeđivanja radnika.

Ali šaržni reaktori imaju nekih problema, poput ponovnog miješanja, što može pogoršati kvalitetu proizvoda jer reaktanti nisu ravnomjerno raspoređeni u posudi.

Dizajniranje i dimenzioniranje šaržnih reaktora

Nekoliko stvari treba uzeti u obzir prilikom dizajniranja i dimenzioniranja šaržnog reaktora za određenu reakciju.

To uključuje kinetiku reakcije, prijenos topline, prijenos mase, miješanje i fazno ponašanje.

Dizajn mora osigurati da reaktor može bezbedno i efikasno izvesti reakciju, ispuniti specifikacije za proizvod i održati troškove proizvodnje što je moguće nižima.

Većinu vremena, određivanje veličine šaržnog reaktora znači određivanje zapremine reaktora potrebnog da se reaktanti konvertuju na određeni način i omogući dovoljno miješanja i prijenosa topline.

Kako bi se iz reaktora postigle najbolje performanse, proces dizajna i dimenzioniranja može uključivati ​​eksperimente, simulacije i modele.

U batch reaktoru, vrijeme potrebno da se postigne određeni nivo konverzije ovisi o tome koliko brzo reakcija ide i koliku konverziju želite.

Dakle, da biste odredili pravu zapreminu šaržnog reaktora za određenu reakciju, morali biste razmišljati o stvarima kao što su brzina reakcije, početne koncentracije reaktanata, nivo konverzije koji želite i količina vremena reaktora će biti pokrenut.

Ove informacije mogu se koristiti za određivanje prave veličine za šaržni reaktor izračunavanjem parametara kao što su konstante brzine reakcije i stehiometrijski koeficijenti.

Za razliku od CSTR-a i PFR-a, koji mogu kontinuirano obraditi velike količine reaktanata tokom vremena, šaržni reaktori mogu podnijeti samo određeni broj reaktanata odjednom.

Dakle, šaržni reaktor možda neće moći podnijeti istu količinu vrste A dnevno kao reaktor s kontinuiranim protokom.

Ali šaržni reaktori su i dalje korisni za male operacije, testiranje novih procesa koji još nisu u potpunosti razvijeni i izradu skupih proizvoda.

Ukratko, šaržni reaktori imaju nekoliko važnih dijelova, kao što su posuda reaktora, reakcioni medij, gornji prostor i miješalica.

Imaju prednosti poput fleksibilnosti i mogućnosti da se koriste za više od jedne stvari, ali također imaju problema kao što je ponovno miješanje.

Da biste dizajnirali i dimenzionirali šaržni reaktor za određenu reakciju, morate razmišljati o stvarima kao što su kinetika reakcije, prijenos topline, prijenos mase, miješanje i fazno ponašanje.

Proračuni u batch reaktorima

Jednačina ravnoteže mola i reakcija serije

Za šaržni reaktor sa serijskom reakcijom, trebamo koristiti jednadžbu ravnoteže mola da bismo utvrdili koliko je tvari u reaktoru.

Jednačina ravnoteže mola se koristi da se utvrdi koliko se brzo mijenja količina svakog mola u reaktoru.

Jednačina ravnoteže mola za šaržni reaktor je:

dN_i/dt = r_i*V

gdje je N_i broj molova vrste i, t je vrijeme, r_i je brzina reakcije za vrstu i, a V je zapremina reaktora.

Kad god želimo da znamo koliko se svake vrste nalazi u šaržnom reaktoru tokom serijske reakcije, možemo koristiti ovu jednačinu.

Dimenzioniranje šaržnog reaktora saponifikacije za vrući proces

Saponifikacija je hemijski proces koji pretvara masti i lug u sapun.

Za vrući proces saponifikacije koristi se šaržni reaktor.

Za vrući proces, veličina reaktora za serijsku saponifikaciju ovisit će o tome koliko sapuna treba napraviti i kakva se vrsta sapuna pravi.

Osim veličine reaktora, površina površine reaktora također može promijeniti brzinu reakcije.

Ako koristite reaktor sa pregradama ili onaj sa većim omjerom širine i visine, možete povećati površinu.

Za proces vrućeg saponifikacije, temperatura reaktora treba da se održava između 70°C i 85°C.

Koliko dugo će reakcija trajati zavisi od toga koliko sapuna želite da napravite.

Može potrajati od nekoliko sati do nekoliko dana.

Serijski reaktor se može koristiti za proučavanje kinetike saponifikacije.

Koristeći šaržni reaktor sa magnetnim miješanjem i staklenim omotačem, studenti mogu odrediti konstante brzine reakcije drugog reda na različitim temperaturama.

Reakcija saponifikacije se također može koristiti za određivanje reakcijske konverzije u cjevastom reaktoru sa nabijenim slojem.

Testiranje i optimizacija u batch reaktorima

Izvođenje batch reaktorskih testova sa čvrstim materijama

Kada se radi serijski test reaktora s krutom tvari, čvrsti i tekući reaktanti se obično miješaju u posudi s miješalicom.

Smjesa se zatim ostavi da reagira određeno vrijeme.

Nakon toga, čvrsta supstanca se obično odvaja od tekućine filtracijom ili centrifugiranjem.

Zatim, da bi se saznalo dokle je reakcija otišla, mjeri se koncentracija vrste od interesa u tečnoj fazi.

Kada planirate serijski test reaktora sa čvrstim materijalom, takođe biste trebali razmisliti o veličini čestica čvrste supstance, početnoj koncentraciji reaktanata i nivou konverzije koji želite.

Modificirani laboratorijski batch reaktor test

Biorazgradnja isparljivih organskih jedinjenja u aktivnom mulju testirana je u šaržnom reaktoru u laboratoriji.

Test je promijenjen tako da uključuje vlakna za mikroekstrakciju čvrste faze (SPME) za uzorkovanje u plinskoj fazi.

Ovo eliminira potrebu za cijevi za vuču i olakšava korištenje s čvrstim tvarima.

Sistemi šaržnog reaktora za sekvenciranje (SBR).

Sekvencirajući šaržni reaktor (SBR) je sistem aktivnog mulja koji tretira otpadnu vodu tako što se puni, a zatim odvodi.

U ovom sistemu, otpadna voda se stavlja u jedan šaržni reaktor.

Dva ili više šaržnih reaktora se koriste u određenom redoslijedu kako bi se postigle najbolje performanse sistema.

SBR sistemi su korišćeni za prečišćavanje otpadnih voda iz gradova i fabrika.

Jednačina ravnoteže materijala

Jednačina materijalnog bilansa može se koristiti da se shvati šta se dešava u šaržnim reaktorima kada se dogode hemijske reakcije.

Na primjer, jednačina d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV se može koristiti za dobro promiješane šaržne reaktore jer je integrale jednostavno procijeniti zbog dobrog miješanja unutar reaktora.

Polu-serijski reaktori

Polu-serijski reaktori imaju karakteristike i šaržnih reaktora i reaktora s miješanim spremnikom koji rade cijelo vrijeme (CSTR).

Oni mogu dodavati hranu dok je reakcija u toku, kao CSTR, ali su ispunjeni reaktantom na početku, kao šaržni reaktori.

U većini slučajeva, poluserijski reaktori se koriste kada reakcija treba da se polako doda jedan reagens ili kada je reakcija previše vruća da bi se obavila u šaržnom reaktoru.

Pregled batch reaktora

Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podešavanja, ako niste upoznati sa govornim jezikom. Možda ćete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.

Slučajevi upotrebe

Zaključak

Na kraju, šaržni reaktor je važan alat za hemijske inženjere u mnogim različitim oblastima.

Omogućuje vam da vrlo precizno kontrolišete uslove reakcije, što je važno za pravljenje konzistentnih, visokokvalitetnih proizvoda.

Ali iako je šaržni reaktor odličan dio tehnologije, on nije lijek za sve.

Ne može se koristiti za svaku vrstu reakcije jer ima neke nedostatke.

Kao inženjeri, naš je posao da nastavimo s novim idejama i isprobavanju novih tehnologija koje nam mogu pomoći da zaobiđemo ove probleme i olakšamo izradu složenih kemijskih proizvoda.

Možemo napraviti bolju budućnost za sebe i planetu ako pomjerimo granice mogućeg.

Zato nastavimo tražiti i isprobavati nove stvari kako bismo pronašli bolja, efikasnija i dugoročnija rješenja.

Linkovi i reference

Mole Balances:

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

Reaktori u procesnom inženjerstvu:

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