Úvod Do Vsádkových Reaktorů: Základy A Aplikace

Přemýšleli jste někdy o tom, jak dochází k chemickým reakcím, které způsobují věci, jako je medicína a palivo?

Víte, že tyto reakce se nedějí samy od sebe, protože jste student nebo inženýr inženýrství.

Potřebují přesné podmínky, pečlivě odměřená množství reaktantů a katalyzátorů a správný druh reaktoru.

Vsádkový reaktor s tím pomáhá.

Vsádkový reaktor je důležitým nástrojem pro každého chemického inženýra, protože dokáže zvládnout širokou škálu reakcí a podmínky těchto reakcí lze velmi přesně řídit.

V tomto článku se budu podrobně věnovat vsázkovým reaktorům, mluvit o jejich částech, výhodách a použití.

Ať už jste zkušený inženýr nebo teprve začínáte, tento článek vám poskytne informace, které potřebujete, abyste pochopili vsádkové reaktory a jak důležité jsou ve světě chemického inženýrství.

Úvod do dávkových reaktorů

Formální definice:

Chemický reaktor, ve kterém jsou reaktanty a katalyzátor zaváděny v požadovaných množstvích a nádoba je pak uzavřena pro dodávku dalšího materiálu.

Dávkové reaktory jsou flexibilní stroje, které lze použít pro mnoho různých procesních operací.

Některé z nejběžnějších věcí, které vsádkové reaktory dělají, jsou:

Pevné látky lze rozpouštět v kapalinách pomocí vsádkových reaktorů.

Pevné látky a rozpouštědlo se vloží do reaktoru a směs se míchá, dokud se všechny pevné látky nerozpustí.

• Míchání produktů: Dávkové reaktory se používají ke smíchání různých produktů, aby se vytvořila směs, kterou chcete.

To může být užitečné v potravinářském a nápojovém průmyslu, kde se různé ingredience mísí, aby vznikl určitý produkt.

• Chemické reakce: Většina chemických reakcí se provádí v dávkových reaktorech.

Po přidání reakčních složek do reaktoru se směs nechá reagovat po nastavenou dobu.

Na konci dávky jsou položky vyjmuty.

• Vsádková destilace: Vsádkové reaktory lze také použít pro vsádkovou destilaci, což je způsob, jak oddělit části směsi na základě jejich bodů varu.

Výhody a nevýhody dávkových reaktorů

Dávkové reaktory mají řadu výhod, jako například:

Dávkové reaktory jsou všestranné, protože mohou dělat více než jednu věc v jedné nádobě, aniž by došlo k porušení kontejnmentu.

Vsádkové reaktory mohou vyrábět různé produkty ve stejném reaktoru, protože je lze použít pro více než jednu věc.

• Vysoké konverze: Reagencie mohou zůstat v reaktoru po dlouhou dobu, což vede k vysokým konverzím.
• Snadná výroba a výměna: Dávkové reaktory se vyrábějí a mění velmi snadno.

Ale vsádkové reaktory mají také některé problémy, jako například:

• Zpětné míchání: Ke zpětnému míchání dochází, když se materiál nevyjme, dokud reakce neskončí.

Tím se zkracuje životnost katalyzátoru a vzniká velké množství odpadu.

• Omezené množství: Dávkové reaktory nejsou nejlepším způsobem, jak vyrobit velké množství produktů najednou.
• Variabilita produktů: Produkty vyrobené vsádkovými reaktory se mohou lišit od jedné šarže k druhé.
• Potíže s velkovýrobou: Dávkové reaktory nejsou vhodné pro výrobu mnoha věcí najednou.
• Nákladný provoz: Dávkové reaktory je třeba často zapínat a vypínat, což zdražuje jejich provoz.

Konstrukční vlastnosti dávkových reaktorů

Dávkové reaktory jsou vyrobeny z některých podobných částí, jako jsou:

• Porty pro vstřikování reaktantů a odstraňování produktů: Dávkové reaktory mají porty pro vstřikování reaktantů a odstraňování produktů.
• Tepelný výměník nebo míchací systém: Tepelný výměník nebo míchací systém lze přidat do vsádkového reaktoru.
• Konstantní objem: Vsádkové reaktory mají obvykle konstantní objem, ale některé jsou vyrobeny tak, aby bylo možné objem měnit a udržovat konstantní tlak.

Stručně řečeno, vsádkové reaktory jsou jednoduché nádoby, které se používají ve zpracovatelském průmyslu pro širokou škálu úkolů.

Jsou všestranné, lze je použít pro více věcí, mají vysokou míru konverze a snadno se vyrábějí a mění.

Ale mají také některé problémy, jako je zpětné míchání, omezené množství, různé produkty, potíže s výrobou velkého množství, krátká životnost katalyzátoru a odpad.

Dávkové reaktory se často používají pro práce v malém měřítku, testování nových metod a výrobu drahého zboží.

Často se také používají v laboratořích pro výrobu v malém měřítku a pro zahájení procesu fermentace nápojů.

Přijetí nepředvídatelnosti: Vzrušení a rizika dávkových reaktorů

Stále těžké pochopit? Dovolím si trochu změnit úhel pohledu:

Chemici, dávejte pozor! Chcete, aby vaše práce byla zajímavější? Už vás nebaví, že se pořád dokola dějí stejné věci? Dávkový reaktor je vše, co potřebujete.

Dávkový reaktor je perfektní pro chaos, nepředvídatelnost a možná i trochu vzrušení, protože můžete přidat reaktanty a katalyzátory v požadovaném množství a poté nádobu uzavřít, abyste zabránili vnikání dalších materiálů.

Koho zajímá kontrola a důslednost? Přijměte skutečnost, že dávkový reaktor je těžké předvídat a uvidíte, kam vás zavede.

Dobře, to byl jen vtip, který vypadal jako televizní reklama.

Nyní se vraťme k vysvětlení.

Součásti dávkových reaktorů

Dávkové reaktory jsou nádoby, které se používají ve zpracovatelském průmyslu k provádění věcí, jako je rozpouštění pevných látek, míchání produktů, provádění chemických reakcí a destilace v dávkách.

Nádoba reaktoru, reakční médium, horní prostor a míchadlo jsou čtyři hlavní části.

Reaktorová nádoba

Hlavní částí vsádkového reaktoru je nádoba reaktoru, která je často vyrobena z oceli, nerezové oceli, oceli potažené sklem, skla nebo exotické slitiny.

Může být menší než 1 litr nebo větší než 15 000 litrů.

Většinu času jsou kapaliny a pevné látky přiváděny do reaktoru otvory v horním krytu.

Páry a plyny vycházejí z otvorů v horní části a kapaliny vycházejí z otvorů ve spodní části.

Reakční médium

Věc, ve které reakce probíhá, se nazývá reakční prostředí.

V závislosti na typu prováděné reakce může být v plynné fázi, kapalné fázi nebo kapalné-pevné fázi.

Headspace

Headspace je prázdný prostor nad médiem.

Poskytuje prostor pro plyn nebo páru, která vzniká během reakce.

Míchačka

Míchadlo je potřebné pro smíchání různých částí a přidání nebo odstranění tepla z reakce.

V závislosti na typu reakce může být vyroben s oběžnými koly s axiálním průtokem nebo oběžnými koly s radiálním průtokem pro zajištění různých typů míchání.

Výhody a výzvy dávkových reaktorů

Jednou z nejlepších věcí na vsádkových reaktorech je jejich flexibilita.

Jedno plavidlo může dělat řadu různých úkolů, aniž by prolomilo kontejnment.

To je užitečné při práci s toxickými materiály, protože snižuje riziko zranění pracovníků.

Ale vsádkové reaktory mají určité problémy, jako je zpětné míchání, které může zhoršit kvalitu produktu, protože reaktanty nejsou v nádobě rozprostřeny rovnoměrně.

Navrhování a dimenzování dávkových reaktorů

Při navrhování a dimenzování vsádkového reaktoru pro určitou reakci je třeba vzít v úvahu několik věcí.

Patří mezi ně kinetika reakce, přenos tepla, přenos hmoty, míchání a fázové chování.

Konstrukce musí zajistit, aby reaktor mohl provádět reakci bezpečně a efektivně, splňovat specifikace pro produkt a udržovat výrobní náklady na co nejnižší úrovni.

Zjistit velikost vsádkového reaktoru většinou znamená zjistit objem reaktoru potřebný k přeměně reaktantů určitým způsobem a umožnění dostatečného promíchání a přenosu tepla.

Aby se z reaktoru dostal co nejlepší výkon, může proces návrhu a dimenzování zahrnovat experimenty, simulace a modely.

Ve vsádkovém reaktoru závisí čas potřebný k dosažení určité úrovně konverze na tom, jak rychle reakce probíhá a jak velkou konverzi chcete.

Abyste tedy zjistili správný objem vsádkového reaktoru pro určitou reakci, museli byste přemýšlet o věcech, jako je rychlost reakce, počáteční koncentrace reaktantů, požadovaná úroveň konverze a doba, po kterou bude reaktor fungovat. Bude běžet.

Tyto informace by mohly být použity k určení správné velikosti pro vsádkový reaktor výpočtem parametrů, jako jsou konstanty reakční rychlosti a stechiometrické koeficienty.

Na rozdíl od CSTR a PFR, které dokážou zpracovávat velké množství reaktantů kontinuálně v průběhu času, mohou vsádkové reaktory zpracovávat pouze určitý počet reaktantů najednou.

Takže vsádkový reaktor nemusí být schopen zvládnout stejné množství druhu A za den jako reaktor s kontinuálním průtokem.

Ale vsádkové reaktory jsou stále užitečné pro operace v malém měřítku, testování nových procesů, které ještě nebyly plně vyvinuty, a výrobu drahých produktů.

Stručně řečeno, vsádkové reaktory mají několik důležitých částí, jako je nádoba reaktoru, reakční médium, horní prostor a míchadlo.

Mají výhody, jako je flexibilita a možnost použití pro více než jednu věc, ale mají také problémy, jako je zpětné míchání.

Chcete-li navrhnout a dimenzovat vsádkový reaktor pro určitou reakci, musíte přemýšlet o věcech, jako je kinetika reakce, přenos tepla, přenos hmoty, míchání a fázové chování.

Výpočty v dávkových reaktorech

Rovnice molární rovnováhy a sériová reakce

Pro vsádkový reaktor se sériovou reakcí musíme použít rovnici molární bilance, abychom zjistili, kolik látky je v reaktoru.

Rovnice molární rovnováhy se používá ke zjištění, jak rychle se mění množství každého molu v reaktoru.

Rovnice molární bilance pro vsádkový reaktor je:

dN_i/dt = r_i*V

kde N_i je počet molů druhu i, t je čas, r_i je rychlost reakce pro druh i a V je objem reaktoru.

Kdykoli chceme vědět, kolik každého druhu je ve vsádkovém reaktoru během sériové reakce, můžeme použít tuto rovnici.

Dimenzování dávkového saponifikačního reaktoru pro horký proces

Zmýdelnění je chemický proces, který mění tuky a louh na mýdlo.

Pro horký proces saponifikace se používá vsádkový reaktor.

U horkého procesu bude velikost vsádkového saponifikačního reaktoru záviset na tom, kolik mýdla je třeba vyrobit a jaký druh mýdla se vyrábí.

Kromě velikosti reaktoru může také plocha povrchu reaktoru měnit rychlost reakce.

Pokud použijete reaktor s přepážkami nebo reaktor s vyšším poměrem stran, můžete zvětšit povrch.

Pro proces zmýdelnění za horka by měla být teplota reaktoru udržována mezi 70 °C a 85 °C.

Jak dlouho bude reakce trvat, závisí na tom, kolik mýdla chcete vyrobit.

Může to trvat od několika hodin až po několik dní.

Ke studiu kinetiky saponifikace lze použít vsádkový reaktor.

Pomocí vsádkového reaktoru s magnetickým mícháním a skleněného pláště mohou studenti zjistit rychlostní konstanty reakce druhého řádu při různých teplotách.

Saponifikační reakci lze také použít k určení reakční konverze v trubkovém reaktoru s náplní.

Testování a optimalizace v dávkových reaktorech

Provádění dávkových reaktorových testů s pevnými látkami

Když se provádí test vsádkového reaktoru s pevnou látkou, pevné a kapalné reaktanty se obvykle mísí v nádobě s míchadlem.

Směs se pak nechá po určitou dobu reagovat.

Poté se pevná látka obvykle oddělí od kapaliny filtrací nebo odstředěním.

Poté, aby se zjistilo, jak daleko reakce zašla, se měří koncentrace sledovaných druhů v kapalné fázi.

Při plánování testu vsádkového reaktoru s pevnou látkou byste měli také myslet na velikost částic pevné látky, počáteční koncentraci reaktantů a požadovanou úroveň konverze.

Modifikovaný laboratorní test vsádkového reaktoru

Biodegradace těkavých organických látek v aktivovaném kalu byla testována ve vsádkovém reaktoru v laboratoři.

Test byl změněn tak, aby zahrnoval vlákna mikroextrakce v pevné fázi (SPME) pro odběr vzorků v plynné fázi.

To eliminuje potřebu sací trubky a usnadňuje použití s ​​pevnými látkami.

Systémy sekvenčních dávkových reaktorů (SBR).

Sekvenční vsázkový reaktor (SBR) je systém s aktivovaným kalem, který čistí odpadní vodu tak, že se naplní a poté vypustí.

V tomto systému je odpadní voda přiváděna do jednoho vsádkového reaktoru.

Pro dosažení nejlepšího výkonu systému se používají dva nebo více vsádkových reaktorů v nastaveném pořadí.

Systémy SBR se používají k čištění odpadních vod z měst i továren.

Rovnice materiálové bilance

Rovnici materiálové bilance lze použít k určení toho, co se děje ve vsádkových reaktorech, když probíhají chemické reakce.

Například rovnice d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV lze použít pro dobře míchané vsádkové reaktory, protože integrály lze snadno vyhodnotit díky dobrému promíchání v reaktoru.

Polodávkové reaktory

Polovsádkové reaktory mají vlastnosti jak vsádkových reaktorů, tak reaktorů s míchanou nádrží, které běží neustále (CSTR).

Mohou přidávat nástřik, zatímco reakce probíhá, jako CSTR, ale jsou naplněny reaktantem na začátku, jako vsádkové reaktory.

Většinu času se polodávkové reaktory používají, když je potřeba do reakce pomalu přidat jedno činidlo nebo když je reakce příliš horká na to, aby mohla být provedena ve vsádkovém reaktoru.

Přehled dávkového reaktoru

Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud nejste obeznámeni s mluveným jazykem, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.

Případy užití

Závěr

Vsádkový reaktor je nakonec důležitým nástrojem pro chemické inženýry v mnoha různých oblastech.

Umožňuje velmi přesně řídit podmínky reakce, což je důležité pro výrobu konzistentních vysoce kvalitních produktů.

Ale i když je vsádkový reaktor skvělou technologií, není všelékem.

Nemůže být použit pro každý druh reakce, protože má nějaké nedostatky.

Jako inženýři máme za úkol neustále přicházet s novými nápady a zkoušet nové technologie, které nám mohou pomoci tyto problémy obejít a usnadnit výrobu složitých chemických produktů.

Můžeme udělat lepší budoucnost pro sebe a planetu, pokud posuneme hranice toho, co je možné.

Pojďme tedy dál hledat a zkoušet nové věci, abychom našli lepší, efektivnější a dlouhodobější řešení.

Odkazy a odkazy

Krtkové zůstatky:

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

Reaktory v procesním inženýrství:

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