Har du nogensinde tænkt over, hvordan de kemiske reaktioner, der får ting som medicin og brændstof til at ske?
Du ved, at disse reaktioner ikke kun sker af sig selv, fordi du er ingeniørstuderende eller ingeniør.
De har brug for nøjagtige forhold, omhyggeligt afmålte mængder af reaktanter og katalysatorer og den rigtige slags reaktor.
Batchreaktoren hjælper med dette.
Batchreaktoren er et vigtigt værktøj for enhver kemiingeniør, fordi den kan håndtere en lang række reaktioner, og betingelserne for disse reaktioner kan kontrolleres meget præcist.
I denne artikel vil jeg gå i detaljer om batch-reaktorer og tale om deres dele, fordele og anvendelser.
Uanset om du er en erfaren ingeniør eller lige er begyndt, vil denne artikel give dig de oplysninger, du har brug for for at forstå batch-reaktorer, og hvor vigtige de er i kemiingeniørens verden.
Introduktion til batchreaktorer
Formel definition:
En kemisk reaktor, hvori reaktanterne og katalysatoren indføres i de ønskede mængder, og beholderen lukkes derefter for levering af yderligere materiale.
Batchreaktorer er fleksible maskiner, der kan bruges til mange forskellige procesoperationer.
Nogle af de mest almindelige ting, som batch-reaktorer gør, er:
Faste stoffer kan opløses i væsker ved hjælp af batch-reaktorer.
De faste stoffer og opløsningsmidlet anbringes i reaktoren, og blandingen omrøres, indtil alle de faste stoffer er opløst.
- Blanding af produkter: Batch-reaktorer bruges til at blande forskellige produkter sammen for at lave den blanding, du ønsker.
Dette kan være nyttigt i fødevare- og drikkevareindustrien, hvor forskellige ingredienser blandes for at lave et bestemt produkt.
- Kemiske reaktioner: De fleste kemiske reaktioner udføres i batch-reaktorer.
Efter tilsætning af reaktanterne til reaktoren lades blandingen reagere i et bestemt tidsrum.
Ved slutningen af partiet tages emnerne derefter ud.
- Batch-destillation: Batch-reaktorer kan også bruges til batch-destillation, som er en måde at adskille dele af en blanding på baseret på deres kogepunkter.
Fordele og ulemper ved batchreaktorer
Batchreaktorer har en række fordele, såsom:
Batchreaktorer er alsidige, fordi de kan gøre mere end én ting i en enkelt beholder uden at bryde indeslutningen.
Batchreaktorer kan lave forskellige produkter i den samme reaktor, fordi de kan bruges til mere end én ting.
- Høje konverteringer: Reagenser kan forblive i reaktoren i lang tid, hvilket fører til høje konverteringer.
- Nem at lave og ændre: Batch-reaktorer er ret nemme at lave og ændre.
Men batch-reaktorer har også nogle problemer, såsom:
- Tilbageblanding: Tilbageblanding sker, når materialet ikke tages ud, før reaktionen er overstået.
Dette forkorter katalysatorens levetid og giver en masse spild.
- Begrænsede mængder: Batch-reaktorer er ikke den bedste måde at lave en masse af et produkt på én gang.
- Variabilitet af produkter: Produkterne fremstillet af batch-reaktorer kan være forskellige fra en batch til den næste.
- Vanskeligheder med produktion i stor skala: Batch-reaktorer er ikke gode til at lave mange ting på én gang.
- Dyre at køre: Batch-reaktorer skal tændes og slukkes ofte, hvilket gør dem dyre i drift.
Designfunktioner for batchreaktorer
Batch-reaktorer er lavet med nogle lignende dele, såsom:
- Porte til indsprøjtning af reaktanter og fjernelse af produkter: Batchreaktorer har porte til indsprøjtning af reaktanter og fjernelse af produkter.
- Varmeveksler eller omrøringssystem: En varmeveksler eller et omrørersystem kan tilføjes til en batch-reaktor.
- Konstant volumen: Batchreaktorer har normalt et konstant volumen, men nogle er lavet så volumenet kan ændres for at holde et konstant tryk.
Kort sagt er batch-reaktorer simple beholdere, der bruges i procesindustrien til en lang række opgaver.
De er alsidige, kan bruges til mere end én ting, har høje konverteringsrater og er nemme at lave og ændre.
Men de har også nogle problemer, såsom tilbageblanding, begrænsede mængder, forskellige produkter, svært ved at lave mange af dem, kort levetid for katalysatoren og spild.
Batch-reaktorer bruges ofte til småopgaver, afprøvning af nye metoder og fremstilling af dyre varer.
De bruges også ofte i laboratorier til småskalaproduktion og til at starte gæringsprocessen for drikkevarer.
Omfavnelse af uforudsigeligheden: spændingen og risiciene ved batchreaktorer
Stadig svært at forstå? Lad mig ændre synspunktet lidt:
Kemikere, vær venligst opmærksom! Vil du have, at dit job bliver mere interessant? Træt af, at de samme ting sker igen og igen? Batch-reaktoren er alt hvad du behøver.
Batch-reaktoren er perfekt til kaos, uforudsigelighed og måske endda lidt spænding, fordi du kan tilføje reaktanter og katalysatorer i de mængder, du ønsker, og derefter lukke beholderen for at forhindre flere materialer i at komme ind.
Hvem bekymrer sig om kontrol og konsistens? Accepter det faktum, at batch-reaktoren er svær at forudsige, og se, hvor den fører dig hen.
Okay, det var bare en joke lavet til at ligne en tv-reklame.
Lad os nu gå tilbage til forklaringen.
Komponenter af batchreaktorer
Batch-reaktorer er beholdere, der bruges i procesindustrien til at gøre ting som at opløse faste stoffer, blande produkter, udføre kemiske reaktioner og destillere i batcher.
Reaktorbeholderen, reaktionsmediet, headspace og en agitator er de fire hoveddele.
Reaktorbeholder
Hoveddelen af en batch-reaktor er reaktorbeholderen, som ofte er lavet af stål, rustfrit stål, glasforet stål, glas eller en eksotisk legering.
Den kan være mindre end 1 liter eller større end 15.000 liter.
Det meste af tiden bliver væsker og faste stoffer sat ind i reaktoren gennem huller i topdækslet.
Dampe og gasser kommer ud af hullerne i toppen, og væsker kommer ud af hullerne i bunden.
Reaktionsmedium
Det, som reaktionen foregår i, kaldes reaktionsmediet.
Afhængigt af typen af reaktion, der udføres, kan den være i en gasfase, en flydende fase eller en væske-fast fase.
Headspace
Headspace er det tomme rum over mediet.
Det giver plads til den gas eller damp, der dannes under reaktionen.
Agitator
Omrøreren er nødvendig for at blande de forskellige dele og tilføje eller fjerne varme fra reaktionen.
Afhængigt af reaktionstypen kan den laves med aksialstrømningshjul eller radialstrømsløbehjul for at give forskellige typer blanding.
Fordele og udfordringer ved batchreaktorer
En af de bedste ting ved batch-reaktorer er, hvor fleksible de er.
Et enkelt fartøj kan udføre en række forskellige opgaver uden at bryde indeslutningen.
Dette er nyttigt, når du arbejder med giftige materialer, fordi det mindsker risikoen for, at arbejdere kommer til skade.
Men batch-reaktorer har nogle problemer, såsom tilbageblanding, som kan gøre produktets kvalitet dårlig, fordi reaktanterne ikke er spredt jævnt ud i beholderen.
Design og dimensionering af batchreaktorer
Flere ting skal tages i betragtning, når man designer og dimensionerer en batch-reaktor til en bestemt reaktion.
Disse omfatter reaktionens kinetik, varmeoverførsel, masseoverførsel, blanding og faseadfærd.
Designet skal sikre, at reaktoren kan udføre reaktionen sikkert og effektivt, opfylde specifikationerne for produktet og holde produktionsomkostningerne så lave som muligt.
Det meste af tiden betyder det at finde ud af størrelsen på en batch-reaktor at finde ud af mængden af reaktoren, der er nødvendig for at omdanne reaktanterne på en bestemt måde og tillade nok blanding og varmeoverførsel.
For at få den bedste ydeevne ud af reaktoren kan design- og dimensioneringsprocessen involvere eksperimenter, simuleringer og modeller.
I en batch-reaktor afhænger den tid, det tager at nå et vist niveau af omdannelse, af, hvor hurtigt reaktionen går, og hvor meget konvertering du ønsker.
Så for at finde ud af det rigtige batch-reaktorvolumen til en bestemt reaktion, skal du tænke på ting som reaktionshastigheden, de indledende koncentrationer af reaktanterne, det ønskede omdannelsesniveau og den tid, reaktoren skal bruge. Vil køre.
Denne information kan bruges til at finde ud af den rigtige størrelse for en batch-reaktor ved at beregne parametre som reaktionshastighedskonstanter og støkiometriske koefficienter.
I modsætning til CSTR'er og PFR'er, som kan behandle store mængder reaktanter kontinuerligt over tid, kan batch-reaktorer kun håndtere et vist antal reaktanter på én gang.
Så en batch-reaktor er muligvis ikke i stand til at håndtere den samme mængde art A pr. Dag som en kontinuerlig strømningsreaktor.
Men batch-reaktorer er stadig nyttige til små operationer, afprøvning af nye processer, der ikke er fuldt udviklet endnu, og fremstilling af dyre produkter.
Kort sagt har batch-reaktorer flere vigtige dele, såsom reaktorbeholderen, reaktionsmediet, headspace og omrøreren.
De har fordele som at være fleksible og kunne bruges til mere end én ting, men de har også problemer som backmixing.
For at designe og dimensionere en batch-reaktor til en bestemt reaktion, skal du tænke på ting som reaktionskinetik, varmeoverførsel, masseoverførsel, blanding og faseadfærd.
Beregninger i batchreaktorer
Molebalanceligning og seriereaktion
For en batch-reaktor med en seriereaktion skal vi bruge molbalance-ligningen til at finde ud af, hvor meget af et stof der er i reaktoren.
Molbalance-ligningen bruges til at finde ud af, hvor hurtigt mængden af hvert mol i reaktoren ændrer sig.
Molbalanceligningen for en batch-reaktor er:
dN_i/dt = r_i*V
hvor N_i er antallet af mol af art i, t er tid, r_i er reaktionshastigheden for art i, og V er reaktorens volumen.
Når vi vil vide, hvor meget af hver art der er i en batch-reaktor under en seriereaktion, kan vi bruge denne ligning.
Dimensionering af en batch-forsæbningsreaktor til den varme proces
Forsæbning er en kemisk proces, der omdanner fedt og lud til sæbe.
Til den varme proces med forsæbning anvendes en batch-reaktor.
For den varme proces vil størrelsen af batch-forsæbningsreaktoren afhænge af, hvor meget sæbe der skal laves, og hvilken slags sæbe der laves.
Ud over reaktorens størrelse kan arealet af reaktorens overflade også ændre, hvor hurtigt reaktionen sker.
Hvis du bruger en reaktor med bafler eller en med et højere billedformat, kan du gøre overfladearealet større.
Til den varme forsæbningsproces skal reaktorens temperatur holdes mellem 70°C og 85°C.
Hvor lang tid reaktionen tager afhænger af, hvor meget sæbe du vil lave.
Det kan tage alt fra flere timer til flere dage.
En batch-reaktor kan bruges til at studere kinetikken af forsæbning.
Ved hjælp af en batch-reaktor med magnetisk omrøring og en glaskappe kan eleverne finde ud af hastighedskonstanterne for en andenordens reaktion ved forskellige temperaturer.
Forsæbningsreaktionen kan også bruges til at finde ud af reaktionsomdannelsen i en rørformet reaktor med pakket leje.
Test og optimering i batchreaktorer
Udførelse af batch-reaktortest med faste stoffer
Når der udføres en batch-reaktortest med et fast stof, blandes de faste og flydende reaktanter normalt i en beholder med en omrører.
Blandingen efterlades derefter til at reagere i et vist tidsrum.
Derefter adskilles det faste stof normalt fra væsken ved filtrering eller centrifugering.
Derefter, for at finde ud af, hvor langt reaktionen gik, måles koncentrationen af arterne af interesse i væskefasen.
Når du planlægger en batch-reaktortest med et fast stof, bør du også tænke på størrelsen af det faste stofs partikler, den indledende koncentration af reaktanter og det ønskede omdannelsesniveau.
Modificeret Laboratorie Batch Reactor Test
Den biologiske nedbrydning af flygtige organiske forbindelser i aktiveret slam er blevet testet i en batch-reaktor i laboratoriet.
Testen er blevet ændret til at inkludere solid-phase microextraction (SPME) fibre til prøveudtagning i gasfasen.
Dette eliminerer behovet for et trækrør og gør det lettere at bruge med faste stoffer.
Sequencing Batch Reactor (SBR) Systemer
En sekventeringsbatchreaktor (SBR) er et aktiveret slamsystem, der behandler spildevand ved at blive fyldt og derefter drænet.
I dette system sættes spildevand i en enkelt batch-reaktor.
To eller flere batch-reaktorer bruges i en bestemt rækkefølge for at få den bedste ydeevne ud af systemet.
SBR-systemer er blevet brugt til at rense spildevand fra både byer og fabrikker.
Materialebalanceligning
Materialebalanceligningen kan bruges til at finde ud af, hvad der foregår i batch-reaktorer, når der sker kemiske reaktioner.
For eksempel ligningen d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV kan bruges til godt omrørte batch-reaktorer, fordi integralerne er enkle at evaluere på grund af god blanding i reaktoren.
Semi-batch reaktorer
Semi-batch-reaktorer har funktioner fra både batch-reaktorer og omrørte-tankreaktorer, der kører hele tiden (CSTR'er).
De kan tilføje foder, mens reaktionen foregår, som CSTR'er, men de er fyldt med reaktant i starten, ligesom batch-reaktorer.
Det meste af tiden bruges semi-batch-reaktorer, når en reaktion skal tilføje et reagens langsomt, eller når reaktionen er for varm til at kunne udføres i en batch-reaktor.
Batch-reaktoroversigt
Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det talte sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.
Brug cases
| Brugt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Syntese af kemikalier: | Under kemisk syntese bruges batch-reaktorer ofte til at fremstille en lang række produkter, såsom lægemidler, specialkemikalier og plast. I denne proces fyldes batchreaktoren med de rigtige mængder af reaktanter og katalysatorer, og beholderen lukkes derefter af, så der ikke kan tilføres flere materialer. Efter en vis tid er gået, tages produktet ud af reaktionen. |
| Polymerisation: | Polymerisering er processen med at kombinere monomerer for at fremstille polymerer. Batch-reaktorer bruges ofte i denne proces. Batchreaktoren bruges til at starte reaktionen og holde den under kontrol. Dette gør det muligt præcist at kontrollere størrelsen og formen af den polymer, der fremstilles. Det betyder, at der kan laves en lang række polymerprodukter med forskellige egenskaber. |
| Fermentering: | I gæringsprocessen, som bruges til fremstilling af biobrændstoffer, medicin og fødevarer, bruges batch-reaktorer ofte. I denne proces tilføres næringsstoffer og andre ting i reaktoren sammen med mikroorganismer. Herefter lukkes reaktoren, og mikroorganismerne får en vis tid til at fermentere ingredienserne. Efter dette tidspunkt tages produktet ud af reaktoren. |
| Håndtering af affald: | Batch-reaktorer kan også bruges til at behandle spildevand og andre typer affald. I denne metode sættes affaldet og kemikalier eller mikroorganismer, der nedbryder affaldet, i en reaktor. Reaktoren lukkes derefter, og reaktionen får lov at fortsætte i et vist tidsrum. Når reaktionen er færdig, tages det affald, der er blevet renset, ud af reaktoren. |
| Varmeoverførsel: | Batch-reaktorer kan bruges til at opvarme eller køle et produkt eller gøre andre ting, der involverer varmeoverførsel. I denne proces pumpes en varmeoverførselsvæske gennem reaktorens kappe for at flytte varme til eller fra produktet i reaktoren. Dette er en proces, der ofte bruges til at lave mad og drikkevarer. |
Konklusion
I sidste ende er batchreaktoren et vigtigt værktøj for kemiingeniører på mange forskellige områder.
Det lader dig kontrollere betingelserne for en reaktion meget præcist, hvilket er vigtigt for at lave ensartede produkter af høj kvalitet.
Men selvom batchreaktoren er et fantastisk stykke teknologi, er det ikke en kur.
Det kan ikke bruges til alle slags reaktioner, fordi det har nogle fejl.
Som ingeniører er det vores opgave at blive ved med at komme med nye ideer og afprøve nye teknologier, der kan hjælpe os med at omgå disse problemer og gøre det nemmere at lave komplekse kemiske produkter.
Vi kan skabe en bedre fremtid for os selv og planeten, hvis vi skubber grænserne for, hvad der er muligt.
Så lad os blive ved med at lede og prøve nye ting for at finde bedre, mere effektive og mere langsigtede løsninger.
Links og referencer
Muldvarpebalancer:
https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf
Reaktorer i procesteknik:
https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering
Del på…
