Sissejuhatus Perioodilistesse Reaktoritesse: Põhitõed Ja Rakendused

Kas olete kunagi mõelnud, kuidas juhtuvad keemilised reaktsioonid, mis panevad selliseid asju nagu ravimid ja kütus?

Teate, et need reaktsioonid ei juhtu lihtsalt iseenesest, kuna olete inseneritudeng või insener.

Nad vajavad täpseid tingimusi, hoolikalt mõõdetud koguseid reaktiive ja katalüsaatoreid ning õiget tüüpi reaktorit.

Sellele aitab kaasa perioodiline reaktor.

Perioodiline reaktor on oluline tööriist igale keemiainsenerile, kuna see suudab toime tulla mitmesuguste reaktsioonidega ja nende reaktsioonide tingimusi saab väga täpselt kontrollida.

Selles artiklis käsitlen üksikasjalikult perioodilisi reaktoreid, räägin nende osadest, eelistest ja kasutusaladest.

Olenemata sellest, kas olete kogenud insener või alles alustamas, annab see artikkel teile teavet, mida vajate perioodiliste reaktorite mõistmiseks ja nende tähtsuse mõistmiseks keemiatehnoloogia maailmas.

Sissejuhatus perioodilistesse reaktoritesse

Ametlik määratlus:

Keemiline reaktor, millesse reagendid ja katalüsaator sisestatakse soovitud kogustes ning seejärel anum suletakse täiendava materjali kohaletoimetamiseks.

Partiireaktorid on paindlikud masinad, mida saab kasutada paljude erinevate protsessioperatsioonide jaoks.

Mõned kõige levinumad asjad, mida perioodilised reaktorid teevad, on:

Tahkeid aineid saab vedelikes lahustada perioodiliste reaktorite abil.

Tahked ained ja lahusti pannakse reaktorisse ning segu segatakse, kuni kõik tahked ained on lahustunud.

• Toodete segamine: Partiireaktoreid kasutatakse erinevate toodete segamiseks soovitud segu saamiseks.

See võib olla kasulik toidu- ja joogitööstuses, kus teatud toote valmistamiseks segatakse erinevaid koostisosi.

• Keemilised reaktsioonid: Enamik keemilisi reaktsioone tehakse perioodilistes reaktorites.

Pärast reagentide lisamist reaktorisse lastakse segul teatud aja jooksul reageerida.

Partii lõpus võetakse esemed välja.

• Partiidestilleerimine: partiireaktoreid saab kasutada ka partii destilleerimiseks, mis on viis segu osade eraldamiseks nende keemispunktide alusel.

Batch-reaktorite eelised ja puudused

Batch-reaktoritel on mitmeid eeliseid, näiteks:

Perioodilised reaktorid on mitmekülgsed, kuna nad suudavad ühes anumas teha rohkem kui ühte asja, ilma et see eralduks.

Batch-reaktorid võivad samas reaktoris valmistada erinevaid tooteid, kuna neid saab kasutada rohkem kui ühe asja jaoks.

• Kõrge konversioon: reaktiivid võivad reaktoris püsida pikka aega, mis põhjustab kõrgeid konversioone.
• Valmistamise ja muutmise lihtsus: perioodilisi reaktoreid on üsna lihtne valmistada ja muuta.

Kuid perioodilistel reaktoritel on ka mõned probleemid, näiteks:

• Tagasisegamine: tagasisegamine toimub siis, kui materjali ei võeta välja enne, kui reaktsioon on lõppenud.

See lühendab katalüsaatori eluiga ja tekitab palju jäätmeid.

• Piiratud kogused: perioodilised reaktorid ei ole parim viis suure koguse toote korraga valmistamiseks.
• Toodete varieeruvus: partiireaktorites valmistatud tooted võivad partiide kaupa erineda.
• Raskused suuremahulise tootmisega: perioodilised reaktorid ei sobi paljude asjade korraga valmistamiseks.
• Kulukas käitamine: perioodilisi reaktoreid tuleb sageli sisse ja välja lülitada, mistõttu on nende käitamine kulukas.

Batch-reaktorite disainifunktsioonid

Partiireaktorid on valmistatud mõnest sarnasest osast, näiteks:

• Reagentide süstimise ja toodete eemaldamise pordid: perioodilistel reaktoritel on pordid reagentide süstimiseks ja toodete eemaldamiseks.
• Soojusvaheti või segamissüsteem: perioodilisele reaktorile võib lisada soojusvaheti või segamissüsteemi.
• Konstantne maht: perioodilistel reaktoritel on tavaliselt konstantne maht, kuid mõned on valmistatud nii, et mahtu saab konstantse rõhu hoidmiseks muuta.

Lühidalt öeldes on perioodilised reaktorid lihtsad mahutid, mida kasutatakse töötlevas tööstuses mitmesuguste ülesannete täitmiseks.

Need on mitmekülgsed, neid saab kasutada rohkem kui ühe asja jaoks, neil on kõrge konversioonimäär ning neid on lihtne teha ja muuta.

Kuid neil on ka mõningaid probleeme, nagu tagasisegamine, piiratud kogused, erinevad tooted, raskused nende suure hulga valmistamisel, katalüsaatori lühike eluiga ja jäätmed.

Partiireaktoreid kasutatakse sageli väikesemahulisteks töödeks, uute meetodite katsetamiseks ja kallite kaupade valmistamiseks.

Neid kasutatakse sageli ka laborites väikesemahuliseks tootmiseks ja jookide kääritamisprotsessi alustamiseks.

Ettearvamatuse omaksvõtmine: perioodiliste reaktorite põnevus ja riskid

Ikka raske mõista? Lubage mul veidi vaatenurka muuta:

Keemikud, palun tähelepanu! Kas soovite, et teie töö oleks huvitavam? Kas olete väsinud samadest asjadest, mis korduvad ikka ja jälle? Perioodiline reaktor on kõik, mida vajate.

Perioodiline reaktor sobib suurepäraselt kaose, ettearvamatuse ja võib-olla isegi väikese põnevuse jaoks, sest saate lisada soovitud koguses reagente ja katalüsaatoreid ning seejärel sulgeda anum, et takistada rohkemate materjalide sisenemist.

Keda huvitab kontroll ja järjepidevus? Nõustuge tõsiasjaga, et perioodilist reaktorit on raske ennustada, ja vaadake, kuhu see teid viib.

Olgu, see oli lihtsalt telereklaami moodi nali.

Nüüd pöördume tagasi selgituse juurde.

Batch-reaktorite komponendid

Partiireaktorid on anumad, mida kasutatakse töötlevas tööstuses näiteks tahkete ainete lahustamiseks, toodete segamiseks, keemiliste reaktsioonide läbiviimiseks ja partiidena destilleerimiseks.

Reaktori anum, reaktsioonikeskkond, pearuum ja segaja on neli põhiosa.

Reaktori anum

Perioodilise reaktori põhiosa on reaktorianum, mis on sageli valmistatud terasest, roostevabast terasest, klaasvoodriga terasest, klaasist või eksootilisest sulamist.

See võib olla väiksem kui 1 liiter või suurem kui 15 000 liitrit.

Enamasti juhitakse vedelikud ja tahked ained reaktorisse ülemise kaane aukude kaudu.

Ülemises aukudest väljuvad aurud ja gaasid ning põhjas olevatest aukudest väljuvad vedelikud.

Reaktsioonikeskkond

Seda, milles reaktsioon toimub, nimetatakse reaktsioonikeskkonnaks.

Sõltuvalt teostatava reaktsiooni tüübist võib see olla gaasifaasis, vedelas faasis või vedel-tahkes faasis.

Pearuum

Headspace on tühi ruum kandja kohal.

See annab ruumi reaktsiooni käigus tekkivale gaasile või aurule.

Agitaator

Segistit on vaja erinevate osade segamiseks ja reaktsiooni kuumuse lisamiseks või eemaldamiseks.

Olenevalt reaktsiooni tüübist võib selle valmistada aksiaalvoolu tiivikutega või radiaalvoolu tiivikutega, et tagada erinevat tüüpi segamine.

Batch-reaktorite eelised ja väljakutsed

Üks parimaid asju partiireaktorite juures on nende paindlikkus.

Üks laev saab teha mitmeid erinevaid ülesandeid ilma isolatsiooni purustamata.

See on kasulik mürgiste materjalidega töötamisel, kuna see vähendab töötajate vigastuste ohtu.

Kuid perioodilistel reaktoritel on mõned probleemid, näiteks tagasisegamine, mis võib toote kvaliteedi halvendada, kuna reagendid ei ole anumas ühtlaselt jaotunud.

Batch-reaktorite projekteerimine ja suuruse määramine

Teatud reaktsiooni jaoks perioodilise reaktori projekteerimisel ja suuruse määramisel tuleb arvesse võtta mitmeid asju.

Nende hulka kuuluvad reaktsiooni kineetika, soojusülekanne, massiülekanne, segamine ja faasikäitumine.

Projekt peab tagama, et reaktor suudab reaktsiooni ohutult ja tõhusalt läbi viia, vastama toote spetsifikatsioonidele ja hoida tootmiskulud võimalikult madalad.

Enamasti tähendab perioodilise reaktori suuruse väljaselgitamine reaktori mahu väljaselgitamist, mis on vajalik reagentide teatud viisil muundamiseks ning piisava segamise ja soojusülekande võimaldamiseks.

Reaktori parima jõudluse saavutamiseks võib projekteerimis- ja suuruse määramise protsess hõlmata katseid, simulatsioone ja mudeleid.

Batch-reaktoris sõltub teatud konversioonitaseme saavutamiseks kuluv aeg sellest, kui kiiresti reaktsioon kulgeb ja kui palju konversiooni soovite.

Niisiis, selleks, et välja selgitada õige partii reaktori maht teatud reaktsiooni jaoks, peaksite mõtlema sellistele asjadele nagu reaktsiooni kiirus, reagentide algkontsentratsioonid, soovitud konversiooni tase ja reaktori tööaeg. Hakkab jooksma.

Seda teavet saab kasutada perioodilise reaktori õige suuruse väljaselgitamiseks, arvutades sellised parameetrid nagu reaktsioonikiiruse konstandid ja stöhhiomeetrilised koefitsiendid.

Erinevalt CSTR-idest ja PFR-idest, mis suudavad aja jooksul pidevalt töödelda suuri koguseid reagente, suudavad perioodilised reaktorid korraga käsitleda ainult teatud arvu reagente.

Seega ei pruugi perioodiline reaktor olla võimeline käsitlema sama kogust liiki A päevas kui pidevvoolureaktor.

Kuid partiireaktorid on endiselt kasulikud väikesemahuliste operatsioonide jaoks, uute protsesside katsetamiseks, mis pole veel täielikult välja töötatud, ja kallite toodete valmistamisel.

Lühidalt öeldes on perioodilistel reaktoritel mitu olulist osa, nagu reaktorianum, reaktsioonikeskkond, pearuum ja segaja.

Neil on eeliseid, nagu paindlikkus ja võimalus kasutada rohkem kui ühe asja jaoks, kuid neil on ka probleeme, nagu tagasisegamine.

Teatud reaktsiooni jaoks partiireaktori kavandamiseks ja suuruseks peate mõtlema sellistele asjadele nagu reaktsiooni kineetika, soojusülekanne, massiülekanne, segamine ja faasikäitumine.

Arvutused perioodilistes reaktorites

Moolide tasakaalu võrrand ja seeria reaktsioon

Jadareaktsiooniga perioodilise reaktori puhul peame kasutama moolitasakaalu võrrandit, et välja selgitada, kui palju ainet reaktoris on.

Moolide tasakaalu võrrandit kasutatakse selleks, et välja selgitada, kui kiiresti iga mooli kogus reaktoris muutub.

Perioodilise reaktori moolitasakaalu võrrand on järgmine:

dN_i/dt = r_i*V

kus N_i on liigi i moolide arv, t on aeg, r_i on liigi i reaktsioonikiirus ja V on reaktori maht.

Kui tahame teada, kui palju igast liigist on seeriareaktsiooni ajal partiireaktoris, saame kasutada seda võrrandit.

Partii seebistamisreaktori suuruse määramine kuuma protsessi jaoks

Seebistamine on keemiline protsess, mis muudab rasvad ja leelise seebiks.

Kuuma seebistamise protsessi jaoks kasutatakse perioodilist reaktorit.

Kuuma protsessi jaoks sõltub seebistamisreaktori suurus sellest, kui palju seepi tuleb valmistada ja millist seepi valmistatakse.

Lisaks reaktori suurusele võib reaktsiooni toimumise kiirust muuta ka reaktori pinna pindala.

Kui kasutate deflektoritega reaktorit või suurema kuvasuhtega reaktorit, saate pindala suurendada.

Kuuma seebistusprotsessi jaoks tuleb reaktori temperatuur hoida vahemikus 70 °C kuni 85 °C.

Reaktsiooni kestus sõltub sellest, kui palju seepi soovite valmistada.

See võib kesta mitu tundi kuni mitu päeva.

Seebistamise kineetika uurimiseks saab kasutada perioodilist reaktorit.

Magnetseguriga perioodilise reaktori ja klaaskesta abil saavad õpilased välja selgitada teist järku reaktsiooni kiiruskonstandid erinevatel temperatuuridel.

Seebistamisreaktsiooni saab kasutada ka reaktsiooni konversiooni väljaselgitamiseks pakitud kihiga torukujulises reaktoris.

Katsetamine ja optimeerimine perioodilistes reaktorites

Tahkete ainetega perioodiliste reaktorite katsete tegemine

Tahke ainega perioodilise reaktori katse tegemisel segatakse tahked ja vedelad reagendid tavaliselt segistiga anumas.

Seejärel jäetakse segu teatud ajaks reageerima.

Pärast seda eraldatakse tahke aine vedelikust tavaliselt filtreerimise või tsentrifuugimise teel.

Seejärel, et teada saada, kui kaugele reaktsioon kulges, mõõdetakse huvipakkuvate liikide kontsentratsiooni vedelas faasis.

Tahke ainega perioodilise reaktori katse kavandamisel peaksite mõtlema ka tahke aine osakeste suurusele, reagentide algkontsentratsioonile ja soovitud konversioonitasemele.

Modifitseeritud laboratoorse perioodi reaktori test

Lenduvate orgaaniliste ühendite biolagunemist aktiivmudas on testitud laboris perioodilises reaktoris.

Katse on muudetud nii, et see hõlmaks tahkefaasilise mikroekstraktsiooni (SPME) kiude gaasifaasis proovide võtmiseks.

See välistab vajaduse tõmbetoru järele ja muudab selle kasutamise tahkete ainete puhul lihtsamaks.

Sequencing Batch Reactor (SBR) süsteemid

Sequencing Batch Reactor (SBR) on aktiivmudasüsteem, mis puhastab reovett täitmise ja seejärel tühjendamise teel.

Selles süsteemis juhitakse reovesi ühte perioodi reaktorisse.

Süsteemi parima jõudluse saavutamiseks kasutatakse kaht või enamat perioodilist reaktorit kindlas järjekorras.

SBR-süsteeme on kasutatud nii linnade kui ka tehaste reovee puhastamiseks.

Materjali tasakaalu võrrand

Materjalibilansi võrrandit saab kasutada selleks, et välja selgitada, mis toimub perioodilistes reaktorites, kui toimuvad keemilised reaktsioonid.

Näiteks võrrand d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV-d saab kasutada hästi segatud perioodilistes reaktorites, kuna integraale on lihtne hinnata tänu heale segamisele reaktoris.

Poolperioodi reaktorid

Poolperioodi reaktoritel on nii perioodiliste reaktorite kui ka segatud paakreaktorite omadused, mis töötavad kogu aeg (CSTR-id).

Need võivad reaktsiooni toimumise ajal lisada sööta, näiteks CSTR-id, kuid need on alguses täidetud reagendiga, nagu perioodilised reaktorid.

Enamasti kasutatakse poolpartiireaktoreid, kui reaktsioonile tuleb aeglaselt lisada üks reaktiiv või kui reaktsioon on perioodilises reaktoris läbiviimiseks liiga kuum.

Partiireaktori ülevaade

Nõuanne. Lülitage subtiitrite nupp sisse, kui seda vajate. Valige seadete nupust "automaattõlge", kui te ei ole kõnekeelega tuttav. Võimalik, et peate esmalt klõpsama video keelel, enne kui teie lemmikkeel muutub tõlkimiseks kättesaadavaks.

Kasutusjuhtumid

Järeldus

Lõppkokkuvõttes on perioodiline reaktor oluline tööriist keemiainseneridele paljudes erinevates valdkondades.

See võimaldab teil reaktsioonitingimusi väga täpselt juhtida, mis on oluline ühtlaste ja kvaliteetsete toodete valmistamiseks.

Kuid kuigi perioodiline reaktor on suurepärane tehnoloogia, ei ole see kõikehõlmav.

Seda ei saa kasutada igasuguste reaktsioonide jaoks, kuna sellel on mõned vead.

Inseneridena on meie ülesanne pidevalt välja pakkuda uusi ideid ja katsetada uusi tehnoloogiaid, mis aitavad meil nendest probleemidest üle saada ja lihtsustada keerukate keemiatoodete valmistamist.

Saame luua endale ja planeedile parema tuleviku, kui nihutame võimaliku piire.

Nii et jätkakem uute asjade otsimist ja proovimist, et leida paremaid, tõhusamaid ja pikaajalisemaid lahendusi.

Lingid ja viited

Moolijäägid:

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

Protsessitehnika reaktorid:

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