مقدمه ای بر راکتورهای دسته ای: اصول و کاربردها

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که واکنش های شیمیایی که باعث ایجاد چیزهایی مانند دارو و سوخت می شود چگونه اتفاق می افتد؟

می دانید که این واکنش ها به خودی خود اتفاق نمی افتد زیرا شما دانشجوی مهندسی یا مهندس هستید.

آنها به شرایط دقیق، مقادیر دقیق واکنش دهنده ها و کاتالیزورها و نوع مناسب راکتور نیاز دارند.

راکتور دسته ای به این امر کمک می کند.

راکتور دسته ای یک ابزار مهم برای هر مهندس شیمی است زیرا می تواند طیف گسترده ای از واکنش ها را انجام دهد و شرایط آن واکنش ها را می توان بسیار دقیق کنترل کرد.

در این مقاله، من به جزئیات در مورد راکتورهای دسته ای می پردازم، در مورد قطعات، مزایا و کاربردهای آنها صحبت می کنم.

چه یک مهندس باتجربه باشید و چه تازه شروع به کار کرده اید، این مقاله اطلاعاتی را که برای درک راکتورهای دسته ای و اهمیت آنها در دنیای مهندسی شیمی نیاز دارید، در اختیار شما قرار می دهد.

مقدمه ای بر راکتورهای دسته ای

تعریف رسمی:

یک راکتور شیمیایی که در آن واکنش دهنده ها و کاتالیزور در مقادیر مورد نظر وارد می شوند و ظرف برای تحویل مواد اضافی بسته می شود.

راکتورهای دسته ای ماشین های انعطاف پذیری هستند که می توانند برای عملیات های مختلف فرآیندی مورد استفاده قرار گیرند.

برخی از رایج ترین کارهایی که راکتورهای دسته ای انجام می دهند عبارتند از:

جامدات را می توان با کمک راکتورهای دسته ای در مایعات حل کرد.

مواد جامد و حلال را در راکتور قرار می دهند و مخلوط را تا زمانی که تمام مواد جامد حل شوند، هم می زنند.

• مخلوط کردن محصولات: از راکتورهای دسته ای برای مخلوط کردن محصولات مختلف با هم استفاده می شود تا مخلوط مورد نظر شما ساخته شود.

این می تواند در صنعت غذا و نوشیدنی مفید باشد، جایی که مواد مختلف برای تولید یک محصول خاص مخلوط می شوند.

• واکنش های شیمیایی: بیشتر واکنش های شیمیایی در راکتورهای دسته ای انجام می شود.

پس از افزودن واکنش‌دهنده‌ها به راکتور، مخلوط برای مدت زمان معینی برای واکنش رها می‌شود.

در پایان دسته، اقلام سپس خارج می شوند.

• تقطیر دسته‌ای: راکتورهای دسته‌ای را می‌توان برای تقطیر دسته‌ای نیز استفاده کرد، که راهی برای جدا کردن قسمت‌هایی از مخلوط بر اساس نقطه جوش آنها است.

مزایا و معایب راکتورهای دسته ای

راکتورهای دسته ای دارای چندین مزیت هستند، مانند:

راکتورهای دسته ای همه کاره هستند زیرا می توانند بیش از یک کار را در یک کشتی واحد بدون شکستن مهار انجام دهند.

راکتورهای دسته ای می توانند محصولات مختلفی را در یک راکتور تولید کنند زیرا می توانند برای بیش از یک چیز استفاده شوند.

• تبدیل بالا: معرف ها می توانند برای مدت طولانی در راکتور بمانند که منجر به تبدیل بالا می شود.
• سهولت ساخت و تغییر: ساخت و تغییر راکتورهای دسته ای بسیار آسان است.

اما راکتورهای دسته ای نیز مشکلاتی دارند، مانند:

• بک اختلاط زمانی اتفاق می افتد که مواد تا زمانی که واکنش به پایان نرسد خارج نشود.

این باعث کوتاه شدن عمر کاتالیزور و ضایعات زیادی می شود.

• مقادیر محدود: راکتورهای دسته ای بهترین راه برای تولید تعداد زیادی محصول به طور همزمان نیستند.
• تنوع محصولات: محصولات ساخته شده توسط راکتورهای دسته ای می توانند از یک دسته به دسته دیگر متفاوت باشند.
• مشکلات تولید در مقیاس بزرگ: راکتورهای دسته ای برای ساختن بسیاری از چیزها به طور همزمان خوب نیستند.
• پرهزینه برای راه اندازی: راکتورهای دسته ای باید اغلب روشن و خاموش شوند، که کارکرد آنها را گران می کند.

ویژگی های طراحی راکتورهای دسته ای

راکتورهای دسته ای با قطعات مشابه ساخته می شوند، مانند:

• درگاه هایی برای تزریق واکنش دهنده ها و حذف محصولات: راکتورهای دسته ای دارای پورت هایی برای تزریق واکنش دهنده ها و حذف محصولات هستند.
• مبدل حرارتی یا سیستم همزن: یک مبدل حرارتی یا یک سیستم همزن را می توان به یک راکتور دسته ای اضافه کرد.
• حجم ثابت: راکتورهای دسته ای معمولا حجم ثابتی دارند، اما برخی به گونه ای ساخته می شوند که می توان حجم را تغییر داد تا فشار ثابتی حفظ شود.

به طور خلاصه، راکتورهای دسته ای ظروف ساده ای هستند که در صنایع فرآیندی برای طیف وسیعی از وظایف استفاده می شوند.

آنها همه کاره هستند، می توانند برای بیش از یک مورد استفاده شوند، نرخ تبدیل بالایی دارند و به راحتی ساخته و تغییر می کنند.

اما آنها همچنین دارای مشکلاتی مانند مخلوط کردن مجدد، مقادیر محدود، محصولات مختلف، مشکل در ساخت تعداد زیادی از آنها، عمر کوتاه کاتالیزور و ضایعات هستند.

راکتورهای دسته ای اغلب برای کارهای کوچک مقیاس، آزمایش روش های جدید و ساخت کالاهای گران قیمت استفاده می شوند.

آنها همچنین اغلب در آزمایشگاه ها برای تولید در مقیاس کوچک و برای شروع فرآیند تخمیر برای نوشیدنی ها استفاده می شوند.

پذیرش غیرقابل پیش بینی بودن: هیجان و خطرات راکتورهای دسته ای

هنوز درک آن سخت است؟ اجازه دهید دیدگاه را کمی تغییر دهم:

شیمیدان ها، لطفا توجه کنید! آیا می خواهید شغل شما جالب تر باشد؟ آیا از اتفاقات مشابه بارها و بارها خسته شده اید؟ راکتور دسته ای تمام چیزی است که شما نیاز دارید.

راکتور دسته ای برای هرج و مرج، غیرقابل پیش بینی بودن و شاید حتی کمی هیجان عالی است زیرا می توانید واکنش دهنده ها و کاتالیزورها را به مقدار دلخواه خود اضافه کنید و سپس ظرف را ببندید تا مواد بیشتری وارد نشوند.

چه کسی به کنترل و ثبات اهمیت می دهد؟ این واقعیت را بپذیرید که پیش بینی رآکتور دسته ای سخت است و ببینید به کجا می برید.

خوب، این فقط یک شوخی بود که شبیه یک تبلیغ تلویزیونی بود.

حالا برگردیم به توضیح.

اجزای راکتورهای دسته ای

راکتورهای دسته ای مخازنی هستند که در صنایع فرآیندی برای انجام کارهایی مانند حل کردن جامدات، مخلوط کردن محصولات، انجام واکنش های شیمیایی و تقطیر به صورت دسته ای استفاده می شوند.

مخزن راکتور، محیط واکنش، فضای سر و یک همزن چهار قسمت اصلی هستند.

کشتی راکتور

بخش اصلی یک راکتور دسته ای مخزن رآکتور است که اغلب از فولاد، فولاد ضد زنگ، فولاد با روکش شیشه، شیشه یا آلیاژی عجیب و غریب ساخته شده است.

می تواند کوچکتر از 1 لیتر یا بزرگتر از 15000 لیتر باشد.

بیشتر اوقات، مایعات و جامدات از طریق سوراخ هایی در پوشش بالایی وارد راکتور می شوند.

بخارات و گازها از سوراخ های بالا و مایعات از سوراخ های پایین خارج می شوند.

محیط واکنش

چیزی که واکنش در آن انجام می شود، محیط واکنش نامیده می شود.

بسته به نوع واکنشی که انجام می شود، می تواند در فاز گاز، فاز مایع یا فاز مایع-جامد باشد.

فضای سر

Headspace فضای خالی بالای رسانه است.

فضایی را برای گاز یا بخاری که در طی واکنش ایجاد می شود، می دهد.

همزن

همزن برای مخلوط کردن قسمت های مختلف و افزودن یا حذف گرما از واکنش لازم است.

بسته به نوع واکنش، می توان آن را با پروانه های جریان محوری یا پروانه های جریان شعاعی برای ارائه انواع مختلف اختلاط ساخت.

مزایا و چالش های راکتورهای دسته ای

یکی از بهترین چیزها در مورد راکتورهای دسته ای انعطاف پذیری آنهاست.

یک کشتی واحد می تواند یک سری وظایف مختلف را بدون شکستن مهار انجام دهد.

این هنگام کار با مواد سمی مفید است زیرا خطر آسیب دیدن کارگران را کاهش می دهد.

اما راکتورهای دسته ای مشکلاتی مانند اختلاط مجدد دارند که می تواند کیفیت محصول را بد کند زیرا واکنش دهنده ها به طور یکنواخت در ظرف پخش نمی شوند.

طراحی و اندازه راکتورهای دسته ای

هنگام طراحی و اندازه یک راکتور ناپیوسته برای یک واکنش خاص، باید چندین چیز را در نظر گرفت.

اینها شامل سینتیک واکنش، انتقال حرارت، انتقال جرم، اختلاط و رفتار فاز می باشد.

طراحی باید اطمینان حاصل کند که راکتور می تواند واکنش را به طور ایمن و کارآمد انجام دهد، مشخصات محصول را برآورده کند و هزینه های تولید را تا حد امکان پایین نگه دارد.

در بیشتر مواقع، تعیین اندازه یک راکتور دسته ای به معنای تعیین حجم راکتور مورد نیاز برای تبدیل واکنش دهنده ها به روشی خاص و امکان اختلاط و انتقال حرارت کافی است.

برای به دست آوردن بهترین عملکرد از راکتور، فرآیند طراحی و اندازه ممکن است شامل آزمایش‌ها، شبیه‌سازی‌ها و مدل‌ها باشد.

در یک راکتور دسته ای، زمان لازم برای رسیدن به سطح مشخصی از تبدیل به سرعت انجام واکنش و میزان تبدیل شما بستگی دارد.

بنابراین، برای تعیین حجم مناسب راکتور دسته ای برای یک واکنش خاص، باید به مواردی مانند سرعت واکنش، غلظت اولیه واکنش دهنده ها، سطح تبدیل مورد نظر و مدت زمان راکتور فکر کنید. اجرا خواهد شد.

این اطلاعات می تواند برای تعیین اندازه مناسب برای یک راکتور دسته ای با محاسبه پارامترهایی مانند ثابت های سرعت واکنش و ضرایب استوکیومتری مورد استفاده قرار گیرد.

برخلاف CSTR ها و PFR ها که می توانند مقادیر زیادی از واکنش دهنده ها را به طور مداوم در طول زمان پردازش کنند، راکتورهای دسته ای فقط می توانند تعداد معینی از واکنش دهنده ها را به طور همزمان مدیریت کنند.

بنابراین، یک راکتور دسته ای ممکن است نتواند همان مقدار گونه A را در روز به اندازه یک راکتور جریان پیوسته اداره کند.

اما راکتورهای دسته ای هنوز برای عملیات در مقیاس کوچک، آزمایش فرآیندهای جدید که هنوز به طور کامل توسعه نیافته اند و تولید محصولات گران قیمت مفید هستند.

به طور خلاصه، راکتورهای دسته ای دارای چندین بخش مهم هستند، مانند مخزن راکتور، محیط واکنش، فضای اصلی و همزن.

آنها مزایایی مانند انعطاف پذیر بودن و قابلیت استفاده برای بیش از یک چیز دارند، اما مشکلاتی مانند بک میکس نیز دارند.

برای طراحی و اندازه یک راکتور دسته ای برای یک واکنش خاص، باید به مواردی مانند سینتیک واکنش، انتقال حرارت، انتقال جرم، اختلاط و رفتار فاز فکر کنید.

محاسبات در راکتورهای دسته ای

معادله موازنه و واکنش سری

برای یک راکتور دسته‌ای با واکنش سری، باید از معادله تعادل مول استفاده کنیم تا بفهمیم چه مقدار از یک ماده در راکتور وجود دارد.

معادله تعادل مول برای تعیین سرعت تغییر مقدار هر مول در راکتور استفاده می شود.

معادله تعادل مول برای یک راکتور دسته ای به صورت زیر است:

dN_i/dt = r_i*V

که در آن N_i تعداد مول های گونه i، t زمان، r_i سرعت واکنش گونه i، و V حجم راکتور است.

هر زمان که بخواهیم بدانیم چه مقدار از هر گونه در یک واکنش سری در یک راکتور دسته ای وجود دارد، می توانیم از این معادله استفاده کنیم.

اندازه‌گیری یک راکتور صابونی‌سازی دسته‌ای برای فرآیند داغ

صابون سازی یک فرآیند شیمیایی است که چربی ها و لیمو را به صابون تبدیل می کند.

برای فرآیند گرم صابونی سازی، از یک راکتور دسته ای استفاده می شود.

برای فرآیند گرم، اندازه راکتور صابونی سازی دسته ای به مقدار صابون مورد نیاز و نوع صابون در حال ساخت بستگی دارد.

علاوه بر اندازه راکتور، مساحت سطح راکتور نیز می تواند سرعت انجام واکنش را تغییر دهد.

اگر از راکتوری با بافل یا راکتوری با نسبت ابعاد بالاتر استفاده می کنید، می توانید سطح را بزرگتر کنید.

برای فرآیند صابونی سازی داغ، دمای راکتور باید بین 70 تا 85 درجه سانتی گراد نگه داشته شود.

مدت زمان واکنش بستگی به مقدار صابونی دارد که می خواهید بسازید.

ممکن است از چند ساعت تا چند روز طول بکشد.

برای مطالعه سینتیک صابونی شدن می توان از یک راکتور دسته ای استفاده کرد.

با استفاده از یک راکتور دسته ای با همزن مغناطیسی و یک روکش شیشه ای، دانش آموزان می توانند ثابت های سرعت یک واکنش مرتبه دوم را در دماهای مختلف دریابند.

واکنش صابونی‌سازی همچنین می‌تواند برای تعیین تبدیل واکنش در یک راکتور لوله‌ای با بستر پر شده استفاده شود.

تست و بهینه سازی در راکتورهای دسته ای

انجام آزمایشات راکتور دسته ای با مواد جامد

هنگام انجام آزمایش راکتور دسته ای با یک جامد، واکنش دهنده های جامد و مایع معمولاً در ظرفی با یک همزن مخلوط می شوند.

سپس مخلوط برای مدت زمان معینی باقی می ماند تا واکنش نشان دهد.

پس از آن معمولاً جامد با فیلتراسیون یا سانتریفیوژ از مایع جدا می شود.

سپس، برای فهمیدن اینکه واکنش تا کجا پیش رفته است، غلظت گونه های مورد نظر در فاز مایع اندازه گیری می شود.

هنگام برنامه ریزی یک آزمایش راکتور دسته ای با جامد، باید به اندازه ذرات جامد، غلظت اولیه واکنش دهنده ها و سطح تبدیل مورد نظر خود نیز فکر کنید.

آزمایش راکتور دسته ای آزمایشگاهی اصلاح شده

تجزیه زیستی ترکیبات آلی فرار در لجن فعال در یک راکتور دسته ای در آزمایشگاه آزمایش شده است.

این آزمایش به گونه ای تغییر یافته است که شامل الیاف ریز استخراج فاز جامد (SPME) برای نمونه برداری در فاز گاز می شود.

این امر نیاز به لوله کشی را از بین می برد و استفاده از آن را با مواد جامد آسان تر می کند.

سیستم‌های راکتور دسته‌ای توالی‌یابی (SBR).

راکتور ناپیوسته توالی (SBR) یک سیستم لجن فعال است که فاضلاب را با پر کردن و سپس تخلیه تصفیه می کند.

در این سیستم، فاضلاب در یک راکتور تک دسته ای قرار می گیرد.

دو یا چند راکتور دسته ای به ترتیبی استفاده می شوند تا بهترین عملکرد را از سیستم دریافت کنند.

سیستم های SBR برای تصفیه فاضلاب شهرها و کارخانه ها استفاده شده است.

معادله تعادل مواد

معادله تعادل مواد را می توان برای پی بردن به آنچه در راکتورهای دسته ای در زمان وقوع واکنش های شیمیایی می گذرد، مورد استفاده قرار داد.

به عنوان مثال، معادله d dt ∫V cj dV = Q0cj0 - Q1cj1 + ∫V. Rj dV را می توان برای راکتورهای دسته ای خوب هم زده استفاده کرد زیرا ارزیابی انتگرال ها به دلیل اختلاط خوب در راکتور ساده است.

راکتورهای نیمه دسته ای

راکتورهای نیمه دسته ای دارای ویژگی های هر دو راکتور دسته ای و راکتورهای مخزن همزده هستند که همیشه کار می کنند (CSTR).

آنها می توانند در حین انجام واکنش، مانند CSTR ها، خوراک اضافه کنند، اما مانند راکتورهای دسته ای، در ابتدا با واکنش دهنده پر می شوند.

بیشتر اوقات، راکتورهای نیمه دسته ای زمانی استفاده می شوند که یک واکنش نیاز به افزودن یک معرف به آرامی داشته باشد یا زمانی که واکنش خیلی داغ است که نمی توان در یک راکتور دسته ای انجام شود.

بررسی اجمالی راکتور دسته ای

نکته: در صورت نیاز دکمه زیرنویس را روشن کنید. اگر با زبان گفتاری آشنایی ندارید، در دکمه تنظیمات، «ترجمه خودکار» را انتخاب کنید. قبل از اینکه زبان مورد علاقه شما برای ترجمه در دسترس قرار گیرد، ممکن است لازم باشد ابتدا روی زبان ویدیو کلیک کنید.

موارد استفاده کنید

نتیجه

در پایان، راکتور دسته ای یک ابزار مهم برای مهندسان شیمی در بسیاری از زمینه های مختلف است.

این به شما امکان می دهد شرایط یک واکنش را با دقت بسیار کنترل کنید، که برای ساخت محصولات با کیفیت و سازگار مهم است.

اما حتی اگر راکتور دسته ای یک تکه فناوری عالی است، درمان همه چیز نیست.

نمی توان از آن برای هر نوع واکنشی استفاده کرد زیرا دارای ایراداتی است.

به عنوان مهندس، وظیفه ما این است که به ایده‌های جدید و آزمایش فناوری‌های جدید ادامه دهیم که می‌تواند به ما در دور زدن این مشکلات کمک کند و ساخت محصولات شیمیایی پیچیده را آسان‌تر کند.

اگر محدودیت های ممکن را پشت سر بگذاریم، می توانیم آینده بهتری برای خود و کره زمین بسازیم.

پس بیایید به جستجو و تلاش برای چیزهای جدید ادامه دهیم تا راه حل های بهتر، کارآمدتر و بلندمدت تری پیدا کنیم.

پیوندها و مراجع

تعادل خال:

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

راکتورها در مهندسی فرآیند:

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