מבוא לכורים אצווה: יסודות ויישומים

האם אי פעם חשבת על איך קורות התגובות הכימיות שגורמות לדברים כמו תרופות ודלק?

אתה יודע שהתגובות האלה לא קורות מעצמן רק בגלל שאתה סטודנט להנדסה או מהנדס.

הם צריכים תנאים מדויקים, כמויות נמדדות בקפידה של מגיבים וזרזים, ולסוג הנכון של כור.

הכור האצווה עוזר בזה.

הכור האצווה הוא כלי חשוב לכל מהנדס כימי מכיוון שהוא יכול להתמודד עם מגוון רחב של תגובות וניתן לשלוט בתנאים של תגובות אלו בצורה מדויקת מאוד.

במאמר זה, אפרט על כורים אצווה, ואדבר על החלקים, היתרונות והשימושים שלהם.

בין אם אתה מהנדס מנוסה או רק בתחילת הדרך, מאמר זה ייתן לך את המידע הדרוש לך כדי להבין את כורי אצווה ועד כמה הם חשובים בעולם ההנדסה הכימית.

מבוא לכורים אצווה

הגדרה פורמלית:

כור כימי בו מכניסים את המגיבים והזרז בכמויות הרצויות והכלי נסגר לאחר מכן לאספקת חומר נוסף.

כורי אצווה הם מכונות גמישות שיכולות לשמש לפעולות תהליכיות רבות ושונות.

כמה מהדברים הנפוצים ביותר שכורים אצווה עושים הם:

ניתן להמיס מוצקים בנוזלים בעזרת כורים אצווה.

המוצקים והממס מוכנסים לכור, ומערבבים את התערובת עד שכל המוצקים נמסים.

• ערבוב מוצרים: כורי אצווה משמשים כדי לערבב יחד מוצרים שונים כדי ליצור את התערובת הרצויה.

זה יכול להיות שימושי בתעשיית המזון והמשקאות, שם מערבבים מרכיבים שונים לייצור מוצר מסוים.

• תגובות כימיות: רוב התגובות הכימיות נעשות בכורים אצווה.

לאחר הוספת המגיבים לכור, התערובת נשארת להגיב למשך זמן מוגדר.

בסוף האצווה, הפריטים נשלפים.

• זיקוק אצווה: ניתן להשתמש בכורים אצווה גם לזיקוק אצווה, שהיא דרך להפריד חלקים של תערובת על סמך נקודות הרתיחה שלהם.

יתרונות וחסרונות של כורי אצווה

לכורים אצווה יש מספר יתרונות, כגון:

כורי אצווה הם מגוונים מכיוון שהם יכולים לעשות יותר מדבר אחד בכלי בודד מבלי לשבור את הבלימה.

כורים אצווה יכולים לייצר מוצרים שונים באותו כור מכיוון שהם יכולים לשמש ליותר מדבר אחד.

• המרות גבוהות: ריאגנטים יכולים להישאר בכור במשך זמן רב, מה שמוביל להמרות גבוהות.
• קלות יצירה ושינוי: כורי אצווה די קלים להכנה ולשינוי.

אבל לכורים אצווה יש גם כמה בעיות, כגון:

• ערבוב חוזר: ערבוב חוזר מתרחש כאשר חומר לא נלקח עד שהתגובה נגמרת.

זה מקצר את חיי הזרז ועושה הרבה פסולת.

• כמויות מוגבלות: כורי אצווה הם לא הדרך הטובה ביותר לייצר הרבה מוצר בבת אחת.
• שונות של מוצרים: המוצרים המיוצרים על ידי כורי אצווה יכולים להיות שונים מאצווה אחת לאחרת.
• קשיים עם ייצור בקנה מידה גדול: כורי אצווה אינם טובים לייצור הרבה דברים בבת אחת.
• יקר להפעלה: יש להפעיל ולכבות כורים אצווה לעתים קרובות, מה שהופך אותם ליקרים להפעלה.

תכונות עיצוב של כורי אצווה

כורי אצווה מיוצרים עם כמה חלקים דומים, כגון:

• יציאות להזרקת מגיבים והסרת מוצרים: לכורים אצווה יש יציאות להזרקת מגיבים והסרת מוצרים.
• מחליף חום או מערכת ערבוב: ניתן להוסיף מחליף חום או מערכת ערבוב לכור אצווה.
• נפח קבוע: לכורים אצווה יש בדרך כלל נפח קבוע, אך חלקם עשויים כך שניתן לשנות את הנפח כדי לשמור על לחץ קבוע.

בקיצור, כורים אצווה הם מיכלים פשוטים המשמשים בתעשיות התהליכיות למגוון רחב של משימות.

הם צדדיים, יכולים לשמש ליותר מדבר אחד, יש להם שיעורי המרה גבוהים וקלים להכנה ולשינוי.

אבל יש להם גם כמה בעיות, כמו ערבוב חוזר, כמויות מוגבלות, מוצרים שונים, קושי לייצר הרבה מהם, חיים קצרים לזרז ובזבוז.

כורים אצווה משמשים לעתים קרובות לעבודות בקנה מידה קטן, בדיקת שיטות חדשות וייצור מוצרים יקרים.

הם משמשים לעתים קרובות גם במעבדות לייצור בקנה מידה קטן ולהתחלת תהליך התסיסה של משקאות.

אימוץ הבלתי צפוי: ההתרגשות והסיכונים של כורי אצווה

עדיין קשה להבין? תן לי לשנות קצת את נקודת המבט:

כימאים, אנא שימו לב! רוצה שהעבודה שלך תהיה יותר מעניינת? נמאס לכם שאותם דברים קורים שוב ושוב? הכור האצווה הוא כל מה שאתה צריך.

הכור האצווה מושלם לכאוס, חוסר חיזוי ואולי אפילו קצת התרגשות מכיוון שאתה יכול להוסיף מגיבים וזרזים בכמויות שאתה רוצה ואז לסגור את הכלי כדי למנוע מעוד חומרים להיכנס פנימה.

למי אכפת משליטה ועקביות? קבל את העובדה שקשה לחזות את הכור האצווה וראה לאן הוא לוקח אותך.

אוקיי, זו הייתה רק בדיחה שנעשתה כדי להיראות כמו פרסומת בטלוויזיה.

כעת נחזור להסבר.

רכיבים של כורי אצווה

כורי אצווה הם כלים המשמשים בתעשיות התהליך לעשות דברים כמו המסת מוצקים, ערבוב מוצרים, ביצוע תגובות כימיות וזיקוק בקבוצות.

כלי הכור, מדיום התגובה, חלל הראש וערבול הם ארבעת החלקים העיקריים.

כור

החלק העיקרי של כור אצווה הוא כלי הכור, אשר עשוי לרוב מפלדה, נירוסטה, פלדה מצופה זכוכית, זכוכית או סגסוגת אקזוטית.

זה יכול להיות קטן מ-1 ליטר או גדול מ-15,000 ליטר.

רוב הזמן, נוזלים ומוצקים מוכנסים לכור דרך חורים במכסה העליון.

אדים וגזים יוצאים מחורים בחלק העליון, ונוזלים יוצאים מחורים בתחתית.

תגובה בינונית

הדבר שבו מתרחשת התגובה נקרא מדיום התגובה.

בהתאם לסוג התגובה המתבצעת, היא יכולה להיות בשלב גז, שלב נוזלי או שלב נוזלי-מוצק.

מרווח ראש

Headspace הוא החלל הריק מעל המדיום.

זה נותן מקום לגז או לאדים שנוצרים במהלך התגובה.

מֵסִית

יש צורך במערבל כדי לערבב את החלקים השונים ולהוסיף או להסיר חום מהתגובה.

בהתאם לסוג התגובה, זה יכול להתבצע עם אימפלרים זרימה צירית או אימפלרים זרימה רדיאלית כדי לספק סוגים שונים של ערבוב.

יתרונות ואתגרים של כורי אצווה

אחד הדברים הטובים ביותר בכורים אצווה הוא עד כמה הם גמישים.

כלי שיט בודד יכול לבצע סדרה של משימות שונות מבלי לשבור את הבלימה.

זה מועיל כשעובדים עם חומרים רעילים מכיוון שהוא מוריד את הסיכון של עובדים להיפגע.

אבל לכורים אצווה יש כמה בעיות, כמו ערבוב חוזר, שעלולות להפוך את איכות המוצר לרעה מכיוון שהמגיבים אינם מפוזרים באופן שווה בכלי.

תכנון וגודל של כורי אצווה

יש לקחת בחשבון מספר דברים בעת תכנון וגודל של כור אצווה לתגובה מסוימת.

אלה כוללים את הקינטיקה של התגובה, העברת חום, העברת מסה, ערבוב והתנהגות פאזה.

התכנון חייב לוודא שהכור יכול לבצע את התגובה בצורה בטוחה ויעילה, לעמוד במפרטי המוצר ולשמור על עלויות ייצור נמוכות ככל האפשר.

לרוב, להבין את גודלו של כור אצווה פירושו להבין את נפח הכור הדרוש להמרת המגיבים בצורה מסוימת ולאפשר מספיק ערבוב והעברת חום.

כדי להפיק את הביצועים הטובים ביותר מהכור, תהליך התכנון ושינוי הגודל עשויים לכלול ניסויים, סימולציות ומודלים.

בכור אצווה, הזמן שלוקח להגיע לרמה מסוימת של המרה תלוי כמה מהר התגובה עוברת וכמה המרה אתה רוצה.

לכן, כדי להבין את נפח הכור המתאים לתגובה מסוימת, תצטרך לחשוב על דברים כמו מהירות התגובה, הריכוזים ההתחלתיים של המגיבים, רמת ההמרה הרצויה, ומשך הזמן שבו הכור יפעל.

מידע זה יכול לשמש כדי להבין את הגודל הנכון עבור כור אצווה על ידי חישוב פרמטרים כמו קבועי קצב תגובה ומקדמים סטוכיומטריים.

בניגוד ל-CSTRs ו-PFRs, שיכולים לעבד כמויות גדולות של מגיבים ברציפות לאורך זמן, כורים אצווה יכולים להתמודד רק עם מספר מסוים של מגיבים בבת אחת.

לכן, ייתכן שכור אצווה לא יוכל להתמודד עם אותה כמות של מינים A ליום כמו כור זרימה רציפה.

אבל כורים אצווה עדיין שימושיים עבור פעולות בקנה מידה קטן, בדיקת תהליכים חדשים שעדיין לא פותחו במלואם, וייצור מוצרים יקרים.

בקצרה, לכורים אצווה יש כמה חלקים חשובים, כגון כלי הכור, מדיום התגובה, הרווח הראשי והמערבל.

יש להם יתרונות כמו גמישות ויכולת לשמש ליותר מדבר אחד, אבל יש להם גם בעיות כמו מיקסינג אחורי.

כדי לתכנן ולהתאים כור אצווה לתגובה מסוימת, אתה צריך לחשוב על דברים כמו קינטיקה של תגובה, העברת חום, העברת מסה, ערבוב והתנהגות פאזה.

חישובים בכורים אצווה

משוואת איזון שומה ותגובת סדרה

עבור כור אצווה עם תגובה סדרתית, עלינו להשתמש במשוואת איזון השומה כדי להבין כמה חומר נמצא בכור.

משוואת איזון השומה משמשת כדי להבין באיזו מהירות הכמות של כל שומה בכור משתנה.

משוואת איזון השומה עבור כור אצווה היא:

dN_i/dt = r_i*V

כאשר N_i הוא מספר המול של מינים i, t הוא זמן, r_i הוא קצב התגובה של מינים i, ו-V הוא נפח הכור.

בכל פעם שאנו רוצים לדעת כמה מכל מין נמצא בכור אצווה במהלך תגובה סדרתית, אנו יכולים להשתמש במשוואה זו.

גודל כור כיבוד אצווה עבור התהליך החם

הסבון הוא תהליך כימי ההופך שומנים ושופרת לסבון.

לתהליך החם של סיבון, נעשה שימוש בכור אצווה.

עבור התהליך החם, גודל כור הסבון האצווה יהיה תלוי בכמות הסבון שצריך להכין ואיזה סוג סבון מיוצר.

בנוסף לגודל הכור, שטח פני הכור יכול גם לשנות את מהירות התגובה.

אם אתה משתמש בכור עם משטחים או בכור עם יחס גובה-רוחב גבוה יותר, אתה יכול להגדיל את שטח הפנים.

עבור תהליך השיבון החם, יש לשמור על טמפרטורת הכור בין 70°C ל-85°C.

כמה זמן אורך התגובה תלוי בכמות הסבון שאתה רוצה להכין.

זה יכול לקחת בין מספר שעות למספר ימים.

ניתן להשתמש בכור אצווה כדי לחקור את הקינטיקה של הספינינג.

באמצעות כור אצווה עם ערבוב מגנטי ומעיל זכוכית, התלמידים יכולים להבין את קבועי הקצב של תגובה מסדר שני בטמפרטורות שונות.

ניתן להשתמש בתגובת הסיבון גם כדי להבין את המרת התגובה בכור צינורי ארוז.

בדיקה ואופטימיזציה בכורים אצווה

ביצוע בדיקות כורים אצווה עם מוצקים

כאשר עושים בדיקת כור אצווה עם מוצק, המגיבים המוצקים והנוזליים מעורבים בדרך כלל בכלי עם מיקסר.

לאחר מכן משאירים את התערובת להגיב למשך זמן מסוים.

לאחר מכן, המוצק מופרד בדרך כלל מהנוזל על ידי סינון או צנטריפוגה.

לאחר מכן, כדי לגלות עד כמה התגובה הגיעה, נמדד ריכוז המינים המעניינים בשלב הנוזל.

כאשר מתכננים בדיקת כור אצווה עם מוצק, כדאי לחשוב גם על גודל חלקיקי המוצק, הריכוז הראשוני של המגיבים ורמת ההמרה הרצויה.

בדיקת כור אצווה במעבדה שונה

הפירוק הביולוגי של תרכובות אורגניות נדיפות בבוצה פעילה נבדק בכור אצווה במעבדה.

הבדיקה שונתה כך שתכלול סיבי מיקרו-מיצוי מוצק (SPME) לדגימה בשלב הגז.

זה מבטל את הצורך בצינור טיוטה ומקל על השימוש עם מוצקים.

מערכות רצף כורי אצווה (SBR).

כור אצווה רצף (SBR) הוא מערכת בוצה פעילה המטפלת בשפכים על ידי מילוי ולאחר מכן ניקוז.

במערכת זו, מי שפכים מוכנסים לכור אצווה בודד.

שני כורי אצווה או יותר משמשים בסדר מוגדר כדי להפיק את הביצועים הטובים ביותר מהמערכת.

מערכות SBR שימשו לטיפול בשפכים הן מערים ומפעלים.

משוואת איזון חומרים

ניתן להשתמש במשוואת איזון החומרים כדי להבין מה קורה בכורים אצווה כאשר מתרחשות תגובות כימיות.

לדוגמה, המשוואה d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. ניתן להשתמש ב-Rj dV עבור כורי אצווה מעורבים היטב מכיוון שהאינטגרלים פשוטים להערכת עקב ערבוב טוב בתוך הכור.

כורים למחצה אצווה

לכורים למחצה אצווה יש תכונות של כורים אצווה וגם של כורים עם מיכל מעורב הפועלים כל הזמן (CSTRs).

הם יכולים להוסיף הזנה בזמן שהתגובה מתרחשת, כמו CSTRs, אבל הם מלאים במגיבים בהתחלה, כמו כורים אצווה.

רוב הזמן, משתמשים בכורים למחצה אצווה כאשר תגובה צריכה להוסיף ריאגנט אחד לאט או כאשר התגובה חמה מכדי להיעשות בכור אצווה.

סקירה כללית של כור אצווה

טיפ: הפעל את לחצן הכיתוב אם אתה צריך את זה. בחר "תרגום אוטומטי" בכפתור ההגדרות, אם אינך בקי בשפה המדוברת. ייתכן שתצטרך ללחוץ תחילה על שפת הסרטון לפני שהשפה המועדפת עליך תהיה זמינה לתרגום.

מקרי שימוש

סיכום

בסופו של דבר, הכור האצווה הוא כלי חשוב למהנדסים כימיים בתחומים רבים ושונים.

זה מאפשר לך לשלוט בתנאים של תגובה בצורה מדויקת מאוד, וזה חשוב לייצור מוצרים עקביים ואיכותיים.

אבל למרות שהכור האצווה הוא פיסת טכנולוגיה מצוינת, זה לא מרפא.

לא ניתן להשתמש בו לכל סוג של תגובה כי יש לו כמה פגמים.

כמהנדסים, תפקידנו להמשיך להעלות רעיונות חדשים ולנסות טכנולוגיות חדשות שיכולות לעזור לנו לעקוף את הבעיות הללו ולהקל על ייצור מוצרים כימיים מורכבים.

נוכל ליצור עתיד טוב יותר לעצמנו ולכדור הארץ אם נדחוף את הגבולות של מה שאפשר.

אז בואו נמשיך לחפש ולנסות דברים חדשים כדי למצוא פתרונות טובים יותר, יעילים יותר וארוכי טווח יותר.

קישורים והפניות

מאזני שומות:

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

כורים בהנדסת תהליכים:

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