Uvod U Šaržne Reaktore: Osnove I Primjena

Jeste li ikada razmišljali o tome kako se događaju kemijske reakcije koje čine stvari poput lijekova i goriva?

Znate da se te reakcije ne događaju same od sebe jer ste student strojarstva ili inženjer.

Potrebni su točni uvjeti, pažljivo odmjerene količine reaktanata i katalizatora i prava vrsta reaktora.

Šaržni reaktor pomaže u tome.

Šaržni reaktor važan je alat za svakog kemijskog inženjera jer može upravljati širokim rasponom reakcija, a uvjeti tih reakcija mogu se vrlo precizno kontrolirati.

U ovom ću članku ići u detalje o šaržnim reaktorima, govoreći o njihovim dijelovima, prednostima i upotrebi.

Bez obzira jeste li iskusni inženjer ili tek počinjete, ovaj će vam članak dati informacije koje su vam potrebne da biste razumjeli šaržne reaktore i njihovu važnost u svijetu kemijskog inženjerstva.

Uvod u šaržne reaktore

Formalna definicija:

Kemijski reaktor u koji se reaktanti i katalizator uvode u željenim količinama, a posuda se zatim zatvara za isporuku dodatnog materijala.

Šaržni reaktori su fleksibilni strojevi koji se mogu koristiti za mnoge različite procesne operacije.

Neke od najčešćih stvari koje rade šaržni reaktori su:

Krutine se mogu otopiti u tekućinama uz pomoć šaržnih reaktora.

Krutine i otapalo se stave u reaktor, a smjesa se miješa dok se sve krutine ne otope.

• Miješanje proizvoda: Šaržni reaktori koriste se za miješanje različitih proizvoda kako bi se napravila željena smjesa.

To može biti korisno u industriji hrane i pića, gdje se različiti sastojci miješaju kako bi se napravio određeni proizvod.

• Kemijske reakcije: Većina kemijskih reakcija odvija se u šaržnim reaktorima.

Nakon dodavanja reaktanata u reaktor, smjesa se ostavi da reagira određeno vrijeme.

Na kraju serije, artikli se vade.

• Šaržna destilacija: Šaržni reaktori se također mogu koristiti za šaržnu destilaciju, što je način odvajanja dijelova smjese na temelju njihovih vrelišta.

Prednosti i nedostaci šaržnih reaktora

Šaržni reaktori imaju niz prednosti, kao što su:

Šaržni reaktori su svestrani jer mogu raditi više od jedne stvari u jednoj posudi bez probijanja zatvorenog prostora.

Šaržni reaktori mogu proizvoditi različite proizvode u istom reaktoru jer se mogu koristiti za više od jedne stvari.

• Visoke konverzije: Reagensi mogu dugo ostati u reaktoru, što dovodi do visokih konverzija.
• Lakoća izrade i mijenjanja: šaržne reaktore prilično je lako napraviti i promijeniti.

Ali šaržni reaktori također imaju neke probleme, kao što su:

• Povratno miješanje: Povratno miješanje događa se kada se materijal ne izvadi dok reakcija ne završi.

To skraćuje vijek trajanja katalizatora i stvara mnogo otpada.

• Ograničene količine: šaržni reaktori nisu najbolji način da se napravi puno proizvoda odjednom.
• Varijabilnost proizvoda: Proizvodi proizvedeni šaržnim reaktorima mogu se razlikovati od jedne serije do druge.
• Poteškoće s proizvodnjom velikih razmjera: Šaržni reaktori nisu dobri za izradu puno stvari odjednom.
• Skupi za rad: Šaržni reaktori moraju se često paliti i gasiti, što ih čini skupim za rad.

Konstruktivne značajke šaržnih reaktora

Šaržni reaktori izrađuju se s nekim sličnim dijelovima, kao što su:

• Otvori za ubrizgavanje reaktanata i uklanjanje proizvoda: Šaržni reaktori imaju otvore za ubrizgavanje reaktanata i uklanjanje proizvoda.
• Izmjenjivač topline ili sustav miješanja: izmjenjivač topline ili sustav miješanja mogu se dodati šaržnom reaktoru.
• Konstantni volumen: Šaržni reaktori obično imaju konstantan volumen, ali neki su napravljeni tako da se volumen može mijenjati kako bi se zadržao konstantan tlak.

Ukratko, šaržni reaktori su jednostavni spremnici koji se koriste u procesnoj industriji za širok raspon zadataka.

Oni su svestrani, mogu se koristiti za više od jedne stvari, imaju visoke stope konverzije i lako ih je napraviti i promijeniti.

Ali oni također imaju neke probleme, kao što su povratno miješanje, ograničene količine, različiti proizvodi, poteškoće u izradi velike količine, kratak vijek trajanja katalizatora i otpad.

Šaržni reaktori često se koriste za male poslove, testiranje novih metoda i izradu skupe robe.

Također se često koriste u laboratorijima za malu proizvodnju i za pokretanje procesa fermentacije pića.

Prihvaćanje nepredvidivosti: uzbuđenje i rizici šaržnih reaktora

Još uvijek je teško razumjeti? Da malo promijenim gledište:

Kemičari, obratite pozornost! Želite da vam posao bude zanimljiviji? Umorni ste od ponavljanja istih stvari? Šaržni reaktor je sve što vam treba.

Šaržni reaktor je savršen za kaos, nepredvidivost, a možda čak i malo uzbuđenja jer možete dodati reaktante i katalizatore u količinama koje želite, a zatim zatvoriti posudu kako biste spriječili ulazak još materijala.

Kome je stalo do kontrole i dosljednosti? Prihvatite činjenicu da je šaržni reaktor teško predvidjeti i vidite gdje će vas odvesti.

U redu, to je bila samo šala napravljena da izgleda kao TV reklama.

Sada se vratimo na objašnjenje.

Komponente šaržnih reaktora

Šaržni reaktori su posude koje se koriste u procesnoj industriji za obavljanje stvari poput otapanja krutih tvari, miješanja proizvoda, izvođenja kemijskih reakcija i destilacije u serijama.

Reaktorska posuda, reakcijski medij, gornji prostor i mješalica su četiri glavna dijela.

Reaktorska posuda

Glavni dio šaržnog reaktora je reaktorska posuda, koja je često izrađena od čelika, nehrđajućeg čelika, čelika obloženog staklom, stakla ili neke egzotične legure.

Može biti manji od 1 litre ili veći od 15.000 litara.

Većinu vremena, tekućine i krutine stavljaju se u reaktor kroz rupe na gornjem poklopcu.

Pare i plinovi izlaze iz rupa na vrhu, a tekućine izlaze iz rupa na dnu.

Srednja reakcija

Ono u čemu se odvija reakcija naziva se reakcijski medij.

Ovisno o vrsti reakcije koja se provodi, može biti u plinovitoj fazi, tekućoj fazi ili fazi tekućina-krutina.

Prostor za glavu

Headspace je prazan prostor iznad medija.

Ostavlja prostor za plin ili paru koji nastaju tijekom reakcije.

Agitator

Mješalica je potrebna za miješanje različitih dijelova i dodavanje ili uklanjanje topline iz reakcije.

Ovisno o vrsti reakcije, može se napraviti s rotorima aksijalnog protoka ili rotorima radijalnog protoka kako bi se osigurale različite vrste miješanja.

Prednosti i izazovi šaržnih reaktora

Jedna od najboljih stvari kod šaržnih reaktora je njihova fleksibilnost.

Jedno plovilo može obaviti niz različitih zadataka bez probijanja zatvorenog prostora.

Ovo je korisno pri radu s otrovnim materijalima jer smanjuje rizik od ozljeđivanja radnika.

No šaržni reaktori imaju nekih problema, poput povratnog miješanja, što može pogoršati kvalitetu proizvoda jer reaktanti nisu ravnomjerno raspoređeni u posudi.

Projektiranje i dimenzioniranje šaržnih reaktora

Prilikom projektiranja i dimenzioniranja šaržnog reaktora za određenu reakciju potrebno je uzeti u obzir nekoliko stvari.

To uključuje kinetiku reakcije, prijenos topline, prijenos mase, miješanje i fazno ponašanje.

Dizajn mora osigurati da reaktor može izvesti reakciju sigurno i učinkovito, zadovoljiti specifikacije za proizvod i zadržati proizvodne troškove što je moguće nižim.

Većinu vremena, određivanje veličine šaržnog reaktora znači određivanje volumena reaktora potrebnog za pretvorbu reaktanata na određeni način i omogućavanje dovoljnog miješanja i prijenosa topline.

Kako bi se iz reaktora izvukla najbolja izvedba, proces dizajna i dimenzioniranja može uključivati ​​eksperimente, simulacije i modele.

U šaržnom reaktoru vrijeme potrebno za postizanje određene razine pretvorbe ovisi o tome koliko brzo reakcija teče i koliku pretvorbu želite.

Dakle, da biste odredili pravi volumen šaržnog reaktora za određenu reakciju, morali biste razmišljati o stvarima kao što su brzina reakcije, početne koncentracije reaktanata, razina konverzije koju želite i količina vremena u kojem je reaktor će se izvoditi.

Te se informacije mogu koristiti za određivanje prave veličine šaržnog reaktora izračunavanjem parametara kao što su konstante brzine reakcije i stehiometrijski koeficijenti.

Za razliku od CSTR-a i PFR-a, koji mogu kontinuirano obrađivati ​​velike količine reaktanata tijekom vremena, šaržni reaktori mogu upravljati samo s određenim brojem reaktanata odjednom.

Dakle, šaržni reaktor možda neće moći podnijeti istu količinu vrste A dnevno kao reaktor s kontinuiranim protokom.

No šaržni reaktori i dalje su korisni za male operacije, testiranje novih procesa koji još nisu u potpunosti razvijeni i izradu skupih proizvoda.

Ukratko, šaržni reaktori imaju nekoliko važnih dijelova, kao što su reaktorska posuda, reakcijski medij, gornji prostor i mješalica.

Imaju prednosti poput fleksibilnosti i mogućnosti korištenja za više od jedne stvari, ali također imaju problema poput povratnog miješanja.

Da biste dizajnirali i dimenzionirali šaržni reaktor za određenu reakciju, morate razmišljati o stvarima kao što su kinetika reakcije, prijenos topline, prijenos mase, miješanje i fazno ponašanje.

Izračuni u šaržnim reaktorima

Jednadžba ravnoteže molova i reakcija serije

Za šaržni reaktor sa serijskom reakcijom, moramo upotrijebiti jednadžbu molne ravnoteže da bismo odredili koliko je tvari u reaktoru.

Jednadžba ravnoteže molova koristi se da se utvrdi koliko se brzo mijenja količina svakog mola u reaktoru.

Jednadžba molske ravnoteže za šaržni reaktor je:

dN_i/dt = r_i*V

gdje je N_i broj molova vrste i, t je vrijeme, r_i je brzina reakcije za vrstu i, a V je volumen reaktora.

Kad god želimo znati koliko je svake vrste u šaržnom reaktoru tijekom serijske reakcije, možemo koristiti ovu jednadžbu.

Dimenzioniranje reaktora za šaržnu saponifikaciju za vrući postupak

Saponifikacija je kemijski proces koji pretvara masti i lužinu u sapun.

Za vrući proces saponifikacije koristi se šaržni reaktor.

Za vrući postupak, veličina reaktora za šaržnu saponifikaciju ovisit će o tome koliko sapuna treba napraviti i kakva se vrsta sapuna proizvodi.

Osim veličine reaktora, površina reaktorske površine također može promijeniti brzinu odvijanja reakcije.

Ako koristite reaktor s pregradama ili onaj s većim omjerom širine i visine, možete povećati površinu.

Za proces vruće saponifikacije, temperaturu reaktora treba održavati između 70°C i 85°C.

Koliko će trajati reakcija ovisi o tome koliko sapuna želite napraviti.

Može trajati od nekoliko sati do nekoliko dana.

Šaržni reaktor može se koristiti za proučavanje kinetike saponifikacije.

Koristeći šaržni reaktor s magnetskim miješanjem i staklenim omotačem, studenti mogu odrediti konstante brzine reakcije drugog reda na različitim temperaturama.

Reakcija saponifikacije također se može koristiti za određivanje pretvorbe reakcije u cjevastom reaktoru s nabijenim slojem.

Ispitivanje i optimizacija šaržnih reaktora

Izvođenje testova šaržnog reaktora s čvrstim tvarima

Kada se izvodi šaržni reaktorski test s krutom tvari, kruti i tekući reaktanti obično se miješaju u posudi s mješalicom.

Zatim se smjesa ostavi da reagira određeno vrijeme.

Nakon toga se krutina obično odvaja od tekućine filtracijom ili centrifugiranjem.

Zatim, kako bi se saznalo dokle je reakcija otišla, mjeri se koncentracija vrste od interesa u tekućoj fazi.

Kada planirate testiranje šaržnog reaktora s krutom tvari, također biste trebali razmisliti o veličini čestica krutine, početnoj koncentraciji reaktanata i razini konverzije koju želite.

Modificirani laboratorijski šaržni reaktorski test

Biorazgradnja hlapljivih organskih spojeva u aktivnom mulju testirana je u šaržnom reaktoru u laboratoriju.

Test je promijenjen kako bi uključio vlakna mikroekstrakcije u čvrstoj fazi (SPME) za uzorkovanje u plinovitoj fazi.

To eliminira potrebu za propuhom i olakšava korištenje s krutim tvarima.

Sustavi šaržnog reaktora sekvenciranja (SBR).

Šaržni reaktor sa sekvenciranjem (SBR) je sustav s aktivnim muljem koji pročišćava otpadnu vodu tako što se puni i potom ispušta.

U ovom sustavu, otpadna voda se stavlja u reaktor s jednom šaržom.

Dva ili više šaržnih reaktora koriste se određenim redoslijedom kako bi se iz sustava izvukla najbolja izvedba.

SBR sustavi korišteni su za pročišćavanje otpadnih voda iz gradova i tvornica.

Jednadžba materijalne bilance

Jednadžba materijalne bilance može se koristiti za određivanje što se događa u šaržnim reaktorima kada se dogode kemijske reakcije.

Na primjer, jednadžba d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV se može koristiti za šaržne reaktore s dobrim miješanjem jer je integrale jednostavno procijeniti zbog dobrog miješanja unutar reaktora.

Polušaržni reaktori

Polušaržni reaktori imaju značajke i šaržnih reaktora i reaktora s miješalicom koji rade cijelo vrijeme (CSTR).

Mogu dodavati hranu dok traje reakcija, poput CSTR-ova, ali su ispunjeni reaktantom na početku, poput šaržnih reaktora.

Većinu vremena, polušaržni reaktori se koriste kada reakcija treba polako dodati jedan reagens ili kada je reakcija prevruća da bi se mogla izvesti u šaržnom reaktoru.

Pregled šaržnog reaktora

Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s govornim jezikom. Možda ćete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.

Slučajevi upotrebe

Zaključak

Na kraju, šaržni reaktor je važan alat za kemijske inženjere u mnogim različitim područjima.

Omogućuje vam da vrlo precizno kontrolirate uvjete reakcije, što je važno za izradu konzistentnih, visokokvalitetnih proizvoda.

No iako je šaržni reaktor sjajan komad tehnologije, on nije lijek za sve.

Ne može se koristiti za sve vrste reakcija jer ima neke nedostatke.

Kao inženjerima, naš je posao stalno dolaziti s novim idejama i isprobavati nove tehnologije koje nam mogu pomoći da zaobiđemo te probleme i olakšamo izradu složenih kemijskih proizvoda.

Možemo stvoriti bolju budućnost za sebe i planet ako pomaknemo granice mogućeg.

Stoga nastavimo tražiti i isprobavati nove stvari kako bismo pronašli bolja, učinkovitija i dugoročnija rješenja.

Linkovi i reference

Stanje krtica:

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

Reaktori u procesnom inženjerstvu:

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