Įvadas Į Paketinius Reaktorius: Pagrindai Ir Pritaikymas

Ar kada nors pagalvojote apie tai, kaip vyksta cheminės reakcijos, dėl kurių atsiranda vaistai ir kuras?

Jūs žinote, kad šios reakcijos nevyksta savaime, nes esate inžinieriaus studentas arba inžinierius.

Jiems reikia tikslių sąlygų, kruopščiai išmatuotų reagentų ir katalizatorių kiekių ir tinkamo reaktoriaus.

Tam padeda periodinis reaktorius.

Paketinis reaktorius yra svarbus įrankis bet kuriam chemijos inžinieriui, nes jis gali valdyti daugybę reakcijų ir tų reakcijų sąlygas galima labai tiksliai valdyti.

Šiame straipsnyje išsamiai papasakosiu apie paketinius reaktorius, kalbėsiu apie jų dalis, naudą ir naudojimą.

Nesvarbu, ar esate patyręs inžinierius, ar tik pradedate veiklą, šiame straipsnyje rasite informacijos, kurios jums reikia norint suprasti paketinius reaktorius ir jų svarbą chemijos inžinerijos pasaulyje.

Įvadas į paketinius reaktorius

Oficialus apibrėžimas:

Cheminis reaktorius, į kurį įvedami norimi kiekiai reagentų ir katalizatoriaus, o indas uždaromas, kad būtų galima tiekti papildomą medžiagą.

Paketiniai reaktoriai yra lanksčios mašinos, kurios gali būti naudojamos daugeliui skirtingų proceso operacijų.

Kai kurie dažniausiai naudojami serijiniai reaktoriai yra šie:

Kietosios medžiagos gali būti ištirpintos skysčiuose naudojant periodinius reaktorius.

Kietosios medžiagos ir tirpiklis dedami į reaktorių, o mišinys maišomas, kol visos kietosios medžiagos ištirps.

• Produktų maišymas: Paketiniai reaktoriai naudojami skirtingiems produktams maišyti, kad susidarytų norimas mišinys.

Tai gali būti naudinga maisto ir gėrimų pramonėje, kur tam tikram produktui pagaminti sumaišomi įvairūs ingredientai.

• Cheminės reakcijos: Dauguma cheminių reakcijų vyksta periodiniuose reaktoriuose.

Į reaktorių įpylus reagentus, mišinys paliekamas reaguoti nustatytą laiką.

Pasibaigus partijai, daiktai išimami.

• Partijinis distiliavimas: periodiniai reaktoriai taip pat gali būti naudojami periodiniam distiliavimui, o tai yra būdas atskirti mišinio dalis pagal jų virimo temperatūrą.

Paketinių reaktorių privalumai ir trūkumai

Paketiniai reaktoriai turi daug privalumų, tokių kaip:

Paketiniai reaktoriai yra universalūs, nes jie gali atlikti daugiau nei vieną dalyką viename inde, nepažeidžiant izoliacijos.

Serijiniai reaktoriai gali gaminti skirtingus produktus tame pačiame reaktoriuje, nes juos galima naudoti daugiau nei vienam dalykui.

• Didelės konversijos: Reagentai gali likti reaktoriuje ilgą laiką, todėl konversija yra didelė.
• Lengva gaminti ir keisti: Paketinius reaktorius gana lengva pagaminti ir pakeisti.

Tačiau periodiniai reaktoriai taip pat turi tam tikrų problemų, tokių kaip:

• Atgalinis maišymas: grįžtamasis maišymas įvyksta, kai medžiaga neišimama tol, kol nesibaigia reakcija.

Tai sutrumpina katalizatoriaus tarnavimo laiką ir sukuria daug atliekų.

• Ribotas kiekis: serijiniai reaktoriai nėra geriausias būdas pagaminti daug produkto vienu metu.
• Produktų kintamumas: partijos reaktoriuose pagaminti produktai gali skirtis nuo vienos partijos iki kitos.
• Sunkumai gaminant didelius kiekius: serijiniai reaktoriai nėra tinkami norint vienu metu gaminti daug dalykų.
• Paleisti brangu: periodinius reaktorius reikia dažnai įjungti ir išjungti, todėl juos eksploatuoti brangu.

Paketinių reaktorių projektavimo ypatybės

Paketiniai reaktoriai gaminami iš kai kurių panašių dalių, tokių kaip:

• Reagentų įpurškimo ir produktų pašalinimo angos: Paketiniuose reaktoriuose yra reagentų įpurškimo ir produktų pašalinimo angos.
• Šilumokaitis arba maišymo sistema: į periodinį reaktorių galima pridėti šilumokaitį arba maišymo sistemą.
• Pastovus tūris: serijiniai reaktoriai paprastai turi pastovų tūrį, tačiau kai kurie yra pagaminti taip, kad tūrį būtų galima keisti, kad būtų išlaikytas pastovus slėgis.

Trumpai tariant, periodiniai reaktoriai yra paprasti konteineriai, naudojami technologinėje pramonėje įvairioms užduotims atlikti.

Jie yra universalūs, gali būti naudojami daugiau nei vienam dalykui, turi aukštus konversijų rodiklius, juos lengva pagaminti ir pakeisti.

Tačiau jie taip pat turi tam tikrų problemų, tokių kaip grįžtamasis maišymas, ribotas kiekis, skirtingi produktai, sunku pagaminti daug jų, trumpas katalizatoriaus tarnavimo laikas ir atliekos.

Paketiniai reaktoriai dažnai naudojami nedidelio masto darbams, naujų metodų išbandymui ir brangių prekių gamybai.

Jie taip pat dažnai naudojami laboratorijose mažos apimties gamybai ir gėrimų fermentacijos procesui pradėti.

Nenuspėjamumo suvokimas: serijinių reaktorių jaudulys ir rizika

Vis dar sunku suprasti? Šiek tiek pakeisiu požiūrį:

Chemikai, atkreipkite dėmesį! Norite, kad jūsų darbas būtų įdomesnis? Pavargote nuo tų pačių dalykų, kurie kartojasi vėl ir vėl? Paketinis reaktorius yra viskas, ko jums reikia.

Paketinis reaktorius puikiai tinka chaosui, nenuspėjamumui ir galbūt net nedideliam susijaudinimui, nes galite pridėti reagentų ir katalizatorių norimais kiekiais, o tada uždaryti indą, kad į jį nepatektų daugiau medžiagų.

Kam rūpi kontrolė ir nuoseklumas? Priimkite faktą, kad periodinį reaktorių sunku nuspėti, ir pažiūrėkite, kur jis jus nuves.

Gerai, tai buvo tik pokštas, panašus į TV reklamą.

Dabar grįžkime prie paaiškinimo.

Paketinių reaktorių komponentai

Periodiniai reaktoriai yra indai, naudojami perdirbimo pramonėje, pavyzdžiui, ištirpdyti kietąsias medžiagas, maišyti produktus, atlikti chemines reakcijas ir distiliuoti partijomis.

Reaktoriaus indas, reakcijos terpė, viršutinė erdvė ir maišytuvas yra keturios pagrindinės dalys.

Reaktoriaus indas

Pagrindinė periodinio reaktoriaus dalis yra reaktoriaus indas, kuris dažnai yra pagamintas iš plieno, nerūdijančio plieno, stiklo dengto plieno, stiklo ar egzotiško lydinio.

Jis gali būti mažesnis nei 1 litras arba didesnis nei 15 000 litrų.

Dažniausiai skysčiai ir kietos medžiagos į reaktorių patenka per viršutiniame dangtyje esančias skylutes.

Garai ir dujos išeina iš skylių viršuje, o skysčiai – iš skylių apačioje.

Reakcijos terpė

Daiktas, kuriame vyksta reakcija, vadinamas reakcijos terpe.

Priklausomai nuo vykdomos reakcijos tipo, ji gali būti dujų fazė, skystoji fazė arba skysta-kieta fazė.

Viršutinė erdvė

Viršutinė erdvė yra tuščia erdvė virš terpės.

Tai suteikia vietos dujoms arba garams, kurie susidaro reakcijos metu.

Agitatorius

Maišytuvas reikalingas skirtingoms dalims sumaišyti ir pridėti arba pašalinti šilumą iš reakcijos.

Priklausomai nuo reakcijos tipo, jis gali būti pagamintas su ašinio srauto sparnuotėmis arba radialinio srauto sparnuotėmis, kad būtų galima maišyti skirtingus tipus.

Paketinių reaktorių privalumai ir iššūkiai

Vienas geriausių dalykų, susijusių su periodiniais reaktoriais, yra jų lankstumas.

Vienas laivas gali atlikti daugybę skirtingų užduočių nepažeisdamas izoliacijos.

Tai naudinga dirbant su toksiškomis medžiagomis, nes sumažinama darbuotojų sužeidimų rizika.

Tačiau periodiniai reaktoriai turi tam tikrų problemų, pavyzdžiui, grįžtamasis maišymas, dėl kurio gali pablogėti produkto kokybė, nes reagentai inde nėra pasiskirstę tolygiai.

Paketinių reaktorių projektavimas ir dydžio nustatymas

Projektuojant ir nustatant paketinį reaktorių tam tikrai reakcijai reikia atsižvelgti į keletą dalykų.

Tai apima reakcijos kinetiką, šilumos perdavimą, masės perdavimą, maišymą ir fazės elgesį.

Projektuojant turi būti užtikrinta, kad reaktorius galėtų saugiai ir efektyviai vykdyti reakciją, atitikti gaminio specifikacijas ir išlaikyti kuo žemesnes gamybos sąnaudas.

Daugeliu atvejų, norint išsiaiškinti paketinio reaktoriaus dydį, reikia išsiaiškinti reaktoriaus tūrį, reikalingą reagentams paversti tam tikru būdu ir užtikrinti pakankamą maišymą bei šilumos perdavimą.

Norint pasiekti geriausią reaktoriaus našumą, projektavimo ir dydžio nustatymo procesas gali apimti eksperimentus, modeliavimą ir modelius.

Partijos reaktoriuje laikas, per kurį pasiekiamas tam tikras konversijos lygis, priklauso nuo to, kaip greitai vyksta reakcija ir kiek konversijos norite.

Taigi, norėdami išsiaiškinti tinkamą reaktoriaus tūrį tam tikrai reakcijai, turėtumėte galvoti apie tokius dalykus kaip reakcijos greitis, pradinė reagentų koncentracija, norimas konversijos lygis ir reaktoriaus veikimo laikas. Bėgs.

Ši informacija gali būti naudojama norint nustatyti tinkamą paketinio reaktoriaus dydį, skaičiuojant tokius parametrus kaip reakcijos greičio konstantos ir stechiometriniai koeficientai.

Priešingai nei CSTR ir PFR, kurie laikui bėgant gali nuolat apdoroti didelius kiekius reagentų, paketiniai reaktoriai vienu metu gali apdoroti tik tam tikrą reagentų skaičių.

Taigi, periodinis reaktorius gali nesugebėti apdoroti tokio pat kiekio A rūšies per dieną kaip nuolatinio srauto reaktorius.

Tačiau serijiniai reaktoriai vis dar naudingi mažos apimties operacijoms, išbandant naujus procesus, kurie dar nėra visiškai sukurti, ir gaminant brangius produktus.

Trumpai tariant, periodiniai reaktoriai turi keletą svarbių dalių, tokių kaip reaktoriaus indas, reakcijos terpė, viršutinė erdvė ir maišytuvas.

Jie turi privalumų, pavyzdžiui, yra lankstūs ir gali būti naudojami daugiau nei vienam dalykui, tačiau jie taip pat turi problemų, pavyzdžiui, maišymo.

Norėdami suprojektuoti ir nustatyti tam tikros reakcijos paketinį reaktorių, turite galvoti apie tokius dalykus kaip reakcijos kinetika, šilumos perdavimas, masės perdavimas, maišymas ir fazės elgesys.

Skaičiavimai serijiniuose reaktoriuose

Molų balanso lygtis ir serijos reakcija

Serijiniam reaktoriui su serijine reakcija turime naudoti molių balanso lygtį, kad išsiaiškintume, kiek medžiagos yra reaktoriuje.

Molinių balanso lygtis naudojama norint išsiaiškinti, kaip greitai kinta kiekvieno molio kiekis reaktoriuje.

Molių balanso lygtis periodiniam reaktoriui yra tokia:

dN_i/dt = r_i*V

kur N_i yra i rūšies molių skaičius, t yra laikas, r_i yra i rūšies reakcijos greitis, o V yra reaktoriaus tūris.

Kai norime sužinoti, kiek kiekvienos rūšies yra serijiniame reaktoriuje serijinės reakcijos metu, galime naudoti šią lygtį.

Paketinio muilinimo reaktoriaus dydžio nustatymas karštam procesui

Muilinimas yra cheminis procesas, kurio metu riebalai ir šarmas paverčiami muilu.

Karštam muilinimo procesui naudojamas periodinis reaktorius.

Karštam procesui serijinio muilinimo reaktoriaus dydis priklausys nuo to, kiek muilo reikės pagaminti ir koks muilas yra gaminamas.

Be reaktoriaus dydžio, reaktoriaus paviršiaus plotas taip pat gali pakeisti reakcijos greitį.

Jei naudojate reaktorių su pertvaromis arba didesnį kraštinių santykį, galite padidinti paviršiaus plotą.

Karšto muilinimo proceso metu reaktoriaus temperatūra turi būti nuo 70°C iki 85°C.

Reakcijos trukmė priklauso nuo to, kiek muilo norite pagaminti.

Tai gali trukti nuo kelių valandų iki kelių dienų.

Tiriant muilinimo kinetiką galima naudoti paketinį reaktorių.

Naudodami periodinį reaktorių su magnetiniu maišymu ir stikliniu apvalkalu, studentai gali išsiaiškinti antros eilės reakcijos greičio konstantas skirtingomis temperatūromis.

Muilinimo reakcija taip pat gali būti naudojama norint išsiaiškinti reakcijos konversiją supakuoto sluoksnio vamzdiniame reaktoriuje.

Testavimas ir optimizavimas paketiniuose reaktoriuose

Atliekami periodiniai reaktoriaus bandymai su kietosiomis medžiagomis

Atliekant periodinį reaktoriaus bandymą su kieta medžiaga, kietieji ir skystieji reagentai paprastai sumaišomi inde su maišytuvu.

Tada mišinys paliekamas tam tikrą laiką reaguoti.

Po to kietoji medžiaga paprastai atskiriama nuo skysčio filtruojant arba centrifuguojant.

Tada, norint išsiaiškinti, kiek nuėjo reakcija, matuojama dominančios rūšies koncentracija skystoje fazėje.

Planuodami periodinį reaktoriaus bandymą su kieta medžiaga, taip pat turėtumėte pagalvoti apie kietosios medžiagos dalelių dydį, pradinę reagentų koncentraciją ir norimą konversijos lygį.

Modifikuotas laboratorinis paketinis reaktoriaus bandymas

Lakiųjų organinių junginių biologinis skaidymas aktyvuotame dumble buvo išbandytas laboratorijos periodiniame reaktoriuje.

Bandymas buvo pakeistas, įtraukiant kietosios fazės mikroekstrahavimo (SPME) pluoštus, skirtus mėginių ėmimui dujų fazėje.

Tai pašalina traukos vamzdžio poreikį ir palengvina naudojimą su kietomis medžiagomis.

Sequencing Batch Reactor (SBR) sistemos

Sequencing batch Reactor (SBR) yra aktyviojo dumblo sistema, kuri apvalo nuotekas, užpildant ir nusausinant.

Šioje sistemoje nuotekos supilamos į vienos partijos reaktorių.

Du ar daugiau periodinių reaktorių naudojami nustatyta tvarka, kad sistema išnaudotų geriausią našumą.

SBR sistemos buvo naudojamos tiek miestų, tiek gamyklų nuotekoms valyti.

Medžiagų balanso lygtis

Medžiagų balanso lygtis gali būti naudojama norint išsiaiškinti, kas vyksta periodiniuose reaktoriuose, kai vyksta cheminės reakcijos.

Pavyzdžiui, lygtis d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV gali būti naudojamas gerai maišomuose periodiniuose reaktoriuose, nes integralus lengva įvertinti dėl gero maišymo reaktoriuje.

Pusiau serijiniai reaktoriai

Pusperiodiniai reaktoriai turi tiek periodinių, tiek nuolat veikiančių maišomų rezervuarų reaktorių (CSTR) ypatybes.

Jie gali pridėti pašarų vykstant reakcijai, pavyzdžiui, CSTR, bet pradžioje jie užpildomi reagentu, pavyzdžiui, paketiniai reaktoriai.

Dažniausiai pusiau periodiniai reaktoriai naudojami, kai į reakciją reikia lėtai pridėti vieną reagentą arba kai reakcija yra per karšta, kad ją būtų galima atlikti periodiniame reaktoriuje.

Paketinio reaktoriaus apžvalga

Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su šnekamąja kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.

Naudojimo atvejai

Išvada

Galų gale, periodinis reaktorius yra svarbi priemonė chemijos inžinieriams daugelyje skirtingų sričių.

Tai leidžia labai tiksliai kontroliuoti reakcijos sąlygas, o tai svarbu gaminant nuoseklius, aukštos kokybės produktus.

Tačiau nors paketinis reaktorius yra puiki technologija, tai nėra vaistas nuo visko.

Jis negali būti naudojamas bet kokiai reakcijai, nes jis turi tam tikrų trūkumų.

Mūsų, kaip inžinierių, darbas yra nuolat kurti naujas idėjas ir išbandyti naujas technologijas, kurios gali padėti mums išspręsti šias problemas ir palengvinti sudėtingų cheminių produktų gamybą.

Mes galime sukurti geresnę savo ir planetos ateitį, jei peržengsime įmanomų galimybių ribas.

Taigi toliau ieškokime ir išbandykime naujus dalykus, kad rastume geresnių, efektyvesnių ir ilgalaikių sprendimų.

Nuorodos ir nuorodos

Molių likučiai:

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

Procesų inžinerijos reaktoriai:

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