Ievads Sērijveida Reaktoros: Pamati Un Pielietojumi

Vai esat kādreiz domājuši par to, kā notiek ķīmiskās reakcijas, kas izraisa tādas lietas kā zāles un degviela?

Jūs zināt, ka šīs reakcijas nenotiek tikai pašas no sevis, jo esat inženierzinātņu students vai inženieris.

Viņiem ir nepieciešami precīzi apstākļi, rūpīgi izmērīts reaģentu un katalizatoru daudzums un pareizais reaktora veids.

Partijas reaktors palīdz šajā jautājumā.

Partijas reaktors ir svarīgs instruments jebkuram ķīmijas inženierim, jo ​​tas spēj apstrādāt plašu reakciju klāstu un šo reakciju apstākļus var kontrolēt ļoti precīzi.

Šajā rakstā es iedziļināšos ar sērijveida reaktoriem, runājot par to daļām, priekšrocībām un lietojumiem.

Neatkarīgi no tā, vai esat pieredzējis inženieris vai tikai sāciet darbu, šis raksts sniegs jums nepieciešamo informāciju, lai izprastu sērijveida reaktorus un to nozīmi ķīmiskās inženierijas pasaulē.

Ievads sērijveida reaktoros

Formālā definīcija:

Ķīmiskais reaktors, kurā reaģentus un katalizatoru ievada vajadzīgajā daudzumā un pēc tam tvertni aizver papildu materiāla piegādei.

Sērijveida reaktori ir elastīgas iekārtas, ko var izmantot daudzām dažādām procesa darbībām.

Dažas no visbiežāk sastopamajām lietām, ko veic sērijveida reaktori, ir:

Cietās vielas var izšķīdināt šķidrumos ar sērijveida reaktoru palīdzību.

Cietās vielas un šķīdinātāju ievieto reaktorā, un maisījumu maisa, līdz visas cietās vielas ir izšķīdušas.

• Produktu sajaukšana: Sērijveida reaktorus izmanto, lai sajauktu kopā dažādus produktus, lai iegūtu vēlamo maisījumu.

Tas var būt noderīgi pārtikas un dzērienu rūpniecībā, kur tiek sajauktas dažādas sastāvdaļas, lai iegūtu noteiktu produktu.

• Ķīmiskās reakcijas: Lielākā daļa ķīmisko reakciju tiek veiktas sērijveida reaktoros.

Pēc reaģentu pievienošanas reaktoram maisījumu atstāj reaģēt noteiktu laiku.

Partijas beigās preces tiek izņemtas.

• Partijas destilācija: sērijveida reaktorus var izmantot arī sērijveida destilācijai, kas ir veids, kā atdalīt maisījuma daļas, pamatojoties uz to viršanas punktiem.

Partijas reaktoru priekšrocības un trūkumi

Sērijveida reaktoriem ir vairākas priekšrocības, piemēram:

Periodiskie reaktori ir daudzpusīgi, jo tie vienā tvertnē var veikt vairāk nekā vienu darbību, nesalaužot norobežojumu.

Sērijveida reaktori var ražot dažādus produktus vienā reaktorā, jo tos var izmantot vairākām lietām.

• Augstas konversijas: reaģenti var palikt reaktorā ilgu laiku, kas izraisa augstu konversiju.
• Vienkārša izgatavošana un maiņa: sērijveida reaktorus ir diezgan viegli izgatavot un mainīt.

Bet sērijveida reaktoriem ir arī dažas problēmas, piemēram:

• Atgriezeniskā sajaukšana: pretjaukšana notiek, ja materiāls netiek izņemts, kamēr reakcija nav beigusies.

Tas saīsina katalizatora kalpošanas laiku un rada daudz atkritumu.

• Ierobežoti daudzumi: sērijveida reaktori nav labākais veids, kā vienlaikus izgatavot lielu daudzumu produkta.
• Produktu mainīgums: sērijveida reaktoros ražotie produkti dažādās partijās var atšķirties.
• Grūtības ar lielapjoma ražošanu: sērijveida reaktori nav piemēroti daudzu lietu izgatavošanai vienlaikus.
• Dārgi darbināt: sērijveida reaktori ir bieži jāieslēdz un jāizslēdz, tāpēc to darbība ir dārga.

Partijas reaktoru konstrukcijas iezīmes

Sērijveida reaktori ir izgatavoti no dažām līdzīgām daļām, piemēram:

• Porti reaģentu injicēšanai un produktu noņemšanai: Pakešu reaktoriem ir pieslēgvietas reaģentu injicēšanai un produktu noņemšanai.
• Siltummainis vai maisīšanas sistēma: Sērijveida reaktoram var pievienot siltummaini vai maisīšanas sistēmu.
• Pastāvīgs tilpums: sērijas reaktoriem parasti ir nemainīgs tilpums, bet daži ir izgatavoti tā, lai tilpumu varētu mainīt, lai saglabātu nemainīgu spiedienu.

Īsāk sakot, sērijveida reaktori ir vienkārši konteineri, ko izmanto apstrādes rūpniecībā dažādiem uzdevumiem.

Tie ir daudzpusīgi, tos var izmantot vairāk nekā vienai lietai, tiem ir augsts reklāmguvumu līmenis, un tos ir viegli izgatavot un mainīt.

Bet tiem ir arī dažas problēmas, piemēram, pretsajaukšana, ierobežots daudzums, dažādi produkti, grūtības to lielu daudzumu pagatavot, īss katalizatora kalpošanas laiks un atkritumi.

Sērijveida reaktorus bieži izmanto maza mēroga darbiem, jaunu metožu testēšanai un dārgu preču ražošanai.

Tos bieži izmanto arī laboratorijās neliela apjoma ražošanai un dzērienu fermentācijas procesa sākšanai.

Neprognozējamības aptvērums: sērijveida reaktoru uztraukums un riski

Joprojām grūti saprast? Ļaujiet man nedaudz mainīt viedokli:

Ķīmiķi, lūdzu, pievērsiet uzmanību! Vai vēlaties, lai jūsu darbs būtu interesantāks? Apnicis, ka atkal un atkal notiek vienas un tās pašas lietas? Partijas reaktors ir viss, kas jums nepieciešams.

Partijas reaktors ir lieliski piemērots haosam, neparedzamībai un, iespējams, pat nelielam satraukumam, jo ​​varat pievienot reaģentus un katalizatorus vajadzīgajā daudzumā un pēc tam aizvērt trauku, lai novērstu vairāk materiālu ienākšanu.

Kam rūp kontrole un konsekvence? Pieņemiet faktu, ka sērijveida reaktoru ir grūti paredzēt, un redziet, kur tas jūs aizvedīs.

Labi, tas bija tikai joks, lai izskatītos pēc TV reklāmas.

Tagad atgriezīsimies pie skaidrojuma.

Partijas reaktoru sastāvdaļas

Sērijveida reaktori ir trauki, ko izmanto apstrādes rūpniecībā, lai veiktu tādas darbības kā cietvielu šķīdināšana, produktu sajaukšana, ķīmisku reakciju veikšana un destilācija partijās.

Reaktora trauks, reakcijas vide, augšējā telpa un maisītājs ir četras galvenās daļas.

Reaktora kuģis

Partijas reaktora galvenā daļa ir reaktora tvertne, kas bieži ir izgatavota no tērauda, ​​nerūsējošā tērauda, ​​ar stiklu pārklāta tērauda, ​​stikla vai eksotiska sakausējuma.

Tas var būt mazāks par 1 litru vai lielāks par 15 000 litriem.

Lielāko daļu laika šķidrumi un cietās vielas tiek ievietotas reaktorā caur augšējā vāka atverēm.

Tvaiki un gāzes izplūst no caurumiem augšpusē, un šķidrumi izplūst no caurumiem apakšā.

Reakcijas vide

Lietu, kurā notiek reakcija, sauc par reakcijas vidi.

Atkarībā no veiktās reakcijas veida tā var būt gāzes fāzē, šķidrā fāzē vai šķidrā-cietā fāzē.

Headspace

Virsvieta ir tukša vieta virs vides.

Tas dod vietu gāzei vai tvaikiem, kas rodas reakcijas laikā.

Maisītājs

Maisītājs ir nepieciešams, lai sajauktu dažādas daļas un pievienotu vai noņemtu siltumu no reakcijas.

Atkarībā no reakcijas veida to var izgatavot ar aksiālās plūsmas lāpstiņriteņiem vai radiālās plūsmas lāpstiņriteņiem, lai nodrošinātu dažāda veida sajaukšanu.

Pakešu reaktoru priekšrocības un izaicinājumi

Viena no labākajām lietām partiju reaktoros ir to elastīgums.

Viens kuģis var veikt virkni dažādu uzdevumu, nepārkāpjot norobežojumu.

Tas ir noderīgi, strādājot ar toksiskiem materiāliem, jo ​​tas samazina darbinieku savainojumu risku.

Taču sērijveida reaktoriem ir dažas problēmas, piemēram, pretsajaukšana, kas var pasliktināt produkta kvalitāti, jo reaģenti traukā nav vienmērīgi izkliedēti.

Partiju reaktoru projektēšana un izmēru noteikšana

Izstrādājot un nosakot partijas reaktoru noteiktai reakcijai, ir jāņem vērā vairākas lietas.

Tie ietver reakcijas kinētiku, siltuma pārnesi, masas pārnesi, sajaukšanos un fāzes uzvedību.

Projektam ir jāpārliecinās, ka reaktors var droši un efektīvi veikt reakciju, atbilst produkta specifikācijām un pēc iespējas zemākas ražošanas izmaksas.

Lielāko daļu laika, lai noskaidrotu partijas reaktora izmēru, ir jānoskaidro reaktora tilpums, kas nepieciešams, lai noteiktā veidā pārveidotu reaģentus un nodrošinātu pietiekamu sajaukšanos un siltuma pārnesi.

Lai panāktu vislabāko reaktora veiktspēju, projektēšanas un izmēru noteikšanas process var ietvert eksperimentus, simulācijas un modeļus.

Partijas reaktorā laiks, kas nepieciešams, lai sasniegtu noteiktu konversijas līmeni, ir atkarīgs no tā, cik ātri notiek reakcija un cik daudz konversijas vēlaties.

Tātad, lai noteiktu pareizo partijas reaktora tilpumu noteiktai reakcijai, jums būtu jādomā par tādām lietām kā reakcijas ātrums, reaģentu sākotnējās koncentrācijas, vēlamais konversijas līmenis un laiks, kurā reaktors darbojas. Skries.

Šo informāciju var izmantot, lai noskaidrotu pareizo izmēru sērijveida reaktoram, aprēķinot tādus parametrus kā reakcijas ātruma konstantes un stehiometriskos koeficientus.

Atšķirībā no CSTR un PFR, kas laika gaitā var nepārtraukti apstrādāt lielu daudzumu reaģentu, sērijveida reaktori vienlaikus var apstrādāt tikai noteiktu skaitu reaģentu.

Tātad, sērijveida reaktors, iespējams, nespēs apstrādāt tādu pašu A sugas daudzumu dienā kā nepārtrauktas plūsmas reaktors.

Taču sērijveida reaktori joprojām ir noderīgi maza mēroga operācijām, jaunu procesu testēšanai, kas vēl nav pilnībā izstrādāti, un dārgu produktu ražošanā.

Īsāk sakot, sērijveida reaktoriem ir vairākas svarīgas daļas, piemēram, reaktora tvertne, reakcijas vide, augšējā telpa un maisītājs.

Viņiem ir tādas priekšrocības kā elastība un iespēja izmantot vairāk nekā vienai lietai, taču tām ir arī tādas problēmas kā pretmiksēšana.

Lai izstrādātu un izmērītu partijas reaktoru noteiktai reakcijai, jums ir jādomā par tādām lietām kā reakcijas kinētika, siltuma pārnese, masas pārnese, sajaukšana un fāzes uzvedība.

Aprēķini sērijveida reaktoros

Molu līdzsvara vienādojums un sērijas reakcija

Partijas reaktoram ar virknes reakciju mums ir jāizmanto molu līdzsvara vienādojums, lai noskaidrotu, cik daudz vielas ir reaktorā.

Molu līdzsvara vienādojumu izmanto, lai noskaidrotu, cik ātri mainās katra mola daudzums reaktorā.

Molu līdzsvara vienādojums sērijveida reaktoram ir:

dN_i/dt = r_i*V

kur N_i ir sugas i molu skaits, t ir laiks, r_i ir reakcijas ātrums sugai i un V ir reaktora tilpums.

Ikreiz, kad vēlamies uzzināt, cik daudz katras sugas ir sērijveida reaktorā sērijas reakcijas laikā, mēs varam izmantot šo vienādojumu.

Partijas pārziepošanas reaktora izmēra noteikšana karstajam procesam

Pārziepjošana ir ķīmisks process, kas taukus un sārmus pārvērš ziepēs.

Karstam pārziepjošanas procesam tiek izmantots partijas reaktors.

Karstam procesam partijas pārziepošanas reaktora izmērs būs atkarīgs no tā, cik daudz ziepju jāsagatavo un kādas ziepes tiek gatavotas.

Papildus reaktora izmēram reaktora virsmas laukums var mainīt arī reakcijas ātrumu.

Ja izmantojat reaktoru ar deflektoriem vai reaktoru ar lielāku malu attiecību, varat palielināt virsmas laukumu.

Karstās pārziepjošanas procesā reaktora temperatūra jāuztur no 70°C līdz 85°C.

Reakcijas ilgums ir atkarīgs no tā, cik daudz ziepju vēlaties pagatavot.

Tas var ilgt no vairākām stundām līdz vairākām dienām.

Lai pētītu pārziepjošanas kinētiku, var izmantot sērijveida reaktoru.

Izmantojot sērijveida reaktoru ar magnētisko maisīšanu un stikla apvalku, studenti var izdomāt otrās kārtas reakcijas ātruma konstantes dažādās temperatūrās.

Pārziepjošanas reakciju var izmantot arī, lai noskaidrotu reakcijas pārveidi pildslāņa cauruļveida reaktorā.

Testēšana un optimizācija sērijveida reaktoros

Pakešu reaktora testu veikšana ar cietām vielām

Veicot partijas reaktora testu ar cietu vielu, cietās un šķidrās reaģentus parasti sajauc traukā ar maisītāju.

Pēc tam maisījumu atstāj uz noteiktu laiku reaģēt.

Pēc tam cieto vielu parasti atdala no šķidruma, filtrējot vai centrifugējot.

Pēc tam, lai noskaidrotu, cik tālu noritēja reakcija, tiek mērīta interesējošās sugas koncentrācija šķidrajā fāzē.

Plānojot sērijveida reaktora testu ar cieto vielu, jums vajadzētu padomāt arī par cietās vielas daļiņu lielumu, sākotnējo reaģentu koncentrāciju un vēlamo konversijas līmeni.

Modificēts laboratorijas partijas reaktora tests

Gaistošo organisko savienojumu bionoārdīšanās aktīvās dūņās ir pārbaudīta laboratorijas sērijveida reaktorā.

Tests ir mainīts, iekļaujot cietās fāzes mikroekstrakcijas (SPME) šķiedras paraugu ņemšanai gāzes fāzē.

Tas novērš nepieciešamību pēc iegrimes caurules un atvieglo lietošanu ar cietām vielām.

Sequencing Batch Reactor (SBR) sistēmas

Sequencing Batch Reactor (SBR) ir aktīvo dūņu sistēma, kas attīra notekūdeņus, tos piepildot un pēc tam nosusinot.

Šajā sistēmā notekūdeņi tiek ievietoti vienas partijas reaktorā.

Divi vai vairāki sērijveida reaktori tiek izmantoti noteiktā secībā, lai nodrošinātu vislabāko sistēmas veiktspēju.

SBR sistēmas ir izmantotas gan pilsētu, gan rūpnīcu notekūdeņu attīrīšanai.

Materiālu bilances vienādojums

Materiālu bilances vienādojumu var izmantot, lai noskaidrotu, kas notiek sērijveida reaktoros, kad notiek ķīmiskas reakcijas.

Piemēram, vienādojums d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV var izmantot labi maisītiem periodiskajiem reaktoriem, jo ​​integrāļus ir viegli novērtēt, jo reaktorā ir laba sajaukšanās.

Semi-batch reaktori

Pusperiodu reaktoriem ir gan sērijveida reaktoru, gan maisīšanas tvertnes reaktoru funkcijas, kas darbojas visu laiku (CSTR).

Tie var pievienot barību reakcijas laikā, piemēram, CSTR, bet sākumā tie ir piepildīti ar reaģentu, piemēram, partijas reaktori.

Lielāko daļu laika pusperiodu reaktorus izmanto, ja reakcijai lēnām jāpievieno viens reaģents vai ja reakcija ir pārāk karsta, lai to veiktu sērijveida reaktorā.

Partijas reaktora pārskats

Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu. Iestatījumu pogā izvēlieties “automātiskā tulkošana”, ja neesat pazīstams ar runāto valodu. Iespējams, vispirms būs jānoklikšķina uz videoklipa valodas, pirms jūsu iecienītākā valoda kļūst pieejama tulkošanai.

Lietošanas gadījumi

Secinājums

Galu galā sērijveida reaktors ir svarīgs instruments ķīmijas inženieriem daudzās dažādās jomās.

Tas ļauj ļoti precīzi kontrolēt reakcijas apstākļus, kas ir svarīgi konsekventu, augstas kvalitātes produktu ražošanai.

Bet, lai gan sērijveida reaktors ir lieliska tehnoloģija, tas nav līdzeklis pret visu.

To nevar izmantot jebkura veida reakcijai, jo tai ir daži trūkumi.

Mūsu kā inženieru uzdevums ir turpināt nākt klajā ar jaunām idejām un izmēģināt jaunas tehnoloģijas, kas var palīdzēt mums apiet šīs problēmas un atvieglot sarežģītu ķīmisko produktu ražošanu.

Mēs varam izveidot labāku nākotni sev un planētai, ja pārkāpsim iespējamās robežas.

Tāpēc turpināsim meklēt un izmēģināt jaunas lietas, lai atrastu labākus, efektīvākus un ilgtermiņa risinājumus.

Saites un atsauces

Kurmju atlikumi:

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

Procesu inženierijas reaktori:

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