Úvod Do Vsádzkových Reaktorov: Základy A Aplikácie

Premýšľali ste niekedy o tom, ako prebiehajú chemické reakcie, ktoré spôsobujú veci ako liek a palivo?

Viete, že tieto reakcie sa nedejú len tak samy od seba, pretože ste študent alebo inžinier inžinierstva.

Potrebujú presné podmienky, starostlivo odmerané množstvá reaktantov a katalyzátorov a správny druh reaktora.

Vsádzkový reaktor s tým pomáha.

Vsádzkový reaktor je dôležitým nástrojom pre každého chemického inžiniera, pretože dokáže zvládnuť širokú škálu reakcií a podmienky týchto reakcií možno veľmi presne riadiť.

V tomto článku sa budem podrobne venovať vsádzkovým reaktorom, hovoriť o ich častiach, výhodách a použití.

Či už ste skúsený inžinier alebo len začínate, tento článok vám poskytne informácie, ktoré potrebujete, aby ste pochopili vsádzkové reaktory a aké dôležité sú vo svete chemického inžinierstva.

Úvod do vsádzkových reaktorov

Formálna definícia:

Chemický reaktor, do ktorého sa zavádzajú reaktanty a katalyzátor v požadovaných množstvách a nádoba sa potom uzatvorí, aby sa privádzal ďalší materiál.

Vsádzkové reaktory sú flexibilné stroje, ktoré možno použiť pre mnoho rôznych procesných operácií.

Niektoré z najbežnejších vecí, ktoré robia vsádzkové reaktory, sú:

Pevné látky môžu byť rozpustené v kvapalinách pomocou vsádzkových reaktorov.

Pevné látky a rozpúšťadlo sa vložia do reaktora a zmes sa mieša, kým sa všetky pevné látky nerozpustia.

• Miešanie produktov: Dávkové reaktory sa používajú na zmiešanie rôznych produktov, aby sa vytvorila zmes, ktorú chcete.

To môže byť užitočné v potravinárskom a nápojovom priemysle, kde sa pri výrobe určitého produktu miešajú rôzne zložky.

• Chemické reakcie: Väčšina chemických reakcií prebieha vo vsádzkových reaktoroch.

Po pridaní reaktantov do reaktora sa zmes nechá reagovať počas stanoveného času.

Na konci dávky sa položky vyberú.

• Vsádzková destilácia: Vsádzkové reaktory možno použiť aj na vsádzkovú destiláciu, čo je spôsob, ako oddeliť časti zmesi na základe ich bodov varu.

Výhody a nevýhody vsádzkových reaktorov

Dávkové reaktory majú množstvo výhod, ako napríklad:

Vsádzkové reaktory sú všestranné, pretože dokážu robiť viac ako jednu vec v jednej nádobe bez toho, aby narušili kontajnment.

Vsádzkové reaktory môžu vyrábať rôzne produkty v tom istom reaktore, pretože sa dajú použiť na viac ako jednu vec.

• Vysoké konverzie: Činidlá môžu zostať v reaktore dlhú dobu, čo vedie k vysokým konverziám.
• Jednoduchosť výroby a výmeny: Dávkové reaktory sa vyrábajú a menia veľmi jednoducho.

Ale vsádzkové reaktory majú aj niektoré problémy, ako napríklad:

• Spätné miešanie: Spätné miešanie nastáva, keď sa materiál nevyberie, kým sa reakcia neskončí.

To skracuje životnosť katalyzátora a vytvára veľa odpadu.

• Obmedzené množstvá: Dávkové reaktory nie sú najlepším spôsobom, ako vyrobiť veľa produktov naraz.
• Variabilita produktov: Produkty vyrobené vsádzkovými reaktormi sa môžu líšiť od jednej šarže k ďalšej.
• Ťažkosti s výrobou vo veľkom meradle: Dávkové reaktory nie sú vhodné na výrobu veľkého množstva vecí naraz.
• Nákladná prevádzka: Dávkové reaktory je potrebné často zapínať a vypínať, v dôsledku čoho je ich prevádzka nákladná.

Konštrukčné vlastnosti vsádzkových reaktorov

Dávkové reaktory sa vyrábajú s niektorými podobnými časťami, ako napríklad:

• Porty na vstrekovanie reaktantov a odstraňovanie produktov: Dávkové reaktory majú porty na vstrekovanie reaktantov a odstraňovanie produktov.
• Výmenník tepla alebo systém miešania: Výmenník tepla alebo systém miešania možno pridať do vsádzkového reaktora.
• Konštantný objem: Vsádzkové reaktory majú zvyčajne konštantný objem, ale niektoré sú vyrobené tak, aby sa objem mohol meniť, aby sa udržal konštantný tlak.

Stručne povedané, vsádzkové reaktory sú jednoduché nádoby, ktoré sa používajú v spracovateľskom priemysle na širokú škálu úloh.

Sú všestranné, dajú sa použiť na viac vecí, majú vysoké miery konverzie a ľahko sa vyrábajú a menia.

Majú však aj určité problémy, ako je spätné miešanie, obmedzené množstvá, rôzne produkty, ťažkosti s výrobou veľkého množstva, krátka životnosť katalyzátora a odpad.

Dávkové reaktory sa často používajú na práce v malom meradle, testovanie nových metód a výrobu drahého tovaru.

Často sa tiež používajú v laboratóriách na výrobu v malom meradle a na spustenie procesu fermentácie nápojov.

Prijatie nepredvídateľnosti: Vzrušenie a riziká dávkových reaktorov

Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:

Chemici, dávajte pozor! Chcete, aby bola vaša práca zaujímavejšia? Ste unavení z toho, že sa stále dokola dejú tie isté veci? Vsádzkový reaktor je všetko, čo potrebujete.

Vsádzkový reaktor je ideálny pre chaos, nepredvídateľnosť a možno aj trochu vzrušenia, pretože môžete pridať reaktanty a katalyzátory v požadovaných množstvách a potom nádobu zavrieť, aby ste zabránili vniknutiu ďalších materiálov.

Koho zaujíma kontrola a dôslednosť? Prijmite skutočnosť, že dávkový reaktor je ťažké predvídať a uvidíte, kam vás zavedie.

Dobre, to bol len vtip, ktorý vyzeral ako televízna reklama.

Teraz sa vráťme k vysvetleniu.

Komponenty vsádzkových reaktorov

Dávkové reaktory sú nádoby, ktoré sa používajú v spracovateľskom priemysle na veci, ako je rozpúšťanie pevných látok, miešanie produktov, vykonávanie chemických reakcií a destilácia v dávkach.

Nádoba reaktora, reakčné médium, priestor nad hlavou a miešadlo sú štyri hlavné časti.

Reaktorová nádoba

Hlavnou časťou vsádzkového reaktora je nádoba reaktora, ktorá je často vyrobená z ocele, nehrdzavejúcej ocele, ocele potiahnutej sklom, skla alebo exotickej zliatiny.

Môže byť menší ako 1 liter alebo väčší ako 15 000 litrov.

Kvapaliny a pevné látky sa väčšinou dostávajú do reaktora cez otvory v hornom kryte.

Z otvorov v hornej časti vychádzajú pary a plyny a z otvorov v spodnej časti vychádzajú kvapaliny.

Reakčné médium

Vec, v ktorej prebieha reakcia, sa nazýva reakčné médium.

V závislosti od typu uskutočňovanej reakcie môže byť v plynnej fáze, kvapalnej fáze alebo kvapalnej-pevnej fáze.

Headspace

Headspace je prázdny priestor nad médiom.

Poskytuje priestor pre plyn alebo paru, ktorá vzniká počas reakcie.

Miešadlo

Miešadlo je potrebné na miešanie rôznych častí a pridávanie alebo odvádzanie tepla z reakcie.

V závislosti od typu reakcie môže byť vyrobený s obežnými kolesami s axiálnym prietokom alebo obežnými kolesami s radiálnym prietokom, aby sa zabezpečili rôzne typy miešania.

Výhody a výzvy dávkových reaktorov

Jednou z najlepších vecí na vsádzkových reaktoroch je ich flexibilita.

Jedno plavidlo môže vykonávať sériu rôznych úloh bez narušenia kontajnmentu.

To je užitočné pri práci s toxickými materiálmi, pretože znižuje riziko zranenia pracovníkov.

Ale vsádzkové reaktory majú určité problémy, ako je spätné miešanie, ktoré môže zhoršiť kvalitu produktu, pretože reaktanty nie sú v nádobe rozložené rovnomerne.

Navrhovanie a dimenzovanie dávkových reaktorov

Pri navrhovaní a dimenzovaní vsádzkového reaktora pre určitú reakciu je potrebné vziať do úvahy niekoľko vecí.

Tieto zahŕňajú kinetiku reakcie, prenos tepla, prenos hmoty, miešanie a fázové správanie.

Konštrukcia musí zabezpečiť, aby reaktor mohol vykonávať reakciu bezpečne a efektívne, spĺňať špecifikácie pre produkt a udržiavať výrobné náklady čo najnižšie.

Zistiť veľkosť vsádzkového reaktora väčšinou znamená zistiť objem reaktora potrebný na premenu reaktantov určitým spôsobom a umožniť dostatočné miešanie a prenos tepla.

Aby sa dosiahol čo najlepší výkon reaktora, proces navrhovania a dimenzovania môže zahŕňať experimenty, simulácie a modely.

Vo vsádzkovom reaktore závisí čas potrebný na dosiahnutie určitej úrovne konverzie od toho, ako rýchlo reakcia prebieha a akú veľkú konverziu chcete.

Aby ste teda zistili správny objem vsádzkového reaktora pre určitú reakciu, museli by ste myslieť na veci, ako je rýchlosť reakcie, počiatočné koncentrácie reaktantov, úroveň konverzie, ktorú chcete, a čas, počas ktorého bude reaktor fungovať. Bude bežať.

Tieto informácie by sa mohli použiť na určenie správnej veľkosti pre vsádzkový reaktor výpočtom parametrov, ako sú konštanty reakčnej rýchlosti a stechiometrické koeficienty.

Na rozdiel od CSTR a PFR, ktoré dokážu spracovávať veľké množstvá reaktantov kontinuálne v priebehu času, vsádzkové reaktory dokážu spracovať len určitý počet reaktantov naraz.

Takže vsádzkový reaktor nemusí byť schopný zvládnuť rovnaké množstvo druhu A za deň ako reaktor s kontinuálnym prietokom.

Ale vsádzkové reaktory sú stále užitočné pre prevádzky v malom meradle, testovanie nových procesov, ktoré ešte neboli úplne vyvinuté, a výrobu drahých produktov.

Stručne povedané, vsádzkové reaktory majú niekoľko dôležitých častí, ako je nádoba reaktora, reakčné médium, priestor nad hlavou a miešadlo.

Majú výhody, ako je flexibilita a možnosť použitia na viac ako jednu vec, ale majú aj problémy, ako je spätné miešanie.

Ak chcete navrhnúť a dimenzovať vsádzkový reaktor pre určitú reakciu, musíte myslieť na veci, ako je kinetika reakcie, prenos tepla, prenos hmoty, miešanie a fázové správanie.

Výpočty v dávkových reaktoroch

Rovnica mólovej rovnováhy a sériová reakcia

Pre vsádzkový reaktor so sériovou reakciou musíme použiť rovnicu mólovej rovnováhy, aby sme zistili, koľko látky je v reaktore.

Rovnica mólovej rovnováhy sa používa na zistenie, ako rýchlo sa mení množstvo každého mólu v reaktore.

Rovnica mólovej rovnováhy pre vsádzkový reaktor je:

dN_i/dt = r_i*V

kde N_i je počet mólov druhu i, t je čas, r_i je rýchlosť reakcie pre druh i a V je objem reaktora.

Kedykoľvek chceme vedieť, koľko z každého druhu je vo vsádzkovom reaktore počas sériovej reakcie, môžeme použiť túto rovnicu.

Dimenzovanie dávkového saponifikačného reaktora pre proces za horúca

Zmydelnenie je chemický proces, ktorý mení tuky a lúh na mydlo.

Na horúci proces zmydelňovania sa používa vsádzkový reaktor.

Pre horúci proces bude veľkosť dávkového zmydelňovacieho reaktora závisieť od toho, koľko mydla je potrebné vyrobiť a aký druh mydla sa vyrába.

Okrem veľkosti reaktora môže aj plocha povrchu reaktora meniť rýchlosť reakcie.

Ak použijete reaktor s priehradkami alebo reaktor s vyšším pomerom strán, môžete zväčšiť povrch.

Pre proces zmydelňovania za horúca by sa teplota reaktora mala udržiavať medzi 70 °C a 85 °C.

Ako dlho bude reakcia trvať, závisí od toho, koľko mydla chcete vyrobiť.

Môže to trvať od niekoľkých hodín do niekoľkých dní.

Na štúdium kinetiky saponifikácie možno použiť vsádzkový reaktor.

Pomocou vsádzkového reaktora s magnetickým miešaním a skleneným plášťom môžu študenti zistiť rýchlostné konštanty reakcie druhého rádu pri rôznych teplotách.

Zmydelňovaciu reakciu možno tiež použiť na zistenie reakčnej konverzie v rúrkovom reaktore s náplňou.

Testovanie a optimalizácia v dávkových reaktoroch

Vykonávanie testov v dávkovom reaktore s pevnými látkami

Keď sa robí test vsádzkového reaktora s pevnou látkou, pevné a kvapalné reaktanty sa zvyčajne zmiešajú v nádobe s miešadlom.

Zmes sa potom nechá určitý čas reagovať.

Potom sa pevná látka zvyčajne oddelí od kvapaliny filtráciou alebo odstredením.

Potom, aby sa zistilo, ako ďaleko reakcia prešla, sa meria koncentrácia záujmových druhov v kvapalnej fáze.

Pri plánovaní testu vsádzkového reaktora s pevnou látkou by ste mali myslieť aj na veľkosť častíc pevnej látky, počiatočnú koncentráciu reaktantov a požadovanú úroveň konverzie.

Modifikovaný laboratórny dávkový reaktorový test

Biodegradácia prchavých organických zlúčenín v aktivovanom kale bola testovaná vo vsádzkovom reaktore v laboratóriu.

Test bol zmenený tak, aby zahŕňal vlákna mikroextrakcie v pevnej fáze (SPME) na odber vzoriek v plynnej fáze.

To eliminuje potrebu nasávacej trubice a uľahčuje použitie s pevnými látkami.

Systémy sekvenčných dávkových reaktorov (SBR).

Sekvenčný vsádzkový reaktor (SBR) je systém aktivovaného kalu, ktorý upravuje odpadovú vodu tak, že sa naplní a potom vypustí.

V tomto systéme sa odpadová voda privádza do jedného vsádzkového reaktora.

Používajú sa dva alebo viac vsádzkových reaktorov v stanovenom poradí, aby sa zo systému dosiahol najlepší výkon.

Systémy SBR sa používajú na čistenie odpadových vôd z miest aj tovární.

Rovnica materiálovej bilancie

Rovnica materiálovej bilancie sa môže použiť na zistenie toho, čo sa deje vo vsádzkových reaktoroch, keď dôjde k chemickým reakciám.

Napríklad rovnica d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV sa môže použiť pre dobre miešané vsádzkové reaktory, pretože integrály sa dajú jednoducho vyhodnotiť vďaka dobrému miešaniu v reaktore.

Polodávkové reaktory

Polovsádzkové reaktory majú vlastnosti vsádzkových reaktorov aj reaktorov s miešanou nádržou, ktoré bežia stále (CSTR).

Môžu pridávať suroviny, kým reakcia prebieha, ako CSTR, ale sú naplnené reaktantom na začiatku, ako vsádzkové reaktory.

Väčšinou sa polovsádzkové reaktory používajú, keď je potrebné do reakcie pomaly pridať jedno činidlo alebo keď je reakcia príliš horúca na to, aby sa mohla uskutočniť vo vsádzkovom reaktore.

Prehľad dávkového reaktora

Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s hovoreným jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.

Prípady použitia

Záver

V konečnom dôsledku je vsádzkový reaktor dôležitým nástrojom pre chemických inžinierov v mnohých rôznych oblastiach.

Umožňuje vám veľmi presne kontrolovať podmienky reakcie, čo je dôležité pre výrobu konzistentných a vysokokvalitných produktov.

Ale aj keď je vsádzkový reaktor skvelý kus technológie, nie je liekom na všetko.

Nedá sa použiť na každý druh reakcie, pretože má nejaké nedostatky.

Našou úlohou ako inžinierov je neustále prichádzať s novými nápadmi a skúšať nové technológie, ktoré nám môžu pomôcť obísť tieto problémy a uľahčiť výrobu zložitých chemických produktov.

Môžeme urobiť lepšiu budúcnosť pre seba a planétu, ak posunieme hranice toho, čo je možné.

Hľadajme teda a skúšajme nové veci, aby sme našli lepšie, efektívnejšie a dlhodobejšie riešenia.

Odkazy a referencie

Mole zostatky:

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

Reaktory v procesnom inžinierstve:

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