Uvod V Šaržne Reaktorje: Osnove In Aplikacije

Ste kdaj razmišljali o tem, kako potekajo kemične reakcije, ki povzročijo stvari, kot so zdravila in gorivo?

Veste, da se te reakcije ne zgodijo same od sebe, ker ste študent strojništva ali inženir.

Potrebujejo natančne pogoje, natančno odmerjene količine reaktantov in katalizatorjev ter pravo vrsto reaktorja.

Pri tem pomaga šaržni reaktor.

Šaržni reaktor je pomembno orodje za vsakega kemijskega inženirja, saj lahko izvaja širok spekter reakcij in pogoje teh reakcij je mogoče nadzirati zelo natančno.

V tem članku bom podrobno obravnaval šaržne reaktorje, govoril o njihovih delih, prednostih in uporabi.

Ne glede na to, ali ste izkušen inženir ali šele začenjate, vam bo ta članek dal informacije, ki jih potrebujete za razumevanje šaržnih reaktorjev in njihovega pomena v svetu kemijskega inženirstva.

Uvod v šaržne reaktorje

Formalna opredelitev:

Kemični reaktor, v katerega se vnesejo reaktanti in katalizator v želenih količinah, posoda pa se nato zapre za dovod dodatnega materiala.

Šaržni reaktorji so prilagodljivi stroji, ki jih je mogoče uporabiti za številne različne procesne operacije.

Nekaj ​​najpogostejših stvari, ki jih šaržni reaktorji počnejo, je:

Trdne snovi je mogoče raztopiti v tekočinah s pomočjo šaržnih reaktorjev.

Trdne snovi in ​​topilo damo v reaktor in zmes mešamo, dokler se vse trdne snovi ne raztopijo.

• Mešanje produktov: Šaržni reaktorji se uporabljajo za mešanje različnih produktov, da dobimo želeno mešanico.

To je lahko uporabno v industriji hrane in pijače, kjer se mešajo različne sestavine za izdelavo določenega izdelka.

• Kemijske reakcije: večina kemičnih reakcij poteka v šaržnih reaktorjih.

Po dodajanju reaktantov v reaktor zmes pustimo reagirati določen čas.

Na koncu serije se predmeti nato vzamejo ven.

• Šaržna destilacija: Šaržne reaktorje je mogoče uporabiti tudi za šaržno destilacijo, kar je način za ločevanje delov mešanice na podlagi njihovih vrelišč.

Prednosti in slabosti šaržnih reaktorjev

Šaržni reaktorji imajo številne prednosti, kot so:

Šaržni reaktorji so vsestranski, saj lahko naredijo več kot eno stvar v eni sami posodi, ne da bi porušili zadrževalni hram.

Šaržni reaktorji lahko izdelujejo različne izdelke v istem reaktorju, ker jih je mogoče uporabiti za več kot eno stvar.

• Visoke konverzije: reagenti lahko ostanejo v reaktorju dolgo časa, kar vodi do visokih konverzij.
• Enostavnost izdelave in spreminjanja: Šaržne reaktorje je precej enostavno narediti in spremeniti.

Toda šaržni reaktorji imajo tudi nekaj težav, kot so:

• Povratno mešanje: Povratno mešanje se zgodi, ko materiala ne vzamemo ven, dokler se reakcija ne konča.

To skrajša življenjsko dobo katalizatorja in povzroči veliko odpadkov.

• Omejene količine: Šaržni reaktorji niso najboljši način za izdelavo velike količine izdelka naenkrat.
• Variabilnost izdelkov: Izdelki, izdelani v šaržnih reaktorjih, se lahko razlikujejo od ene serije do druge.
• Težave z velikoserijsko proizvodnjo: šaržni reaktorji niso dobri za izdelavo veliko stvari hkrati.
• Drago delovanje: Šaržne reaktorje je treba pogosto vklopiti in izklopiti, zaradi česar je njihovo delovanje drago.

Konstrukcijske značilnosti šaržnih reaktorjev

Šaržni reaktorji so izdelani iz nekaterih podobnih delov, kot so:

• Vrata za vbrizgavanje reaktantov in odstranjevanje produktov: Šaržni reaktorji imajo odprtine za vbrizgavanje reaktantov in odstranjevanje produktov.
• Toplotni izmenjevalnik ali mešalni sistem: Šaržnemu reaktorju je mogoče dodati toplotni izmenjevalnik ali mešalni sistem.
• Konstantna prostornina: Šaržni reaktorji imajo običajno konstantno prostornino, nekateri pa so narejeni tako, da se lahko prostornina spreminja, da se ohrani stalen tlak.

Skratka, šaržni reaktorji so preprosti vsebniki, ki se uporabljajo v procesni industriji za širok spekter nalog.

So vsestranski, uporabljajo se lahko za več kot eno stvar, imajo visoko stopnjo konverzije in jih je enostavno narediti in spremeniti.

Imajo pa tudi nekaj težav, kot so povratno mešanje, omejene količine, različni izdelki, težave pri izdelavi velike količine, kratka življenjska doba katalizatorja in odpadki.

Šaržni reaktorji se pogosto uporabljajo za manjša dela, preizkušanje novih metod in izdelavo dragega blaga.

Pogosto se uporabljajo tudi v laboratorijih za proizvodnjo v majhnem obsegu in za začetek procesa fermentacije pijač.

Sprejemanje nepredvidljivosti: navdušenje in tveganja šaržnih reaktorjev

Še vedno težko razumeti? Naj malo spremenim pogled:

Kemiki, prosim za pozornost! Želite, da bi bilo vaše delo bolj zanimivo? Ste naveličani ponavljajočih se istih stvari? Šaržni reaktor je vse, kar potrebujete.

Šaržni reaktor je popoln za kaos, nepredvidljivost in morda celo malo vznemirjenja, saj lahko dodate reaktante in katalizatorje v želenih količinah in nato zaprete posodo, da preprečite vstop novih materialov.

Koga skrbita nadzor in doslednost? Sprejmite dejstvo, da je šaržni reaktor težko predvideti, in poglejte, kam vas pripelje.

V redu, to je bila samo šala, ki je izgledala kot TV oglas.

Zdaj pa se vrnimo k razlagi.

Sestavni deli šaržnih reaktorjev

Šaržni reaktorji so posode, ki se uporabljajo v procesni industriji za raztapljanje trdnih snovi, mešanje produktov, izvajanje kemičnih reakcij in destilacijo v serijah.

Reaktorska posoda, reakcijski medij, zgornji prostor in mešalo so štirje glavni deli.

Reaktorska posoda

Glavni del šaržnega reaktorja je reaktorska posoda, ki je pogosto izdelana iz jekla, nerjavečega jekla, jekla s stekleno oblogo, stekla ali eksotične zlitine.

Lahko je manjši od 1 litra ali večji od 15.000 litrov.

Večino časa se tekočine in trdne snovi vnesejo v reaktor skozi luknje v zgornjem pokrovu.

Hlapi in plini izhajajo iz lukenj na vrhu, tekočine pa iz lukenj na dnu.

Reakcijska srednja

Stvar, v kateri poteka reakcija, se imenuje reakcijski medij.

Odvisno od vrste reakcije, ki se izvaja, je lahko v plinski fazi, tekoči fazi ali tekoče-trdni fazi.

Headspace

Headspace je prazen prostor nad medijem.

Omogoča prostor za plin ali paro, ki nastane med reakcijo.

Mešalo

Mešalo je potrebno za mešanje različnih delov in dodajanje ali odvzemanje toplote reakciji.

Odvisno od vrste reakcije je lahko izdelan z aksialnimi tekači ali radialnimi tekači, da se zagotovijo različne vrste mešanja.

Prednosti in izzivi šaržnih reaktorjev

Ena najboljših stvari pri šaržnih reaktorjih je njihova prilagodljivost.

Posamezno plovilo lahko opravi vrsto različnih nalog, ne da bi porušilo zadrževalni sistem.

To je koristno pri delu s strupenimi materiali, saj zmanjša tveganje za poškodbe delavcev.

Vendar imajo šaržni reaktorji nekaj težav, kot je povratno mešanje, zaradi česar je lahko kakovost izdelka slaba, ker reaktanti niso enakomerno razporejeni v posodi.

Načrtovanje in dimenzioniranje šaržnih reaktorjev

Pri načrtovanju in dimenzioniranju šaržnega reaktorja za določeno reakcijo je treba upoštevati več stvari.

Ti vključujejo kinetiko reakcije, prenos toplote, prenos mase, mešanje in fazno obnašanje.

Zasnova mora zagotavljati, da lahko reaktor varno in učinkovito izvaja reakcijo, izpolnjuje specifikacije za izdelek in ohranja proizvodne stroške čim nižje.

Ugotavljanje velikosti šaržnega reaktorja večinoma pomeni ugotavljanje prostornine reaktorja, potrebnega za pretvorbo reaktantov na določen način in omogočanje zadostnega mešanja in prenosa toplote.

Da bi dosegli najboljše rezultate iz reaktorja, lahko postopek načrtovanja in dimenzioniranja vključuje poskuse, simulacije in modele.

V šaržnem reaktorju je čas, potreben za dosego določene stopnje pretvorbe, odvisen od tega, kako hitro poteka reakcija in koliko pretvorbe želite.

Da bi torej ugotovili pravo prostornino šaržnega reaktorja za določeno reakcijo, bi morali razmišljati o stvareh, kot so hitrost reakcije, začetne koncentracije reaktantov, stopnja pretvorbe, ki jo želite, in čas, ko je reaktor bo tekel.

Te informacije bi lahko uporabili za določitev prave velikosti šaržnega reaktorja z izračunom parametrov, kot so konstante hitrosti reakcije in stehiometrični koeficienti.

V nasprotju s CSTR in PFR, ki lahko neprekinjeno obdelujejo velike količine reaktantov skozi čas, šaržni reaktorji lahko obdelajo le določeno število reaktantov hkrati.

Zato šaržni reaktor morda ne bo mogel obdelati enake količine vrste A na dan kot reaktor z neprekinjenim pretokom.

Toda šaržni reaktorji so še vedno uporabni za operacije v majhnem obsegu, testiranje novih procesov, ki še niso v celoti razviti, in izdelavo dragih izdelkov.

Skratka, šaržni reaktorji imajo več pomembnih delov, kot so reaktorska posoda, reakcijski medij, zgornji prostor in mešalo.

Imajo prednosti, kot je prilagodljivost in možnost uporabe za več kot eno stvar, vendar imajo tudi težave, kot je povratno mešanje.

Če želite načrtovati in dimenzionirati šaržni reaktor za določeno reakcijo, morate razmišljati o stvareh, kot so reakcijska kinetika, prenos toplote, prenos mase, mešanje in fazno obnašanje.

Izračuni v šaržnih reaktorjih

Enačba molske bilance in reakcija serije

Za šaržni reaktor s serijsko reakcijo moramo uporabiti enačbo molskega ravnovesja, da ugotovimo, koliko snovi je v reaktorju.

Enačba molskega ravnotežja se uporablja za ugotavljanje, kako hitro se spreminja količina vsakega mola v reaktorju.

Enačba molske bilance za šaržni reaktor je:

dN_i/dt = r_i*V

kjer je N_i število molov vrste i, t je čas, r_i je hitrost reakcije za vrsto i in V je prostornina reaktorja.

Kadarkoli želimo vedeti, koliko posamezne vrste je v šaržnem reaktorju med serijsko reakcijo, lahko uporabimo to enačbo.

Dimenzioniranje šaržnega saponifikacijskega reaktorja za vroč postopek

Saponifikacija je kemični proces, ki spremeni maščobe in lug v milo.

Za vroč proces umiljenja se uporablja šaržni reaktor.

Pri vročem postopku bo velikost šaržnega reaktorja za umiljenje odvisna od tega, koliko mila je treba narediti in kakšno milo se izdeluje.

Poleg velikosti reaktorja lahko tudi površina reaktorske površine spremeni hitrost reakcije.

Če uporabljate reaktor z loputami ali takega z večjim razmerjem stranic, lahko povečate površino.

Za postopek vročega umiljenja mora biti temperatura reaktorja med 70 °C in 85 °C.

Kako dolgo traja reakcija, je odvisno od tega, koliko mila želite narediti.

Lahko traja od nekaj ur do nekaj dni.

Šaržni reaktor se lahko uporablja za preučevanje kinetike umiljenja.

Z uporabo šaržnega reaktorja z magnetnim mešanjem in steklenim plaščem lahko učenci ugotovijo konstante hitrosti reakcije drugega reda pri različnih temperaturah.

Reakcijo umiljenja lahko uporabimo tudi za odkrivanje pretvorbe reakcije v cevnem reaktorju s polno plastjo.

Testiranje in optimizacija šaržnih reaktorjev

Izvajanje šaržnih reaktorskih testov s trdnimi snovmi

Pri preskusu šaržnega reaktorja s trdno snovjo se trdni in tekoči reaktanti običajno zmešajo v posodi z mešalom.

Zmes nato pustimo reagirati določen čas.

Po tem se trdna snov običajno loči od tekočine s filtracijo ali centrifugiranjem.

Da bi nato ugotovili, kako daleč je šla reakcija, se izmeri koncentracija zanimivih vrst v tekoči fazi.

Ko načrtujete preskus šaržnega reaktorja s trdno snovjo, morate razmišljati tudi o velikosti delcev trdne snovi, začetni koncentraciji reaktantov in ravni pretvorbe, ki jo želite.

Modificiran laboratorijski šaržni reaktorski test

Biorazgradnja hlapnih organskih spojin v aktivnem blatu je bila testirana v šaržnem reaktorju v laboratoriju.

Preskus je bil spremenjen tako, da vključuje vlakna za mikroekstrakcijo v trdni fazi (SPME) za vzorčenje v plinski fazi.

To odpravlja potrebo po vlečni cevi in ​​olajša uporabo s trdnimi snovmi.

Sistemi sekvenčnega šaržnega reaktorja (SBR).

Sekvenčni šaržni reaktor (SBR) je sistem z aktivnim blatom, ki čisti odpadno vodo tako, da se napolni in nato izpusti.

V tem sistemu se odpadna voda vnese v en šaržni reaktor.

Dva ali več šaržnih reaktorjev se uporabljata v določenem vrstnem redu, da se doseže najboljša učinkovitost sistema.

Sistemi SBR so bili uporabljeni za čiščenje odpadne vode iz mest in tovarn.

Enačba materialne bilance

Enačbo materialne bilance lahko uporabimo, da ugotovimo, kaj se dogaja v šaržnih reaktorjih, ko pride do kemičnih reakcij.

Na primer, enačba d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV se lahko uporablja za šaržne reaktorje z dobrim mešanjem, ker je integrale enostavno oceniti zaradi dobrega mešanja v reaktorju.

Polšaržni reaktorji

Polšaržni reaktorji imajo značilnosti šaržnih reaktorjev in reaktorjev z mešalno posodo, ki delujejo ves čas (CSTR).

Lahko dodajajo krmo med potekom reakcije, kot CSTR, vendar so napolnjeni z reaktantom na začetku, kot šaržni reaktorji.

Polšaržni reaktorji se večinoma uporabljajo, ko je treba reakciji počasi dodajati en reagent ali ko je reakcija prevroča, da bi jo lahko izvajali v šaržnem reaktorju.

Pregled šaržnega reaktorja

Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če govorjenega jezika niste seznanjeni. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.

Primeri uporabe

Zaključek

Na koncu je šaržni reaktor pomembno orodje za kemijske inženirje na številnih različnih področjih.

Omogoča vam zelo natančen nadzor pogojev reakcije, kar je pomembno za izdelavo konsistentnih visokokakovostnih izdelkov.

A čeprav je šaržni reaktor odličen kos tehnologije, ni zdravilo za vse.

Ni ga mogoče uporabiti za vse vrste reakcij, ker ima nekaj pomanjkljivosti.

Kot inženirji je naša naloga, da vedno znova ustvarjamo nove ideje in preizkušamo nove tehnologije, ki nam lahko pomagajo premagati te težave in olajšajo izdelavo zapletenih kemičnih izdelkov.

Zase in za planet lahko ustvarimo boljšo prihodnost, če premaknemo meje možnega.

Zato še naprej iščimo in preizkušajmo nove stvari, da bi našli boljše, učinkovitejše in dolgoročnejše rešitve.

Povezave in reference

Ravnovesja molov:

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

Reaktorji v procesnem inženirstvu:

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