Hyrje Në Reaktorët E Grupit: Bazat Dhe Aplikimet

A keni menduar ndonjëherë se si ndodhin reaksionet kimike që bëjnë gjëra të tilla si ilaçet dhe karburantet?

Ju e dini që këto reagime nuk ndodhin vetëm sepse ju jeni student apo inxhinier i inxhinierisë.

Ata kanë nevojë për kushte të sakta, sasi të matura të reaktantëve dhe katalizatorëve dhe llojin e duhur të reaktorit.

Reaktori i grupit ndihmon me këtë.

Reaktori i grupit është një mjet i rëndësishëm për çdo inxhinier kimik, sepse ai mund të trajtojë një gamë të gjerë reaksionesh dhe kushtet e atyre reaksioneve mund të kontrollohen me shumë saktësi.

Në këtë artikull, unë do të hyj në detaje rreth reaktorëve të grupeve, duke folur për pjesët, përfitimet dhe përdorimet e tyre.

Pavarësisht nëse jeni një inxhinier me përvojë ose sapo po filloni, ky artikull do t'ju japë informacionin që ju nevojitet për të kuptuar reaktorët e grupeve dhe sa të rëndësishëm janë ata në botën e inxhinierisë kimike.

Hyrje në Reaktorët Batch

Përkufizimi zyrtar:

Një reaktor kimik në të cilin reaktantët dhe katalizatori futen në sasitë e dëshiruara dhe ena mbyllet më pas për dërgimin e materialit shtesë.

Reaktorët e grupit janë makineri fleksibël që mund të përdoren për shumë operacione të ndryshme të procesit.

Disa nga gjërat më të zakonshme që bëjnë reaktorët e grupeve janë:

Lëndët e ngurta mund të treten në lëngje me ndihmën e reaktorëve të grupit.

Lëndët e ngurta dhe tretësi futen në reaktor dhe përzierja përzihet derisa të treten të gjitha lëndët e ngurta.

• Përzierja e produkteve: Reaktorët e grupeve përdoren për të përzier së bashku produkte të ndryshme për të bërë përzierjen që dëshironi.

Kjo mund të jetë e dobishme në industrinë e ushqimit dhe pijeve, ku përbërës të ndryshëm përzihen për të bërë një produkt të caktuar.

• Reaksionet kimike: Shumica e reaksioneve kimike kryhen në reaktorë të grupeve.

Pas shtimit të reaktantëve në reaktor, përzierja lihet të reagojë për një kohë të caktuar.

Në fund të grupit, sendet më pas nxirren jashtë.

• Distilimi i serisë: Reaktorët e grupit mund të përdoren gjithashtu për distilim grupor, i cili është një mënyrë për të ndarë pjesët e një përzierjeje bazuar në pikat e tyre të vlimit.

Avantazhet dhe disavantazhet e reaktorëve të grupit

Reaktorët e grupeve kanë një sërë përfitimesh, të tilla si:

Reaktorët e grupeve janë të gjithanshëm, sepse ata mund të bëjnë më shumë se një gjë në një enë të vetme pa thyer kufizimin.

Reaktorët e grupeve mund të prodhojnë produkte të ndryshme në të njëjtin reaktor sepse ato mund të përdoren për më shumë se një gjë.

• Konvertime të larta: Reagentët mund të qëndrojnë në reaktor për një kohë të gjatë, gjë që çon në konvertime të larta.
• Lehtësia e krijimit dhe ndryshimit: Reaktorët e grupit janë mjaft të lehtë për t'u bërë dhe ndryshuar.

Por reaktorët e grupeve kanë gjithashtu disa probleme, si p.sh.

• Përzierja e pasme: Përzierja e pasme ndodh kur materiali nuk hiqet derisa të përfundojë reagimi.

Kjo shkurton jetën e katalizatorit dhe shkakton shumë mbeturina.

• Sasi të kufizuara: Reaktorët e grupeve nuk janë mënyra më e mirë për të prodhuar shumë produkte menjëherë.
• Ndryshueshmëria e produkteve: Produktet e prodhuara nga reaktorët e grupeve mund të jenë të ndryshme nga një grup në tjetrin.
• Vështirësitë me prodhimin në shkallë të gjerë: Reaktorët e grupeve nuk janë të mirë për të bërë shumë gjëra në të njëjtën kohë.
• I kushtueshëm për t'u përdorur: Reaktorët e grupeve duhet të ndizen dhe fiken shpesh, gjë që i bën ata të kushtueshëm funksionimin.

Karakteristikat e projektimit të reaktorëve të grupit

Reaktorët e grupit bëhen me disa pjesë të ngjashme, si p.sh.

• Portet për injektimin e reaktantëve dhe heqjen e produkteve: Reaktorët e grupit kanë porte për injektimin e reaktantëve dhe heqjen e produkteve.
• Shkëmbyesi i nxehtësisë ose sistemi i trazimit: Një shkëmbyes nxehtësie ose një sistem trazues mund të shtohet në një reaktor grumbull.
• Vëllimi konstant: Reaktorët e grupit zakonisht kanë një vëllim konstant, por disa janë bërë në mënyrë që vëllimi të mund të ndryshohet për të mbajtur një presion konstant.

Me pak fjalë, reaktorët e grupeve janë kontejnerë të thjeshtë që përdoren në industritë e procesit për një gamë të gjerë detyrash.

Ato janë të gjithanshme, mund të përdoren për më shumë se një gjë, kanë norma të larta konvertimi dhe janë të lehta për t'u bërë dhe ndryshuar.

Por kanë edhe disa probleme, si p.sh. Përzjerje, sasi të kufizuara, produkte të ndryshme, vështirësi për të bërë shumë prej tyre, jetë e shkurtër për katalizatorin dhe mbeturina.

Reaktorët e grupeve përdoren shpesh për punë në shkallë të vogël, për testimin e metodave të reja dhe prodhimin e mallrave të shtrenjta.

Ato përdoren gjithashtu shpesh në laboratorë për prodhim në shkallë të vogël dhe për të filluar procesin e fermentimit për pije.

Përqafimi i paparashikueshmërisë: Eksitimi dhe rreziqet e reaktorëve të grupeve

Ende e vështirë për t'u kuptuar? Më lejoni të ndryshoj pak këndvështrimin:

Kimistë, ju lutemi kushtoni vëmendje! Dëshironi që puna juaj të jetë më interesante? Jeni të lodhur nga të njëjtat gjëra që ndodhin vazhdimisht? Reaktori i grupit është gjithçka që ju nevojitet.

Reaktori i grupit është i përsosur për kaos, paparashikueshmëri dhe ndoshta edhe pak eksitim sepse mund të shtoni reaktantë dhe katalizatorë në sasitë që dëshironi dhe më pas mbyllni enën për të ndaluar hyrjen e më shumë materialeve.

Kush kujdeset për kontrollin dhe qëndrueshmërinë? Pranoni faktin që reaktori i grupit është i vështirë të parashikohet dhe shikoni se ku ju çon.

Mirë, kjo ishte vetëm një shaka e bërë për t'u dukur si një reklamë televizive.

Tani le të kthehemi te shpjegimi.

Përbërësit e Reaktorëve Batch

Reaktorët e grupeve janë enë që përdoren në industritë e procesit për të bërë gjëra të tilla si shpërbërja e lëndëve të ngurta, përzierja e produkteve, kryerja e reaksioneve kimike dhe distilimi në tufa.

Ena e reaktorit, mediumi i reagimit, hapësira kryesore dhe një nxitës janë katër pjesët kryesore.

Anija e reaktorit

Pjesa kryesore e një reaktori grupor është ena e reaktorit, e cila shpesh është bërë prej çeliku, çeliku inox, çeliku i veshur me xham, qelqi ose një aliazh ekzotik.

Mund të jetë më i vogël se 1 litër ose më i madh se 15,000 litra.

Shumicën e kohës, lëngjet dhe lëndët e ngurta futen në reaktor përmes vrimave në kapakun e sipërm.

Avujt dhe gazrat dalin nga vrimat në pjesën e sipërme, dhe lëngjet dalin nga vrimat në fund.

Mjeti i reagimit

Gjëja në të cilën zhvillohet reaksioni quhet mjedis i reaksionit.

Në varësi të llojit të reaksionit që bëhet, ai mund të jetë në një fazë të gazit, në një fazë të lëngshme ose në një fazë të lëngshme-ngurtë.

Hapësira e kokës

Headspace është hapësira boshe mbi medium.

I jep hapësirë ​​gazit ose avullit që krijohet gjatë reaksionit.

Agjitator

Përzierësi nevojitet për të përzier pjesët e ndryshme dhe për të shtuar ose hequr nxehtësinë nga reaksioni.

Në varësi të llojit të reaksionit, ai mund të bëhet me shtytës të rrjedhës boshtore ose shtytës të rrjedhës radiale për të siguruar lloje të ndryshme përzierjeje.

Përparësitë dhe Sfidat e Reaktorëve Batch

Një nga gjërat më të mira për reaktorët e grupeve është se sa fleksibël janë ata.

Një anije e vetme mund të kryejë një sërë detyrash të ndryshme pa thyer kontrollin.

Kjo është e dobishme kur punoni me materiale toksike, sepse ul rrezikun që punëtorët të lëndohen.

Por reaktorët e grupit kanë disa probleme, si përzierja e pasme, e cila mund ta bëjë cilësinë e produktit të keq, sepse reaktantët nuk shpërndahen në mënyrë të barabartë në enë.

Projektimi dhe përmasimi i reaktorëve të grupit

Disa gjëra duhet të merren parasysh gjatë projektimit dhe përcaktimit të madhësisë së një reaktori grupor për një reagim të caktuar.

Këto përfshijnë kinetikën e reaksionit, transferimin e nxehtësisë, transferimin e masës, përzierjen dhe sjelljen fazore.

Dizajni duhet të sigurohet që reaktori mund të kryejë reaksionin në mënyrë të sigurt dhe efikase, të përmbushë specifikimet për produktin dhe të mbajë kostot e prodhimit sa më të ulëta të jetë e mundur.

Shumicën e kohës, të zbulosh madhësinë e një reaktori grupor do të thotë të zbulosh vëllimin e reaktorit të nevojshëm për të kthyer reaktantët në një mënyrë të caktuar dhe për të lejuar përzierjen dhe transferimin e mjaftueshëm të nxehtësisë.

Për të marrë performancën më të mirë nga reaktori, procesi i projektimit dhe madhësisë mund të përfshijë eksperimente, simulime dhe modele.

Në një reaktor grumbull, koha që duhet për të arritur një nivel të caktuar konvertimi varet nga sa shpejt po ecën reagimi dhe sa konvertim dëshironi.

Pra, për të kuptuar vëllimin e duhur të reaktorit të grupit për një reagim të caktuar, duhet të mendoni për gjëra të tilla si shpejtësia e reaksionit, përqendrimet fillestare të reaktantëve, niveli i konvertimit që dëshironi dhe sasia e kohës së reaktorit. Do të vrapojë.

Ky informacion mund të përdoret për të përcaktuar madhësinë e duhur për një reaktor grumbull duke llogaritur parametra si konstantet e shpejtësisë së reagimit dhe koeficientët stoikiometrikë.

Ndryshe nga CSTR dhe PFR, të cilat mund të përpunojnë sasi të mëdha reaktantësh vazhdimisht me kalimin e kohës, reaktorët e grupit mund të trajtojnë vetëm një numër të caktuar reaktantësh menjëherë.

Pra, një reaktor grumbull mund të mos jetë në gjendje të trajtojë të njëjtën sasi të specieve A në ditë si një reaktor me rrjedhje të vazhdueshme.

Por reaktorët e grupeve janë ende të dobishëm për operacione në shkallë të vogël, duke testuar procese të reja që ende nuk janë zhvilluar plotësisht dhe duke prodhuar produkte të shtrenjta.

Me pak fjalë, reaktorët e grupit kanë disa pjesë të rëndësishme, të tilla si ena e reaktorit, mediumi i reagimit, hapësira kryesore dhe përzierësi.

Ata kanë përfitime si të qenit fleksibël dhe të aftë për t'u përdorur për më shumë se një gjë, por gjithashtu kanë probleme si përzierja.

Për të projektuar dhe përmasuar një reaktor grumbull për një reagim të caktuar, duhet të mendoni për gjëra të tilla si kinetika e reagimit, transferimi i nxehtësisë, transferimi i masës, përzierja dhe sjellja fazore.

Llogaritjet në Reaktorët Batch

Ekuacioni i bilancit të nishanit dhe reaksioni i serisë

Për një reaktor grupor me një reaksion serik, duhet të përdorim ekuacionin e balancës së moleve për të kuptuar se sa një substancë është në reaktor.

Ekuacioni i bilancit të molit përdoret për të kuptuar se sa shpejt po ndryshon sasia e secilit mol në reaktor.

Ekuacioni i bilancit të moleve për një reaktor grumbull është:

dN_i/dt = r_i*V

ku N_i është numri i moleve të specieve i, t është koha, r_i është shpejtësia e reaksionit për specien i, dhe V është vëllimi i reaktorit.

Sa herë që duam të dimë se sa nga secila specie është në një reaktor grumbull gjatë një reaksioni serik, mund të përdorim këtë ekuacion.

Përmasimi i një reaktori të saponifikimit të grupit për procesin e nxehtë

Saponifikimi është një proces kimik që i kthen yndyrat dhe lythin në sapun.

Për procesin e nxehtë të saponifikimit, përdoret një reaktor grumbull.

Për procesin e nxehtë, madhësia e reaktorit të saponifikimit të serisë do të varet nga sa sapun duhet të bëhet dhe çfarë lloj sapuni po bëhet.

Përveç madhësisë së reaktorit, zona e sipërfaqes së reaktorit gjithashtu mund të ndryshojë shpejtësinë e ndodhjes së reagimit.

Nëse përdorni një reaktor me grila ose një me një raport më të lartë të pamjes, mund ta bëni sipërfaqen më të madhe.

Për procesin e saponifikimit të nxehtë, temperatura e reaktorit duhet të mbahet midis 70°C dhe 85°C.

Sa kohë zgjat reagimi varet nga sa sapun dëshironi të bëni.

Mund të zgjasë diku nga disa orë deri në disa ditë.

Një reaktor grumbull mund të përdoret për të studiuar kinetikën e saponifikimit.

Duke përdorur një reaktor grumbull me nxitje magnetike dhe një xhaketë xhami, studentët mund të kuptojnë konstantet e shpejtësisë së një reaksioni të rendit të dytë në temperatura të ndryshme.

Reaksioni i saponifikimit mund të përdoret gjithashtu për të kuptuar konvertimin e reaksionit në një reaktor tubular me shtrat të mbushur.

Testimi dhe Optimizimi në Reaktorët Batch

Kryerja e testeve të reaktorit në grup me lëndë të ngurta

Kur bëni një test të reaktorit të grupit me një lëndë të ngurtë, reaktantët e ngurtë dhe të lëngshëm zakonisht përzihen në një enë me një nxitës.

Më pas përzierja lihet të reagojë për një kohë të caktuar.

Pas kësaj, trupi i ngurtë zakonisht ndahet nga lëngu me filtrim ose centrifugim.

Më pas, për të zbuluar se sa larg shkoi reaksioni, matet përqendrimi i specieve me interes në fazën e lëngshme.

Kur planifikoni një test të reaktorit grumbull me një lëndë të ngurtë, duhet të mendoni gjithashtu për madhësinë e grimcave të ngurtës, përqendrimin fillestar të reaktantëve dhe nivelin e konvertimit që dëshironi.

Testi i reaktorit me grup të modifikuar laboratorik

Biodegradimi i komponimeve organike të paqëndrueshme në llumin e aktivizuar është testuar në një reaktor grumbull në laborator.

Testi është ndryshuar për të përfshirë fibrat e mikroekstraktimit të fazës së ngurtë (SPME) për marrjen e mostrave në fazën e gazit.

Kjo eliminon nevojën për një tub tërheqjeje dhe e bën më të lehtë përdorimin me lëndë të ngurta.

Sistemet e reaktorëve të grupit të sekuencës (SBR).

Një reaktor grupor i sekuencës (SBR) është një sistem llumi i aktivizuar që trajton ujërat e zeza duke u mbushur dhe më pas kulluar.

Në këtë sistem, ujërat e zeza futen në një reaktor të vetëm.

Dy ose më shumë reaktorë gruporë përdoren në një rend të caktuar për të marrë performancën më të mirë nga sistemi.

Sistemet SBR janë përdorur për trajtimin e ujërave të zeza si nga qytetet ashtu edhe nga fabrikat.

Ekuacioni i bilancit të materialit

Ekuacioni i bilancit të materialit mund të përdoret për të kuptuar se çfarë po ndodh në reaktorët e grupit kur ndodhin reaksionet kimike.

Për shembull, ekuacioni d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV mund të përdoret për reaktorët e grupit të trazuar mirë sepse integralët janë të thjeshtë për t'u vlerësuar për shkak të përzierjes së mirë brenda reaktorit.

Reaktorë gjysmë-batch

Reaktorët gjysmë-batch kanë veçori si të reaktorëve të grupit ashtu edhe të reaktorëve me rezervuar të trazuar që funksionojnë gjatë gjithë kohës (CSTR).

Ata mund të shtojnë ushqim ndërsa reaksioni është duke vazhduar, si CSTR-të, por ato janë të mbushura me reaktant në fillim, si reaktorët e grupit.

Shumicën e kohës, reaktorët gjysmë-batch përdoren kur një reaksion duhet të shtojë ngadalë një reagent ose kur reaksioni është shumë i nxehtë për t'u bërë në një reaktor grumbull.

Përmbledhje e reaktorit të grupit

Këshillë: Aktivizoni butonin e titrave nëse ju nevojitet. Zgjidhni "përkthim automatik" në butonin e cilësimeve, nëse nuk jeni të njohur me gjuhën e folur. Mund t'ju duhet së pari të klikoni në gjuhën e videos përpara se gjuha juaj e preferuar të bëhet e disponueshme për përkthim.

Raste te perdorimit

konkluzioni

Në fund, reaktori i grupit është një mjet i rëndësishëm për inxhinierët kimikë në shumë fusha të ndryshme.

Kjo ju lejon të kontrolloni kushtet e një reagimi me shumë saktësi, gjë që është e rëndësishme për të bërë produkte të qëndrueshme dhe me cilësi të lartë.

Por edhe pse reaktori i grupit është një pjesë e shkëlqyer e teknologjisë, ai nuk është një kurë për të gjitha.

Nuk mund të përdoret për çdo lloj reagimi sepse ka disa të meta.

Si inxhinierë, është detyra jonë të vazhdojmë të nxjerrim ide të reja dhe të provojmë teknologji të reja që mund të na ndihmojnë t'i kapërcejmë këto probleme dhe ta bëjmë më të lehtë prodhimin e produkteve kimike komplekse.

Ne mund të bëjmë një të ardhme më të mirë për veten dhe planetin nëse i shtyjmë kufijtë e asaj që është e mundur.

Pra, le të vazhdojmë të kërkojmë dhe të provojmë gjëra të reja për të gjetur zgjidhje më të mira, më efikase dhe më afatgjata.

Lidhjet dhe referencat

Balancat e nishanit:

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

Reaktorët në Inxhinierinë e Procesit:

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