Введення В Реактори Періодичної Дії: Основи Та Застосування

Ви коли-небудь замислювалися над тим, як відбуваються хімічні реакції, що створюють такі речі, як ліки та паливо?

Ви знаєте, що ці реакції не виникають самі по собі, тому що ви студент або інженер.

Їм потрібні точні умови, ретельно відміряна кількість реагентів і каталізаторів і правильний тип реактора.

У цьому допомагає реактор періодичної дії.

Реактор періодичної дії є важливим інструментом для будь-якого інженера-хіміка, оскільки він може обробляти широкий діапазон реакцій, а умови цих реакцій можна дуже точно контролювати.

У цій статті я детально розповім про реактори періодичної дії, розповім про їхні частини, переваги та використання.

Незалежно від того, чи ви досвідчений інженер, чи тільки починаєте, ця стаття дасть вам інформацію, яка вам потрібна, щоб зрозуміти реактори періодичної дії та їх важливість у світі хімічної інженерії.

Введення в реактори періодичної дії

Формальне визначення:

Хімічний реактор, у який вводять реагенти та каталізатор у бажаних кількостях, а потім посудину закривають для доставки додаткового матеріалу.

Реактори періодичної дії є гнучкими машинами, які можна використовувати для багатьох різних технологічних операцій.

Деякі з найпоширеніших речей, які виконують реактори періодичної дії:

Тверді речовини можна розчиняти в рідинах за допомогою реакторів періодичної дії.

Тверді речовини та розчинник поміщають у реактор і суміш перемішують, поки всі тверді речовини не розчиняться.

• Змішування продуктів: реактори періодичної дії використовуються для змішування різних продуктів для отримання потрібної суміші.

Це може бути корисним у харчовій промисловості та виробництві напоїв, де різні інгредієнти змішуються для отримання певного продукту.

• Хімічні реакції. Більшість хімічних реакцій відбуваються в реакторах періодичної дії.

Після додавання реагентів у реактор суміш залишають для реакції протягом заданого часу.

У кінці партії предмети виймаються.

• Періодична дистиляція: реактори періодичної дії також можна використовувати для періодичної дистиляції, яка є способом розділення частин суміші на основі їх температури кипіння.

Переваги та недоліки реакторів періодичної дії

Реактори періодичної дії мають низку переваг, таких як:

Реактори періодичної дії є універсальними, тому що вони можуть робити більше, ніж одну роботу в одній ємності, не порушуючи захисну оболонку.

Реактори періодичної дії можуть виробляти різні продукти в одному реакторі, оскільки їх можна використовувати для кількох речей.

• Висока конверсія: реагенти можуть залишатися в реакторі тривалий час, що призводить до високої конверсії.
• Простота виготовлення та зміни: реактори періодичної дії досить легко зробити та змінити.

Але реактори періодичної дії також мають деякі проблеми, наприклад:

• Зворотне змішування: Зворотне змішування відбувається, коли матеріал не виймається до завершення реакції.

Це скорочує термін служби каталізатора та створює багато відходів.

• Обмежена кількість: реактори періодичної дії – не найкращий спосіб виготовити велику кількість продукту одночасно.
• Варіативність продуктів: продукти, виготовлені в реакторах періодичної дії, можуть відрізнятися від однієї партії до іншої.
• Труднощі з великомасштабним виробництвом: реактори періодичної дії не підходять для виготовлення великої кількості речей одночасно.
• Витратна експлуатація: реактори періодичної дії потрібно часто вмикати та вимикати, що робить їх дорогою в експлуатації.

Конструктивні особливості реакторів періодичної дії

Реактори періодичної дії виготовляються з деяких подібних частин, таких як:

• Порти для введення реагентів і видалення продуктів: реактори періодичної дії мають отвори для введення реагентів і видалення продуктів.
• Теплообмінник або система перемішування: до реактора періодичної дії можна додати теплообмінник або систему перемішування.
• Постійний об’єм: реактори періодичної дії зазвичай мають постійний об’єм, але деякі зроблені так, що об’єм можна змінювати для підтримки постійного тиску.

Коротше кажучи, реактори періодичної дії - це прості контейнери, які використовуються в переробній промисловості для широкого спектру завдань.

Вони універсальні, їх можна використовувати для кількох цілей, мають високі коефіцієнти конверсії, їх легко робити та змінювати.

Але вони також мають деякі проблеми, такі як зворотне змішування, обмежена кількість, різні продукти, труднощі з виготовленням великої їх кількості, короткий термін служби каталізатора та відходи.

Реактори періодичної дії часто використовуються для невеликих робіт, тестування нових методів і виготовлення дорогих товарів.

Їх також часто використовують у лабораторіях для невеликого виробництва та для початку процесу бродіння напоїв.

Приймаючи непередбачуваність: хвилювання та ризики реакторів періодичної дії

Усе ще важко зрозуміти? Дозвольте трохи змінити точку зору:

Хіміки, зверніть увагу! Хочете, щоб ваша робота була цікавішою? Втомилися від того, що одне й те саме повторюється знову і знову? Реактор періодичної дії — це все, що вам потрібно.

Реактор періодичної дії ідеально підходить для хаосу, непередбачуваності та, можливо, навіть невеликого хвилювання, тому що ви можете додавати реагенти та каталізатори в потрібних кількостях, а потім закривати посудину, щоб більше матеріалів не надходило.

Хто дбає про контроль і послідовність? Прийміть той факт, що реактор періодичної дії важко передбачити, і подивіться, куди це вас приведе.

Гаразд, це був просто жарт, схожий на телевізійну рекламу.

Тепер повернемося до пояснення.

Компоненти реакторів періодичної дії

Реактори періодичної дії – це резервуари, які використовуються в переробній промисловості для розчинення твердих речовин, змішування продуктів, проведення хімічних реакцій і порційної дистиляції.

Корпус реактора, реакційне середовище, простір над водою та мішалка є чотирма основними частинами.

Корпус реактора

Основною частиною реактора періодичної дії є корпус реактора, який часто виготовляють зі сталі, нержавіючої сталі, покритої склом сталі, скла або екзотичного сплаву.

Він може бути меншим за 1 літр або більшим за 15 000 літрів.

У більшості випадків рідини та тверді речовини надходять у реактор через отвори у верхній кришці.

З отворів у верхній частині виходять пари та гази, а з нижньої — рідини.

Реакція Середня

Те, у чому відбувається реакція, називається реакційним середовищем.

Залежно від типу реакції, яка проводиться, вона може бути в газовій фазі, рідкій фазі або рідко-твердій фазі.

Головний простір

Головний простір — це порожній простір над носієм.

Це дає місце для газу або пари, які утворюються під час реакції.

Агітатор

Мішалка потрібна для змішування різних частин і додавання або відведення тепла від реакції.

Залежно від типу реакції, він може бути виготовлений з робочими колесами з осьовим потоком або з робочими колесами з радіальним потоком, щоб забезпечити різні типи змішування.

Переваги та проблеми реакторів періодичної дії

Однією з найкращих переваг реакторів періодичної дії є їх гнучкість.

Одне судно може виконувати серію різних завдань, не порушуючи захисної оболонки.

Це корисно під час роботи з токсичними матеріалами, оскільки знижує ризик травмування працівників.

Але реактори періодичної дії мають певні проблеми, як-от зворотне змішування, що може погіршити якість продукту, оскільки реагенти нерівномірно розподілені в посудині.

Проектування та визначення розмірів реакторів періодичної дії

При проектуванні та визначенні розмірів реактора періодичної дії для певної реакції необхідно враховувати кілька речей.

До них належать кінетика реакції, теплообмін, масообмін, перемішування та фазова поведінка.

Конструкція повинна гарантувати, що реактор може проводити реакцію безпечно та ефективно, відповідати специфікаціям продукту та підтримувати виробничі витрати якомога нижче.

У більшості випадків визначення розміру реактора періодичної дії означає визначення об’єму реактора, необхідного для перетворення реагентів певним чином і забезпечення достатнього змішування та теплопередачі.

Щоб отримати найкращу продуктивність реактора, процес проектування та визначення розмірів може включати експерименти, моделювання та моделі.

У реакторі періодичної дії час, потрібний для досягнення певного рівня конверсії, залежить від того, наскільки швидко йде реакція та скільки конверсії ви хочете.

Отже, щоб визначити правильний об’єм реактора періодичної дії для певної реакції, вам доведеться подумати про такі речі, як швидкість реакції, початкові концентрації реагентів, рівень конверсії, який ви хочете, і час, протягом якого реактор буде працювати.

Цю інформацію можна використати для визначення правильного розміру реактора періодичної дії шляхом розрахунку таких параметрів, як константи швидкості реакції та стехіометричні коефіцієнти.

На відміну від CSTR і PFR, які можуть обробляти великі кількості реагентів безперервно протягом тривалого часу, реактори періодичної дії можуть обробляти лише певну кількість реагентів одночасно.

Таким чином, реактор періодичної дії може бути не в змозі обробляти таку ж кількість виду А на день, як реактор безперервного потоку.

Але реактори періодичної дії все ще корисні для невеликих операцій, тестування нових процесів, які ще не повністю розроблені, і виготовлення дорогих продуктів.

Коротше кажучи, реактори періодичної дії мають кілька важливих частин, таких як резервуар реактора, реакційне середовище, простір над водою та мішалка.

Вони мають такі переваги, як гнучкість і можливість використовувати для кількох речей, але вони також мають проблеми, такі як зворотне мікшування.

Щоб спроектувати реактор періодичної дії для певної реакції та визначити його розміри, вам потрібно подумати про такі речі, як кінетика реакції, теплообмін, масообмін, змішування та фазова поведінка.

Розрахунки в реакторах періодичної дії

Рівняння мольного балансу та реакція серії

Для реактора періодичної дії з послідовною реакцією нам потрібно використовувати рівняння мольного балансу, щоб визначити, скільки речовини міститься в реакторі.

Рівняння мольного балансу використовується, щоб визначити, як швидко змінюється кількість кожного моля в реакторі.

Рівняння мольного балансу для реактора періодичної дії таке:

dN_i/dt = r_i*V

де N_i — кількість молей виду i, t — час, r_i — швидкість реакції для виду i, а V — об’єм реактора.

Щоразу, коли ми хочемо знати, скільки кожного виду міститься в реакторі періодичної дії під час послідовної реакції, ми можемо використовувати це рівняння.

Вибір розміру реактора періодичного омилення для гарячого процесу

Омилення - це хімічний процес, який перетворює жири та луг на мило.

Для гарячого процесу омилення використовується реактор періодичної дії.

Для гарячого процесу розмір реактора періодичного омилення залежатиме від того, скільки мила потрібно виготовити та якого типу мило виготовляється.

На додаток до розміру реактора, площа поверхні реактора також може змінювати швидкість реакції.

Якщо ви використовуєте реактор із перегородками або з вищим співвідношенням сторін, ви можете збільшити площу поверхні.

Для процесу гарячого омилення температура реактора повинна підтримуватися між 70°C і 85°C.

Тривалість реакції залежить від того, скільки мила ви хочете зробити.

Це може зайняти від кількох годин до кількох днів.

Для вивчення кінетики омилення можна використовувати реактор періодичної дії.

Використовуючи реактор періодичної дії з магнітним перемішуванням і скляну оболонку, студенти можуть визначити константи швидкості реакції другого порядку при різних температурах.

Реакцію омилення також можна використовувати для визначення реакції конверсії в трубчастому реакторі з наповненим шаром.

Тестування та оптимізація в реакторах періодичної дії

Виконання випробувань реактора періодичної дії з твердими речовинами

Під час тестування реактора періодичної дії з твердою речовиною тверді та рідкі реагенти зазвичай змішують у посудині з мішалкою.

Потім суміш залишають для реакції протягом певного часу.

Після цього тверду речовину зазвичай відокремлюють від рідини фільтруванням або центрифугуванням.

Потім, щоб з’ясувати, наскільки далеко зайшла реакція, вимірюють концентрацію цікавого виду в рідкій фазі.

Плануючи випробування в реакторі періодичної дії з твердою речовиною, ви також повинні подумати про розмір частинок твердої речовини, початкову концентрацію реагентів і бажаний рівень конверсії.

Випробування модифікованого лабораторного реактора періодичної дії

Біологічне розкладання летких органічних сполук в активному мулі було перевірено в реакторі періодичної дії в лабораторії.

Тест було змінено, щоб включити волокна твердофазної мікроекстракції (SPME) для відбору проб у газовій фазі.

Це усуває потребу в тяговій трубі та полегшує використання з твердими речовинами.

Системи реакторів періодичної дії (SBR).

Реактор секвенування періодичної дії (SBR) — це система з активним мулом, яка очищує стічні води шляхом наповнення та зливу.

У цій системі стічна вода подається в одноперіодний реактор.

Два або більше реакторів періодичної дії використовуються в установленому порядку, щоб отримати найкращу продуктивність системи.

Системи SBR використовуються для очищення стічних вод як з міст, так і з заводів.

Рівняння матеріального балансу

Рівняння матеріального балансу можна використовувати, щоб зрозуміти, що відбувається в реакторах періодичної дії під час хімічних реакцій.

Наприклад, рівняння d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV можна використовувати для реакторів періодичної дії з хорошим перемішуванням, оскільки інтеграли легко оцінити завдяки хорошому змішуванню всередині реактора.

Реактори напівперіодичного дії

Реактори напівперіодичного дії мають особливості як реакторів періодичної дії, так і реакторів із перемішуванням, які працюють весь час (CSTR).

Вони можуть додавати живлення під час реакції, як CSTR, але вони заповнені реагентом на початку, як реактори періодичної дії.

У більшості випадків напівперіодні реактори використовуються, коли реакція потребує повільного додавання одного реагенту або коли реакція надто гаряча, щоб проводити її в періодичному реакторі.

Огляд реактора періодичної дії

Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з розмовною мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.

Випадки використання

Висновок

Зрештою, реактор періодичної дії є важливим інструментом для інженерів-хіміків у багатьох різних галузях.

Це дозволяє дуже точно контролювати умови реакції, що важливо для отримання стабільних високоякісних продуктів.

Але, незважаючи на те, що реактор періодичної дії є чудовою технологією, він не є панацеєю від усього.

Його не можна використовувати для всіх видів реакції, оскільки він має деякі недоліки.

Як інженерів, наша робота полягає в тому, щоб постійно придумувати нові ідеї та випробовувати нові технології, які можуть допомогти нам подолати ці проблеми та спростити виробництво складних хімічних продуктів.

Ми можемо створити краще майбутнє для себе та планети, якщо розсунемо межі можливого.

Тож давайте продовжувати шукати та пробувати нові речі, щоб знайти кращі, ефективніші та довгостроковіші рішення.

Посилання та посилання

Залишки кротів:

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

Реактори в технологічних процесах:

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