مقدمة في المفاعلات الدفعية: الأساسيات والتطبيقات

هل فكرت يومًا في كيفية حدوث التفاعلات الكيميائية التي تصنع أشياء مثل الأدوية والوقود؟

أنت تعلم أن ردود الفعل هذه لا تحدث من تلقاء نفسها لأنك طالب هندسة أو مهندس.

إنهم يحتاجون إلى شروط دقيقة ، وكميات مقاسة بعناية من المواد المتفاعلة والمحفزات ، والنوع المناسب من المفاعلات.

يساعد المفاعل الدفعي في ذلك.

يعتبر المفاعل الدفعي أداة مهمة لأي مهندس كيميائي لأنه يمكنه التعامل مع مجموعة واسعة من التفاعلات ويمكن التحكم في ظروف تلك التفاعلات بدقة شديدة.

في هذه المقالة ، سأخوض في التفاصيل حول المفاعلات الدفعية ، وأتحدث عن أجزائها وفوائدها واستخداماتها.

سواء كنت مهندسًا متمرسًا أو بدأت للتو ، ستمنحك هذه المقالة المعلومات التي تحتاجها لفهم المفاعلات الدفعية ومدى أهميتها في عالم الهندسة الكيميائية.

مقدمة في المفاعلات الدفعية

تعريف رسمي:

مفاعل كيميائي يتم فيه إدخال المواد المتفاعلة والمحفز بالكميات المرغوبة ثم يتم إغلاق الوعاء لإيصال مادة إضافية.

المفاعلات الدفعية عبارة عن آلات مرنة يمكن استخدامها في العديد من العمليات المختلفة.

بعض الأشياء الأكثر شيوعًا التي تقوم بها المفاعلات الدفعية هي:

يمكن إذابة المواد الصلبة في السوائل بمساعدة المفاعلات الدفعية.

يتم وضع المواد الصلبة والمذيب في المفاعل ، ويتم تقليب الخليط حتى تذوب جميع المواد الصلبة.

• منتجات الخلط: تُستخدم المفاعلات الدفعية لخلط المنتجات المختلفة معًا لصنع الخليط الذي تريده.

يمكن أن يكون هذا مفيدًا في صناعة الطعام والشراب ، حيث يتم خلط المكونات المختلفة لصنع منتج معين.

• التفاعلات الكيميائية: تتم معظم التفاعلات الكيميائية في مفاعلات دفعية.

بعد إضافة المواد المتفاعلة إلى المفاعل ، يُترك الخليط ليتفاعل لفترة محددة من الوقت.

في نهاية الدفعة ، يتم إخراج العناصر بعد ذلك.

• التقطير الدفعي: يمكن أيضًا استخدام المفاعلات الدفعية للتقطير الدفعي ، وهي طريقة لفصل أجزاء من الخليط بناءً على نقاط غليانها.

مزايا وعيوب المفاعلات الدفعية

للمفاعلات الدفعية عدد من الفوائد ، مثل:

المفاعلات الدفعية متعددة الاستخدامات لأنها يمكن أن تفعل أكثر من شيء في وعاء واحد دون كسر الاحتواء.

يمكن للمفاعلات الدفعية أن تصنع منتجات مختلفة في نفس المفاعل لأنه يمكن استخدامها في أكثر من شيء واحد.

• تحويلات عالية: يمكن أن تبقى الكواشف في المفاعل لفترة طويلة ، مما يؤدي إلى تحويلات عالية.
• سهولة التصنيع والتغيير: من السهل جدًا صنع المفاعلات الدفعية وتغييرها.

لكن المفاعلات الدفعية لديها أيضًا بعض المشكلات ، مثل:

• الخلط الخلفي: يحدث الخلط العكسي عندما لا يتم إخراج المواد حتى ينتهي التفاعل.

هذا يقصر من عمر المحفز ويسبب الكثير من النفايات.

• الكميات المحدودة: المفاعلات الدفعية ليست أفضل طريقة لصنع الكثير من المنتجات دفعة واحدة.
• تقلبات المنتجات: يمكن أن تختلف المنتجات التي تصنعها المفاعلات الدفعية من دفعة إلى أخرى.
• صعوبات الإنتاج على نطاق واسع: المفاعلات الدفعية ليست جيدة لصنع الكثير من الأشياء في وقت واحد.
• مكلفة للتشغيل: يجب تشغيل المفاعلات الدفعية وإيقاف تشغيلها في كثير من الأحيان ، مما يجعلها مكلفة للتشغيل.

ميزات تصميم المفاعلات الدفعية

تُصنع المفاعلات الدفعية من بعض الأجزاء المتشابهة ، مثل:

• منافذ حقن المفاعلات وإزالة المنتجات: تحتوي المفاعلات الدفعية على منافذ لحقن المواد المتفاعلة وإزالة المنتجات.
• نظام المبادل الحراري أو التحريك: يمكن إضافة مبادل حراري أو نظام تقليب إلى مفاعل دفعي.
• الحجم الثابت: عادةً ما يكون للمفاعلات الدفعية حجم ثابت ، ولكن بعضها مصنوع بحيث يمكن تغيير الحجم للحفاظ على ضغط ثابت.

باختصار ، المفاعلات الدفعية عبارة عن حاويات بسيطة تُستخدم في الصناعات العملية لمجموعة واسعة من المهام.

فهي متعددة الاستخدامات ، ويمكن استخدامها لأكثر من شيء واحد ، ولها معدلات تحويل عالية ، ويسهل صنعها وتغييرها.

لكن لديهم أيضًا بعض المشكلات ، مثل الخلط العكسي ، والكميات المحدودة ، والمنتجات المختلفة ، وصعوبة صنع الكثير منها ، والعمر القصير للعامل الحفاز ، والنفايات.

غالبًا ما تُستخدم المفاعلات الدفعية في الأعمال الصغيرة ، واختبار طرق جديدة ، وصنع سلع باهظة الثمن.

غالبًا ما تستخدم أيضًا في المعامل للإنتاج على نطاق صغير وبدء عملية التخمير للمشروبات.

احتضان عدم القدرة على التنبؤ: إثارة ومخاطر المفاعلات الدفعية

لا يزال من الصعب فهمها؟ اسمحوا لي أن أغير وجهة النظر قليلاً:

الكيميائيين ، يرجى الانتباه! هل تريد أن تكون وظيفتك أكثر إثارة للاهتمام؟ هل سئمت من حدوث نفس الأشياء مرارًا وتكرارًا؟ المفاعل الدفعي هو كل ما تحتاجه.

يعتبر المفاعل الدفعي مثاليًا للفوضى وعدم القدرة على التنبؤ وربما حتى القليل من الإثارة لأنه يمكنك إضافة المواد المتفاعلة والمحفزات بالكميات التي تريدها ثم إغلاق الوعاء لمنع دخول المزيد من المواد.

من يهتم بالسيطرة والاتساق؟ اقبل حقيقة أنه من الصعب التنبؤ بالمفاعل الدفعي وانظر إلى أين يأخذك.

حسنًا ، كانت هذه مجرد مزحة لتبدو وكأنها إعلان تلفزيوني.

الآن دعنا نعود إلى الشرح.

مكونات المفاعلات الدفعية

المفاعلات الدفعية عبارة عن أوعية تُستخدم في الصناعات التحويلية للقيام بأشياء مثل إذابة المواد الصلبة ، وخلط المنتجات ، وتنفيذ التفاعلات الكيميائية ، والتقطير على دفعات.

إن وعاء المفاعل ، ووسط التفاعل ، وفراغ الرأس ، والمحرض هي الأجزاء الأربعة الرئيسية.

وعاء المفاعل

الجزء الرئيسي من المفاعل الدفعي هو وعاء المفاعل ، والذي غالبًا ما يكون مصنوعًا من الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ المبطن بالزجاج أو الزجاج أو سبيكة غريبة.

يمكن أن يكون أصغر من 1 لتر أو أكبر من 15000 لتر.

في معظم الأحيان ، يتم إدخال السوائل والمواد الصلبة في المفاعل من خلال فتحات في الغطاء العلوي.

تخرج الأبخرة والغازات من الثقوب الموجودة في الأعلى ، وتخرج السوائل من الثقوب الموجودة في الأسفل.

رد فعل متوسط

الشيء الذي يحدث فيه التفاعل يسمى وسط التفاعل.

اعتمادًا على نوع التفاعل الذي يتم إجراؤه ، يمكن أن يكون في طور غاز أو طور سائل أو طور سائل صلب.

فراغ

Headspace هو المساحة الفارغة فوق الوسط.

يعطي مساحة للغاز أو البخار الذي يتم تكوينه أثناء التفاعل.

المحرض

المحرض ضروري لخلط الأجزاء المختلفة وإضافة أو إزالة الحرارة من التفاعل.

اعتمادًا على نوع التفاعل ، يمكن صنعه بدفاعات التدفق المحوري أو دفاعات التدفق الشعاعي لتوفير أنواع مختلفة من الخلط.

مزايا وتحديات المفاعلات الدفعية

أحد أفضل الأشياء في المفاعلات الدفعية هو مدى مرونتها.

يمكن للسفينة الواحدة القيام بسلسلة من المهام المختلفة دون كسر الاحتواء.

هذا مفيد عند العمل مع المواد السامة لأنه يقلل من خطر إصابة العمال.

لكن المفاعلات الدفعية لديها بعض المشاكل ، مثل الخلط الخلفي ، والتي يمكن أن تجعل جودة المنتج سيئة لأن المواد المتفاعلة لا تنتشر بالتساوي في الوعاء.

تصميم وتحجيم المفاعلات الدفعية

يجب أخذ العديد من الأشياء في الاعتبار عند تصميم مفاعل دفعي وتحديد حجمه لتفاعل معين.

وتشمل هذه حركيات التفاعل ، ونقل الحرارة ، ونقل الكتلة ، والخلط ، وسلوك الطور.

يجب أن يتأكد التصميم من أن المفاعل يمكنه تنفيذ التفاعل بأمان وكفاءة ، وأن يفي بمواصفات المنتج ، ويحافظ على انخفاض تكاليف الإنتاج قدر الإمكان.

في معظم الأوقات ، فإن معرفة حجم المفاعل الدفعي يعني معرفة حجم المفاعل اللازم لتحويل المواد المتفاعلة بطريقة معينة والسماح بالخلط الكافي ونقل الحرارة.

للحصول على أفضل أداء للمفاعل ، قد تتضمن عملية التصميم والتحجيم تجارب ومحاكاة ونماذج.

في المفاعل الدفعي ، يعتمد الوقت المستغرق للوصول إلى مستوى معين من التحويل على مدى سرعة التفاعل ومقدار التحويل الذي تريده.

لذلك ، لمعرفة حجم المفاعل الدفعي الصحيح لتفاعل معين ، عليك التفكير في أشياء مثل سرعة التفاعل ، والتركيزات الأولية للمواد المتفاعلة ، ومستوى التحويل الذي تريده ، ومقدار الوقت الذي يستغرقه المفاعل سيتم تشغيله.

يمكن استخدام هذه المعلومات لمعرفة الحجم المناسب للمفاعل الدفعي عن طريق حساب المعلمات مثل ثوابت معدل التفاعل والمعاملات المتكافئة.

على عكس CSTRs و PFRs ، التي يمكنها معالجة كميات كبيرة من المواد المتفاعلة بشكل مستمر بمرور الوقت ، يمكن للمفاعلات الدفعية فقط التعامل مع عدد معين من المتفاعلات دفعة واحدة.

لذلك ، قد لا يكون المفاعل الدفعي قادرًا على التعامل مع نفس الكمية من الأنواع أ في اليوم مثل مفاعل التدفق المستمر.

لكن المفاعلات الدفعية لا تزال مفيدة للعمليات الصغيرة ، واختبار العمليات الجديدة التي لم يتم تطويرها بالكامل بعد ، وإنتاج منتجات باهظة الثمن.

باختصار ، تحتوي المفاعلات الدفعية على عدة أجزاء مهمة ، مثل وعاء المفاعل ، ووسط التفاعل ، وفراغ الرأس ، والمحرض.

لديهم فوائد مثل المرونة والقدرة على استخدامها لأكثر من شيء واحد ، ولكن لديهم أيضًا مشاكل مثل الخلط الخلفي.

لتصميم وحجم مفاعل دفعي لتفاعل معين ، عليك التفكير في أشياء مثل حركية التفاعل ، ونقل الحرارة ، ونقل الكتلة ، والخلط ، وسلوك الطور.

الحسابات في المفاعلات الدفعية

معادلة توازن الخلد والتفاعل المتسلسل

بالنسبة لمفاعل دفعي به تفاعل متسلسل ، نحتاج إلى استخدام معادلة توازن الخلد لمعرفة كمية المادة الموجودة في المفاعل.

تُستخدم معادلة توازن الخلد لمعرفة مدى سرعة تغير كمية كل مول في المفاعل.

معادلة التوازن المولي للمفاعل الدفعي هي:

dN_i / dt = r_i * V.

حيث N_i هو عدد مولات الأنواع i ، t هو الوقت ، r_i هو معدل التفاعل للأنواع i ، و V هو حجم المفاعل.

عندما نريد معرفة مقدار كل نوع في مفاعل دفعي أثناء تفاعل متسلسل ، يمكننا استخدام هذه المعادلة.

تحجيم مفاعل التصبن الدفعي للعملية الساخنة

التصبن هو عملية كيميائية تحول الدهون والغسول إلى صابون.

بالنسبة لعملية التصبن الساخنة ، يتم استخدام مفاعل دفعي.

بالنسبة للعملية الساخنة ، سيعتمد حجم مفاعل التصبن الدفعي على كمية الصابون التي يجب صنعها ونوع الصابون الذي يتم تصنيعه.

بالإضافة إلى حجم المفاعل ، يمكن أيضًا أن تغير مساحة سطح المفاعل سرعة حدوث التفاعل.

إذا كنت تستخدم مفاعلًا به حواجز أو مفاعلًا به نسبة عرض إلى ارتفاع أعلى ، فيمكنك جعل مساحة السطح أكبر.

بالنسبة لعملية التصبن الساخنة ، يجب الحفاظ على درجة حرارة المفاعل بين 70 درجة مئوية و 85 درجة مئوية.

تعتمد المدة التي يستغرقها التفاعل على كمية الصابون التي تريد صنعها.

يمكن أن يستغرق الأمر من عدة ساعات إلى عدة أيام.

يمكن استخدام مفاعل دفعي لدراسة حركية التصبن.

باستخدام مفاعل دفعي مزود بتقليب مغناطيسي وسترة زجاجية ، يمكن للطلاب معرفة ثوابت المعدل لتفاعل من الدرجة الثانية عند درجات حرارة مختلفة.

يمكن أيضًا استخدام تفاعل التصبن لمعرفة تحويل التفاعل في مفاعل أنبوبي بطبقة معبأة.

الاختبار والتحسين في المفاعلات الدفعية

إجراء اختبارات المفاعلات الدفعية باستخدام المواد الصلبة

عند إجراء اختبار مفاعل دفعي باستخدام مادة صلبة ، عادةً ما يتم خلط المواد الصلبة والسائلة في وعاء به محرض.

ثم يُترك الخليط ليتفاعل لفترة معينة من الوقت.

بعد ذلك ، عادة ما يتم فصل المادة الصلبة عن السائل عن طريق الترشيح أو الطرد المركزي.

بعد ذلك ، لمعرفة المدى الذي ذهب إليه التفاعل ، يتم قياس تركيز الأنواع ذات الأهمية في الطور السائل.

عند التخطيط لاختبار مفاعل دفعي باستخدام مادة صلبة ، يجب أن تفكر أيضًا في حجم جسيمات المادة الصلبة ، والتركيز الأولي للمواد المتفاعلة ، ومستوى التحويل الذي تريده.

اختبار مفاعل دفعة المختبر المعدل

تم اختبار التحلل الحيوي للمركبات العضوية المتطايرة في الحمأة المنشطة في مفاعل دفعي في المختبر.

تم تغيير الاختبار ليشمل ألياف الاستخراج الدقيق للطور الصلب (SPME) لأخذ العينات في الطور الغازي.

هذا يلغي الحاجة إلى أنبوب السحب ويسهل استخدامه مع المواد الصلبة.

أنظمة مفاعلات الدُفعات المتسلسلة (SBR)

المفاعل الدفعي المتسلسل (SBR) هو نظام الحمأة المنشط الذي يعالج المياه العادمة عن طريق ملؤها ثم تصريفها.

في هذا النظام ، يتم وضع المياه العادمة في مفاعل دفعة واحدة.

يتم استخدام مفاعلين دفعيين أو أكثر بترتيب محدد للحصول على أفضل أداء للنظام.

تم استخدام أنظمة SBR لمعالجة مياه الصرف الصحي من كل من المدن والمصانع.

معادلة توازن المواد

يمكن استخدام معادلة توازن المواد لمعرفة ما يحدث في المفاعلات الدفعية عند حدوث تفاعلات كيميائية.

على سبيل المثال ، المعادلة d dt ∫V cj dV = Q0cj0 - Q1cj1 + V. يمكن استخدام Rj dV للمفاعلات الدفعية جيدة التحريك لأن التكاملات سهلة التقييم بسبب الخلط الجيد داخل المفاعل.

مفاعلات نصف دفعة

تحتوي المفاعلات نصف دفعة على ميزات كل من المفاعلات الدفعية ومفاعلات الخزان المقلوب التي تعمل طوال الوقت (CSTRs).

يمكنهم إضافة تغذية أثناء استمرار التفاعل ، مثل CSTRs ، لكنها تمتلئ بالمواد المتفاعلة في البداية ، مثل المفاعلات الدفعية.

في معظم الأحيان ، يتم استخدام المفاعلات نصف الدفعية عندما يحتاج التفاعل إلى إضافة كاشف واحد ببطء أو عندما يكون التفاعل ساخنًا جدًا بحيث لا يمكن إجراؤه في مفاعل دفعي.

نظرة عامة على دفعة المفاعل

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه. اختر "ترجمة آلية" في زر الإعدادات ، إذا لم تكن معتادًا على اللغة المنطوقة. قد تحتاج إلى النقر فوق لغة الفيديو أولاً قبل أن تصبح لغتك المفضلة متاحة للترجمة.

استخدم حالات

خاتمة

في النهاية ، يعد المفاعل الدفعي أداة مهمة للمهندسين الكيميائيين في العديد من المجالات المختلفة.

يتيح لك التحكم في ظروف التفاعل بدقة شديدة ، وهو أمر مهم لصنع منتجات متسقة وعالية الجودة.

ولكن على الرغم من أن المفاعل الدفعي يعد جزءًا رائعًا من التكنولوجيا ، إلا أنه ليس علاجًا لجميع المشكلات.

لا يمكن استخدامه لكل نوع من ردود الفعل لأنه يحتوي على بعض العيوب.

كمهندسين ، فإن مهمتنا هي الاستمرار في ابتكار أفكار جديدة وتجربة تقنيات جديدة يمكن أن تساعدنا في التغلب على هذه المشاكل وتسهيل صنع منتجات كيميائية معقدة.

يمكننا صنع مستقبل أفضل لأنفسنا وللكوكب إذا دفعنا حدود ما هو ممكن.

لذلك دعونا نستمر في البحث وتجريب أشياء جديدة لإيجاد حلول أفضل وأكثر كفاءة وطويلة الأمد.

الروابط والمراجع

موازين الخلد:

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

المفاعلات في هندسة العمليات:

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