Panosreaktoreiden Esittely: Perusteet Ja Sovellukset

Oletko koskaan ajatellut, kuinka kemialliset reaktiot, jotka saavat aikaan lääkkeen ja polttoaineen, tapahtuvat?

Tiedät, että nämä reaktiot eivät tapahdu itsestään, koska olet insinööriopiskelija tai insinööri.

He tarvitsevat tarkat olosuhteet, huolellisesti mitatut määrät lähtöaineita ja katalyyttejä sekä oikeanlaisen reaktorin.

Panosreaktori auttaa tässä.

Panosreaktori on tärkeä työkalu jokaiselle kemian insinöörille, koska se pystyy käsittelemään monenlaisia ​​reaktioita ja näiden reaktioiden olosuhteita voidaan ohjata erittäin tarkasti.

Tässä artikkelissa kerron yksityiskohtaisesti panosreaktoreista, puhuen niiden osista, eduista ja käyttötavoista.

Olitpa kokenut insinööri tai vasta aloitteleva insinööri, tämä artikkeli antaa sinulle tietoja, joita tarvitset ymmärtääksesi panosreaktoreita ja kuinka tärkeitä ne ovat kemiantekniikan maailmassa.

Johdatus eräreaktoreihin

Muodollinen määritelmä:

Kemiallinen reaktori, johon reagensseja ja katalyyttiä syötetään haluttu määrä ja astia suljetaan sitten lisämateriaalin syöttämistä varten.

Panosreaktorit ovat joustavia koneita, joita voidaan käyttää moniin erilaisiin prosessitoimintoihin.

Jotkut yleisimmistä panosreaktoreiden tekemistä asioista ovat:

Kiinteät aineet voidaan liuottaa nesteisiin panosreaktorien avulla.

Kiintoaineet ja liuotin laitetaan reaktoriin ja seosta sekoitetaan, kunnes kaikki kiinteät aineet ovat liuenneet.

• Tuotteiden sekoitus: Panosreaktoreita käytetään eri tuotteiden sekoittamiseen keskenään haluamasi seoksen valmistamiseksi.

Tästä voi olla hyötyä elintarvike- ja juomateollisuudessa, jossa eri ainesosia sekoitetaan tietyn tuotteen valmistamiseksi.

• Kemialliset reaktiot: Suurin osa kemiallisista reaktioista suoritetaan panosreaktoreissa.

Sen jälkeen kun reaktantit on lisätty reaktoriin, seoksen annetaan reagoida määrätty aika.

Erän lopussa tavarat otetaan sitten pois.

• Panostislaus: Panosreaktoreita voidaan käyttää myös panostislaukseen, mikä on tapa erottaa seoksen osia niiden kiehumispisteiden perusteella.

Panosreaktorien edut ja haitat

Panosreaktoreilla on useita etuja, kuten:

Panosreaktorit ovat monipuolisia, koska ne voivat tehdä useamman kuin yhden asian yhdessä astiassa rikkomatta suojarakennusta.

Panosreaktoreissa voidaan valmistaa erilaisia ​​tuotteita samassa reaktorissa, koska niitä voidaan käyttää useampaan kuin yhteen asiaan.

• Korkeat konversiot: Reagenssit voivat pysyä reaktorissa pitkään, mikä johtaa korkeisiin konversioihin.
• Valmistuksen ja vaihtamisen helppous: Panosreaktorit on melko helppo valmistaa ja vaihtaa.

Mutta panosreaktoreissa on myös joitain ongelmia, kuten:

• Takaisinsekoitus: Takaisinsekoitus tapahtuu, kun materiaalia ei poisteta ennen kuin reaktio on ohi.

Tämä lyhentää katalyytin käyttöikää ja tuottaa paljon jätettä.

• Rajoitettu määrä: Panosreaktorit eivät ole paras tapa valmistaa paljon tuotetta kerralla.
• Tuotteiden vaihtelevuus: Panosreaktoreilla valmistetut tuotteet voivat olla erilaisia ​​eristä toiseen.
• Suuren mittakaavan tuotannon vaikeudet: Panosreaktorit eivät sovellu monien asioiden tekemiseen kerralla.
• Kallista käyttää: Panosreaktorit on kytkettävä päälle ja pois päältä usein, mikä tekee niistä kalliita.

Panosreaktorien suunnitteluominaisuudet

Panosreaktorit valmistetaan joistakin samankaltaisista osista, kuten:

• Portit lähtöaineiden injektointia ja tuotteiden poistamista varten: Panosreaktoreissa on portit lähtöaineiden injektointia ja tuotteiden poistamista varten.
• Lämmönvaihdin tai sekoitusjärjestelmä: Panosreaktoriin voidaan lisätä lämmönvaihdin tai sekoitusjärjestelmä.
• Vakiotilavuus: Panosreaktoreissa on yleensä vakiotilavuus, mutta jotkut on valmistettu siten, että tilavuutta voidaan muuttaa vakiopaineen pitämiseksi.

Lyhyesti sanottuna panosreaktorit ovat yksinkertaisia ​​säiliöitä, joita käytetään prosessiteollisuudessa monenlaisiin tehtäviin.

Ne ovat monipuolisia, niitä voidaan käyttää useampaan kuin yhteen asiaan, niillä on korkea muuntoprosentti ja niitä on helppo valmistaa ja vaihtaa.

Mutta niillä on myös joitain ongelmia, kuten takaisinsekoittaminen, rajoitetut määrät, erilaiset tuotteet, vaikeus valmistaa niitä paljon, katalysaattorin lyhyt käyttöikä ja jäte.

Panosreaktoreita käytetään usein pienimuotoisiin töihin, uusien menetelmien testaamiseen ja kalliiden tuotteiden valmistukseen.

Niitä käytetään usein myös laboratorioissa pienimuotoiseen tuotantoon ja juomien käymisprosessin käynnistämiseen.

Arvaamattomuuden hyväksyminen: Panosreaktorien jännitys ja riskit

Vieläkö vaikea ymmärtää? Muutanpa hieman näkökulmaa:

Kemistit, kiinnittäkää huomiota! Haluatko työstäsi kiinnostavampaa? Oletko kyllästynyt samoihin asioihin yhä uudelleen ja uudelleen? Panosreaktori on kaikki mitä tarvitset.

Panosreaktori sopii täydellisesti kaaokseen, arvaamattomuuteen ja ehkä jopa pieneen jännitykseen, koska voit lisätä reagoivia aineita ja katalyyttejä haluamissasi määrissä ja sitten sulkea astian estääksesi lisää materiaalia pääsemästä sisään.

Kuka välittää hallinnasta ja johdonmukaisuudesta? Hyväksy se tosiasia, että panosreaktoria on vaikea ennustaa, ja katso, mihin se sinut vie.

Okei, se oli vain vitsi, joka tehtiin näyttämään TV-mainokselta.

Palataan nyt selitykseen.

Panosreaktorien komponentit

Panosreaktorit ovat astioita, joita käytetään prosessiteollisuudessa esimerkiksi kiinteiden aineiden liuottamiseen, tuotteiden sekoittamiseen, kemiallisten reaktioiden suorittamiseen ja tislaamiseen erissä.

Reaktoriastia, reaktioväliaine, ylätila ja sekoitin ovat neljä pääosaa.

Reaktorialus

Panosreaktorin pääosa on reaktoriastia, joka on usein valmistettu teräksestä, ruostumattomasta teräksestä, lasilla vuoratusta teräksestä, lasista tai eksoottisesta seoksesta.

Se voi olla pienempi kuin 1 litra tai suurempi kuin 15 000 litraa.

Suurimman osan ajasta nesteet ja kiinteät aineet laitetaan reaktoriin yläkannessa olevien reikien kautta.

Yläosassa olevista rei'istä tulee ulos höyryjä ja kaasuja ja pohjassa olevista rei'istä tulee nesteitä.

Reaktioväline

Asiaa, jossa reaktio tapahtuu, kutsutaan reaktioväliaineeksi.

Suoritettavan reaktion tyypistä riippuen se voi olla kaasufaasissa, nestefaasissa tai neste-kiinteässä faasissa.

Headspace

Headspace on tyhjä tila median yläpuolella.

Se antaa tilaa kaasulle tai höyrylle, joka syntyy reaktion aikana.

Agitaattori

Sekoitinta tarvitaan eri osien sekoittamiseen ja lämmön lisäämiseen tai poistamiseen reaktiosta.

Reaktion tyypistä riippuen se voidaan valmistaa aksiaalisilla virtauspyörillä tai säteittäisvirtauspyörillä erityyppisten sekoitusten aikaansaamiseksi.

Panosreaktorien edut ja haasteet

Yksi eräreaktorien parhaista asioista on niiden joustavuus.

Yksi alus voi suorittaa useita erilaisia ​​tehtäviä rikkomatta suojarakennuksen järjestelmää.

Tämä on hyödyllistä työskenneltäessä myrkyllisten materiaalien kanssa, koska se vähentää työntekijöiden loukkaantumisriskiä.

Mutta panosreaktoreissa on joitain ongelmia, kuten vastasekoitus, mikä voi huonontaa tuotteen laatua, koska lähtöaineet eivät ole jakautuneet tasaisesti astiassa.

Panosreaktorien suunnittelu ja mitoitus

Eräreaktoria suunniteltaessa ja mitoittaessa tiettyä reaktiota varten on otettava huomioon useita asioita.

Näitä ovat reaktion kinetiikka, lämmönsiirto, massansiirto, sekoitus ja faasikäyttäytyminen.

Suunnittelussa tulee varmistaa, että reaktori voi suorittaa reaktion turvallisesti ja tehokkaasti, täyttää tuotteen spesifikaatiot ja pitää tuotantokustannukset mahdollisimman alhaisina.

Useimmiten panosreaktorin koon selvittäminen tarkoittaa sitä, että selvitetään reaktorin tilavuus, joka tarvitaan reagoivien aineiden muuntamiseen tietyllä tavalla ja riittävän sekoituksen ja lämmönsiirron mahdollistamiseksi.

Parhaan suorituskyvyn saamiseksi reaktorista suunnittelu- ja mitoitusprosessi voi sisältää kokeita, simulaatioita ja malleja.

Panosreaktorissa tietyn konversiotason saavuttamiseen kuluva aika riippuu siitä, kuinka nopeasti reaktio etenee ja kuinka paljon konversiota haluat.

Joten saadaksesi selville oikean erän reaktorin tilavuuden tietylle reaktiolle, sinun on mietittävä asioita, kuten reaktion nopeus, lähtöaineiden alkupitoisuudet, haluttu konversiotaso ja reaktorin käyttöaika. Tulee olemaan käynnissä.

Tätä tietoa voitaisiin käyttää oikean koon määrittämiseen panosreaktorille laskemalla parametreja, kuten reaktionopeusvakiot ja stoikiometriset kertoimet.

Toisin kuin CSTR:t ja PFR:t, jotka voivat käsitellä suuria määriä lähtöaineita jatkuvasti ajan mittaan, panosreaktorit voivat käsitellä vain tietyn määrän lähtöaineita kerralla.

Panosreaktori ei siis ehkä pysty käsittelemään samaa lajia A päivässä kuin jatkuvavirtausreaktori.

Panosreaktorit ovat kuitenkin hyödyllisiä pienimuotoisissa toiminnoissa, uusien prosessien testaamisessa, joita ei ole vielä täysin kehitetty, ja kalliiden tuotteiden valmistukseen.

Lyhyesti sanottuna panosreaktoreissa on useita tärkeitä osia, kuten reaktoriastia, reaktioväliaine, ylätila ja sekoitin.

Niillä on etuja, kuten joustavuus ja mahdollisuus käyttää useampaan kuin yhteen asiaan, mutta niillä on myös ongelmia, kuten taustasekoitus.

Suunnitellaksesi ja mitoittaaksesi panosreaktorin tiettyä reaktiota varten, sinun on mietittävä asioita, kuten reaktion kinetiikka, lämmönsiirto, massan siirto, sekoitus ja faasikäyttäytyminen.

Laskelmat eräreaktoreissa

Moolitasapainoyhtälö ja sarjareaktio

Panosreaktorissa, jossa on sarjareaktio, meidän on käytettävä moolitasapainoyhtälöä selvittääksemme, kuinka paljon ainetta on reaktorissa.

Moolitasapainoyhtälöä käytetään selvittämään, kuinka nopeasti kunkin moolin määrä reaktorissa muuttuu.

Panosreaktorin moolitasapainon yhtälö on:

dN_i/dt = r_i*V

missä N_i on lajin i moolien lukumäärä, t on aika, r_i on lajin i reaktionopeus ja V on reaktorin tilavuus.

Aina kun haluamme tietää, kuinka paljon kutakin lajia on panosreaktorissa sarjareaktion aikana, voimme käyttää tätä yhtälöä.

Eräsaippuointireaktorin mitoitus kuumaa prosessia varten

Saippuointi on kemiallinen prosessi, jossa rasvat ja lipeä muuttuvat saippuaksi.

Kuumassa saippuointiprosessissa käytetään panosreaktoria.

Kuumaprosessia varten panossaippuointireaktorin koko riippuu siitä, kuinka paljon saippuaa on valmistettava ja millaista saippuaa valmistetaan.

Reaktorin koon lisäksi reaktorin pinnan pinta-ala voi muuttaa reaktion nopeutta.

Jos käytät reaktoria, jossa on ohjauslevyt tai korkeampi kuvasuhde, voit suurentaa pinta-alaa.

Kuuma saippuointiprosessia varten reaktorin lämpötila tulee pitää välillä 70 °C - 85 °C.

Reaktion kesto riippuu siitä, kuinka paljon saippuaa haluat valmistaa.

Se voi kestää useista tunteista useisiin päiviin.

Panosreaktorilla voidaan tutkia saippuoitumisen kinetiikkaa.

Magneettisekoituksella varustetun panosreaktorin ja lasivaipan avulla opiskelijat voivat selvittää toisen asteen reaktion nopeusvakiot eri lämpötiloissa.

Saippuointireaktiota voidaan käyttää myös reaktion konversion selvittämiseen täytekerrosputkireaktorissa.

Testaus ja optimointi eräreaktoreissa

Panosreaktoritestien suorittaminen kiintoaineilla

Kun panosreaktoritestiä tehdään kiinteällä aineella, kiinteät ja nestemäiset lähtöaineet sekoitetaan tavallisesti sekoittimella varustetussa astiassa.

Seoksen annetaan sitten reagoida tietyn ajan.

Tämän jälkeen kiinteä aine erotetaan tavallisesti nesteestä suodattamalla tai sentrifugoimalla.

Sitten, jotta saadaan selville, kuinka pitkälle reaktio eteni, mitataan kiinnostavan lajin pitoisuus nestefaasissa.

Kun suunnittelet panosreaktorikoetta kiinteällä aineella, sinun tulee myös miettiä kiinteän aineen hiukkasten kokoa, lähtöaineiden alkupitoisuutta ja haluttua konversiotasoa.

Modifioitu laboratorioeräreaktoritesti

Aktiivilietteen haihtuvien orgaanisten yhdisteiden biohajoamista on testattu laboratoriossa panosreaktorissa.

Testiä on muutettu siten, että se sisältää kiinteän faasin mikrouuttokuituja (SPME) näytteenottoa varten kaasufaasissa.

Tämä eliminoi vetoputken tarpeen ja helpottaa käyttöä kiinteiden aineiden kanssa.

Sequencing Batch Reactor (SBR) -järjestelmät

Sequencing Batch Reactor (SBR) on aktiivilietejärjestelmä, joka käsittelee jätevettä täyttämällä ja sitten tyhjentämällä.

Tässä järjestelmässä jätevesi laitetaan yhteen eräreaktoriin.

Kahta tai useampaa panosreaktoria käytetään tietyssä järjestyksessä parhaan suorituskyvyn saamiseksi järjestelmästä.

SBR-järjestelmiä on käytetty sekä kaupunkien että tehtaiden jätevesien käsittelyyn.

Materiaalitaseyhtälö

Materiaalitaseyhtälön avulla voidaan selvittää, mitä panosreaktoreissa tapahtuu kemiallisten reaktioiden tapahtuessa.

Esimerkiksi yhtälö d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV:tä voidaan käyttää hyvin sekoitettuihin panosreaktoreihin, koska integraalit on helppo arvioida hyvän sekoittumisen ansiosta reaktorissa.

Puolieräreaktorit

Puolipanosreaktoreissa on ominaisuuksia sekä panosreaktoreista että sekoitussäiliöreaktoreista, jotka toimivat koko ajan (CSTR:t).

Ne voivat lisätä syöttöä reaktion aikana, kuten CSTR:t, mutta ne on täytetty lähtöaineella alussa, kuten panosreaktorit.

Suurin osa ajasta puolipanosreaktoreita käytetään, kun reaktioon on lisättävä yksi reagenssi hitaasti tai kun reaktio on liian kuuma suoritettavaksi panosreaktorissa.

Eräreaktorin yleiskatsaus

Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos puhuttu kieli ei ole sinulle tuttu. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.

Käytä koteloita

Johtopäätös

Loppujen lopuksi panosreaktori on tärkeä työkalu kemian insinööreille monilla eri aloilla.

Sen avulla voit hallita reaktio-olosuhteita erittäin tarkasti, mikä on tärkeää johdonmukaisten, korkealaatuisten tuotteiden valmistuksessa.

Mutta vaikka panosreaktori on hieno tekniikka, se ei ole parannuskeino.

Sitä ei voida käyttää kaikenlaisiin reaktioihin, koska siinä on joitain puutteita.

Insinööreinä meidän tehtävämme on jatkuvasti keksiä uusia ideoita ja kokeilla uusia teknologioita, jotka voivat auttaa meitä kiertämään nämä ongelmat ja helpottamaan monimutkaisten kemiallisten tuotteiden valmistamista.

Voimme tehdä paremman tulevaisuuden itsellemme ja planeetallemme, jos ylitämme mahdollisuuksien rajoja.

Jatketaan siis uusien asioiden etsimistä ja kokeilua löytääksemme parempia, tehokkaampia ja pitkäaikaisempia ratkaisuja.

Linkkejä ja referenssejä

Myyräsaldot:

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

Prosessitekniikan reaktorit:

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