A Szakaszos Reaktorok Bemutatása: Alapok És Alkalmazások

Gondoltál már arra, hogyan mennek végbe azok a kémiai reakciók, amelyek olyan dolgokat eredményeznek, mint a gyógyszer és az üzemanyag?

Tudja, hogy ezek a reakciók nem csak azért következnek be, mert Ön mérnökhallgató vagy mérnök.

Pontos körülményekre, gondosan kimért reagens- és katalizátormennyiségre, valamint megfelelő típusú reaktorra van szükségük.

A szakaszos reaktor segít ebben.

A szakaszos reaktor minden vegyészmérnök számára fontos eszköz, mert a reakciók széles skáláját képes kezelni, és ezeknek a reakcióknak a körülményei nagyon pontosan szabályozhatók.

Ebben a cikkben részletesen kitérek a szakaszos reaktorokra, beszélve azok alkatrészeiről, előnyeiről és felhasználásáról.

Akár tapasztalt mérnök, akár csak kezdő, ez a cikk megadja azokat az információkat, amelyekre szüksége van a szakaszos reaktorok megértéséhez, és annak megértéséhez, hogy mennyire fontosak a vegyészmérnökség világában.

Bevezetés a szakaszos reaktorokba

Formális meghatározás:

Vegyi reaktor, amelybe a reagenseket és a katalizátort a kívánt mennyiségben vezetik be, majd az edényt lezárják a további anyagok szállítására.

A szakaszos reaktorok flexibilis gépek, amelyek számos különböző folyamati művelethez használhatók.

A szakaszos reaktorok által legáltalánosabb dolgok közül néhány:

A szilárd anyagok folyadékban oldhatók szakaszos reaktorok segítségével.

A szilárd anyagokat és az oldószert a reaktorba helyezzük, és az elegyet addig keverjük, amíg az összes szilárd anyag fel nem oldódik.

• Termékek keverése: A szakaszos reaktorokat különböző termékek összekeverésére használják a kívánt keverék elkészítéséhez.

Ez hasznos lehet az élelmiszer- és italiparban, ahol különböző összetevőket kevernek össze egy bizonyos termék előállításához.

• Kémiai reakciók: A legtöbb kémiai reakció szakaszos reaktorokban történik.

Miután a reagenseket a reaktorba adtuk, a keveréket egy meghatározott ideig reagálni hagyjuk.

A tétel végén a tételeket kiveszik.

• Szakaszos desztilláció: A szakaszos reaktorok szakaszos desztillációra is használhatók, ami a keverék részei forráspontjuk alapján történő elkülönítésének módja.

A szakaszos reaktorok előnyei és hátrányai

A szakaszos reaktoroknak számos előnye van, például:

A szakaszos reaktorok sokoldalúak, mivel egyetlen edényben több dolgot is el tudnak végezni anélkül, hogy feltörnék a konténmentet.

A szakaszos reaktorok különböző termékeket állíthatnak elő ugyanabban a reaktorban, mert több dologra is felhasználhatók.

• Magas konverzió: A reagensek hosszú ideig a reaktorban maradhatnak, ami magas konverzióhoz vezet.
• Könnyű gyártás és csere: A szakaszos reaktorokat meglehetősen könnyű elkészíteni és megváltoztatni.

De a szakaszos reaktorokkal is vannak problémák, például:

• Visszakeverés: Visszakeverés akkor történik, amikor az anyagot nem veszik ki, amíg a reakció véget nem ér.

Ez lerövidíti a katalizátor élettartamát és sok hulladékot termel.

• Korlátozott mennyiségek: A szakaszos reaktorok nem a legjobb módja annak, hogy egyszerre sok terméket készítsünk.
• A termékek változékonysága: A szakaszos reaktorok által gyártott termékek tételenként eltérőek lehetnek.
• A nagyüzemi gyártás nehézségei: A szakaszos reaktorok nem alkalmasak arra, hogy sok mindent egyszerre készítsenek el.
• Költséges működtetés: A szakaszos reaktorokat gyakran kell be- és kikapcsolni, ami költségessé teszi az üzemeltetésüket.

A szakaszos reaktorok tervezési jellemzői

A szakaszos reaktorok hasonló alkatrészekből készülnek, mint például:

• Csatlakozók a reagensek befecskendezéséhez és a termékek eltávolításához: A szakaszos reaktorokban vannak csatlakozók a reagensek befecskendezésére és a termékek eltávolítására.
• Hőcserélő vagy keverőrendszer: A szakaszos reaktorhoz hőcserélő vagy keverőrendszer is hozzáadható.
• Állandó térfogat: A szakaszos reaktorok általában állandó térfogatúak, de néhányat úgy készítenek, hogy a térfogat változtatható az állandó nyomás fenntartása érdekében.

Röviden, a szakaszos reaktorok egyszerű tartályok, amelyeket a feldolgozóiparban használnak számos feladatra.

Sokoldalúak, több dologra is használhatók, magas a konverziós arányuk, könnyen elkészíthetők és módosíthatók.

De van néhány problémájuk is, mint például a visszakeverés, korlátozott mennyiség, különböző termékek, nehézségek a nagy mennyiség elkészítésében, a katalizátor rövid élettartama és a hulladék.

A szakaszos reaktorokat gyakran használják kis méretű munkákra, új módszerek tesztelésére és drága áruk előállítására.

Gyakran használják laboratóriumokban is kisüzemi gyártáshoz és italok erjesztési folyamatának elindításához.

A kiszámíthatatlanság elfogadása: A szakaszos reaktorok izgalma és kockázatai

Még mindig nehéz megérteni? Hadd változtassak egy kicsit a nézőponton:

Vegyészek, figyeljenek oda! Szeretnéd, ha a munkád érdekesebb lenne? Eleged van abból, hogy ugyanazok a dolgok újra és újra megtörténjenek? A szakaszos reaktor minden, amire szüksége van.

A szakaszos reaktor tökéletes a káoszhoz, a kiszámíthatatlansághoz és talán még egy kis izgalomhoz is, mert a kívánt mennyiségben hozzáadhat reagenseket és katalizátorokat, majd bezárhatja az edényt, hogy megakadályozza több anyag bejutását.

Kit érdekel az ellenőrzés és a következetesség? Fogadja el azt a tényt, hogy a szakaszos reaktort nehéz megjósolni, és nézze meg, hová visz.

Oké, ez csak egy vicc volt, hogy úgy nézzen ki, mint egy tévéreklám.

Most térjünk vissza a magyarázathoz.

A szakaszos reaktorok alkatrészei

A szakaszos reaktorok olyan edények, amelyeket a feldolgozóiparban használnak szilárd anyagok oldására, termékek keverésére, kémiai reakciók végrehajtására és szakaszos desztillációra.

A négy fő rész a reaktoredény, a reakcióközeg, a fejtér és a keverő.

Reaktorhajó

A szakaszos reaktor fő része a reaktortartály, amely gyakran acélból, rozsdamentes acélból, üveggel bevont acélból, üvegből vagy egzotikus ötvözetből készül.

1 liternél kisebb vagy 15 000 liternél nagyobb lehet.

A folyadékok és szilárd anyagok legtöbbször a felső fedélen lévő lyukakon keresztül kerülnek a reaktorba.

A tetején lévő lyukakból gőzök és gázok, az alsó lyukakból pedig folyadékok jönnek ki.

Reakcióközeg

Azt, amiben a reakció végbemegy, reakcióközegnek nevezzük.

A végrehajtott reakció típusától függően lehet gázfázisú, folyékony fázisú vagy folyadék-szilárd fázis.

Headspace

A fejtér a médium feletti üres tér.

Helyet ad a reakció során keletkező gáznak vagy gőznek.

Agitátor

A keverő a különböző részek összekeveréséhez és a reakció hő hozzáadásához vagy eltávolításához szükséges.

A reakció típusától függően készülhet axiális áramlású járókerekekkel vagy radiális áramlású járókerekekkel a különböző keverési módok biztosítására.

A szakaszos reaktorok előnyei és kihívásai

Az egyik legjobb dolog a szakaszos reaktorokkal kapcsolatban az, hogy mennyire rugalmasak.

Egyetlen hajó egy sor különböző feladatot képes elvégezni anélkül, hogy feltörné a védőburkolatot.

Ez akkor hasznos, ha mérgező anyagokkal dolgozik, mert csökkenti a munkavállalók sérülésének kockázatát.

De a szakaszos reaktoroknak van néhány problémája, például a visszakeverés, ami ronthatja a termék minőségét, mivel a reaktánsok nem egyenletesen oszlanak el az edényben.

Batch reaktorok tervezése és méretezése

Számos dolgot figyelembe kell venni, amikor egy szakaszos reaktort egy bizonyos reakcióhoz tervezünk és méretezünk.

Ide tartozik a reakció kinetikája, a hőátadás, az anyagátadás, a keveredés és a fázis viselkedése.

A tervezésnek biztosítania kell, hogy a reaktor biztonságosan és hatékonyan tudja végrehajtani a reakciót, megfeleljen a termékre vonatkozó előírásoknak, és a termelési költségek a lehető legalacsonyabbak legyenek.

A szakaszos reaktor méretének meghatározása legtöbbször azt jelenti, hogy ki kell számítani a reaktor térfogatát, amely a reaktánsok egy bizonyos módon történő átalakításához szükséges, és lehetővé teszi a megfelelő keverést és hőátadást.

A reaktor legjobb teljesítményének elérése érdekében a tervezési és méretezési folyamat magában foglalhat kísérleteket, szimulációkat és modelleket.

A szakaszos reaktorban egy bizonyos konverziós szint eléréséhez szükséges idő attól függ, hogy a reakció milyen gyorsan megy végbe, és mekkora konverziót szeretne.

Tehát egy adott reakcióhoz a megfelelő szakaszos reaktortérfogat meghatározásához olyan dolgokra kell gondolnia, mint a reakció sebessége, a reagensek kezdeti koncentrációja, a kívánt konverziós szint és a reaktorban töltött idő. Futni fog.

Ez az információ felhasználható a szakaszos reaktor megfelelő méretének meghatározására olyan paraméterek kiszámításával, mint a reakciósebesség-állandók és a sztöchiometrikus együtthatók.

A CSTR-ekkel és PFR-ekkel ellentétben, amelyek nagy mennyiségű reagenst képesek folyamatosan feldolgozni az idő múlásával, a szakaszos reaktorok csak bizonyos számú reagenst tudnak egyszerre kezelni.

Így előfordulhat, hogy egy szakaszos reaktor nem képes naponta annyi A fajtát kezelni, mint egy folyamatos áramlású reaktor.

A szakaszos reaktorok azonban továbbra is hasznosak kisüzemi műveletekhez, új, még nem teljesen kifejlesztett folyamatok teszteléséhez és drága termékek előállításához.

Röviden, a szakaszos reaktoroknak számos fontos része van, mint például a reaktortartály, a reakcióközeg, a fejtér és a keverő.

Előnyük van, például rugalmasak és több dologra is használhatók, de vannak olyan problémáik is, mint a visszakeverés.

Egy szakaszos reaktor megtervezéséhez és méretéhez egy bizonyos reakcióhoz olyan dolgokra kell gondolni, mint a reakciókinetika, a hőátadás, a tömegátadás, a keveredés és a fázis viselkedése.

Számítások szakaszos reaktorokban

Molemérleg egyenlet és sorozatreakció

Soros reakciójú szakaszos reaktor esetén a mólmérleg egyenletét kell használnunk, hogy kitaláljuk, mennyi anyag van a reaktorban.

A mólegyenlet egyenlet arra szolgál, hogy kitaláljuk, milyen gyorsan változik az egyes mólok mennyisége a reaktorban.

A szakaszos reaktor mólmérlegének egyenlete a következő:

dN_i/dt = r_i*V

ahol N_i az i faj móljainak száma, t az idő, r_i az i faj reakciósebessége, V pedig a reaktor térfogata.

Amikor meg akarjuk tudni, hogy az egyes fajokból mennyi van egy szakaszos reaktorban soros reakció során, használhatjuk ezt az egyenletet.

A szakaszos elszappanosítási reaktor méretezése a forró folyamathoz

Az elszappanosítás egy kémiai folyamat, amely a zsírokat és a lúgot szappanná alakítja.

A forró elszappanosítási folyamathoz szakaszos reaktort használnak.

A forró eljáráshoz a szakaszos elszappanosítási reaktor mérete attól függ, hogy mennyi szappant kell készíteni és milyen szappant készítenek.

A reaktor méretén kívül a reaktor felületének területe is változtathatja a reakció sebességét.

Ha terelőlemezes reaktort vagy nagyobb oldalarányú reaktort használ, megnövelheti a felületet.

A forró elszappanosítási folyamathoz a reaktor hőmérsékletét 70°C és 85°C között kell tartani.

A reakció időtartama attól függ, hogy mennyi szappant szeretne készíteni.

Ez több órától több napig is eltarthat.

Az elszappanosítás kinetikájának tanulmányozására szakaszos reaktor használható.

Mágneses keverővel ellátott szakaszos reaktor és üvegköpeny segítségével a tanulók kitalálhatják egy másodrendű reakció sebességi állandóit különböző hőmérsékleteken.

Az elszappanosítási reakció arra is használható, hogy meghatározzuk a reakció átalakulását egy töltött ágyas csőreaktorban.

Tesztelés és optimalizálás szakaszos reaktorokban

Szakaszos reaktortesztek végrehajtása szilárd anyagokkal

Amikor egy szakaszos reaktortesztet végeznek szilárd anyaggal, a szilárd és folyékony reagenseket általában keverővel ellátott edényben keverik össze.

Ezután a keveréket hagyjuk egy bizonyos ideig reagálni.

Ezt követően a szilárd anyagot általában szűréssel vagy centrifugálással választják el a folyadéktól.

Ezután, hogy megtudjuk, milyen messzire ment a reakció, megmérjük a kérdéses faj koncentrációját a folyadékfázisban.

Amikor szilárd anyaggal szakaszos reaktortesztet tervez, gondoljon a szilárd részecskék méretére, a reaktánsok kezdeti koncentrációjára és a kívánt konverziós szintre is.

Módosított laboratóriumi szakaszos reaktorteszt

Az eleveniszapban lévő illékony szerves vegyületek biológiai lebomlását egy szakaszos reaktorban tesztelték a laboratóriumban.

A tesztet úgy módosították, hogy szilárd fázisú mikroextrakciós (SPME) szálakat tartalmazzon a gázfázisban történő mintavételhez.

Így nincs szükség huzatcsőre, és könnyebben használható szilárd anyagokkal.

Sequencing Batch Reactor (SBR) rendszerek

A Sequencing Batch Reactor (SBR) egy eleveniszapos rendszer, amely feltöltéssel, majd leeresztéssel kezeli a szennyvizet.

Ebben a rendszerben a szennyvizet egyetlen szakaszos reaktorba helyezik.

Két vagy több szakaszos reaktort használnak meghatározott sorrendben, hogy a rendszerből a lehető legjobb teljesítményt hozzuk ki.

Az SBR rendszereket mind a városok, mind a gyárak szennyvizének kezelésére használták.

Anyagmérleg egyenlet

Az anyagmérleg-egyenlet felhasználható annak kiderítésére, hogy mi történik a szakaszos reaktorokban, amikor kémiai reakciók mennek végbe.

Például a d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V egyenlet. Az Rj dV jól keverhető szakaszos reaktorokhoz használható, mivel az integrálok könnyen kiértékelhetők a reaktoron belüli jó keveredés miatt.

Félszakaszos reaktorok

A félszakaszos reaktorok mind a szakaszos reaktorok, mind a kevert tartályos reaktorok jellemzőivel rendelkeznek, amelyek folyamatosan működnek (CSTR-ek).

Hozzáadhatnak betáplálást a reakció során, mint például a CSTR-ek, de az elején megtöltik reagenssel, mint például a szakaszos reaktorokban.

A legtöbbször félszakaszos reaktorokat használnak, amikor a reakcióhoz lassan egy reagenst kell hozzáadni, vagy ha a reakció túl forró ahhoz, hogy szakaszos reaktorban lehessen végrehajtani.

A szakaszos reaktor áttekintése

Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Ha nem ismeri a beszélt nyelvet, válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.

Használati esetek

Következtetés

Végül a szakaszos reaktor a vegyészmérnökök fontos eszköze számos területen.

Lehetővé teszi a reakció körülményeinek nagyon precíz szabályozását, ami fontos a konzisztens, jó minőségű termékek előállításához.

De annak ellenére, hogy a szakaszos reaktor nagyszerű technológia, mégsem mindenre gyógyír.

Nem használható mindenféle reakcióra, mert vannak hibái.

Mérnökként az a feladatunk, hogy folyamatosan új ötletekkel álljunk elő és olyan új technológiákat próbáljunk ki, amelyek segíthetnek megkerülni ezeket a problémákat, és megkönnyítik az összetett vegyi termékek előállítását.

Jobb jövőt teremthetünk magunknak és bolygónk számára, ha feszegetjük a lehetséges határait.

Tehát keressük és próbáljunk ki új dolgokat, hogy jobb, hatékonyabb és hosszú távú megoldásokat találjunk.

Linkek és hivatkozások

Vakondegyenlegek:

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

A folyamatmérnöki reaktorok:

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