회분식 반응기 소개: 기본 및 응용

약이나 연료 같은 것을 만드는 화학 반응이 어떻게 일어나는지 생각해 본 적이 있습니까?

당신이 공대생이거나 엔지니어이기 때문에 이러한 반응이 저절로 일어나는 것이 아니라는 것을 알고 있습니다.

그들은 정확한 조건, 조심스럽게 측정된 반응물과 촉매의 양, 올바른 종류의 반응기가 필요합니다.

회분식 반응기가 이를 도와줍니다.

회분식 반응기는 광범위한 반응을 처리할 수 있고 이러한 반응의 조건을 매우 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 모든 화학 엔지니어에게 중요한 도구입니다.

이 기사에서는 회분식 반응기에 대해 자세히 살펴보고 부품, 이점 및 용도에 대해 설명합니다.

숙련된 엔지니어이든 이제 막 시작한 엔지니어든 이 기사는 회분식 반응기를 이해하는 데 필요한 정보와 화학 공학 세계에서 회분식 반응기가 얼마나 중요한지 알려줍니다.

배치 반응기 소개

공식적인 정의:

반응물과 촉매가 원하는 양으로 도입되고 용기가 닫혀 추가 물질이 전달되는 화학 반응기.

회분식 반응기는 다양한 공정 작업에 사용할 수 있는 유연한 기계입니다.

회분식 반응기가 수행하는 가장 일반적인 작업 중 일부는 다음과 같습니다.

고체는 회분식 반응기의 도움으로 액체에 용해될 수 있습니다.

고형물과 용매를 반응기에 넣고 고형물이 모두 녹을 때까지 교반한다.

• 제품 혼합: 배치 반응기는 다양한 제품을 함께 혼합하여 원하는 혼합물을 만드는 데 사용됩니다.

이는 특정 제품을 만들기 위해 다양한 재료를 혼합하는 식품 및 음료 산업에서 유용할 수 있습니다.

• 화학 반응: 대부분의 화학 반응은 회분식 반응기에서 수행됩니다.

반응물을 반응기에 첨가한 후, 혼합물을 일정 시간 동안 반응하도록 놔둔다.

배치가 끝나면 항목이 제거됩니다.

• 회분식 증류: 회분식 반응기는 끓는점을 기준으로 혼합물의 일부를 분리하는 방법인 회분식 증류에도 사용할 수 있습니다.

회분식 반응기의 장단점

회분식 반응기는 다음과 같은 많은 이점이 있습니다.

회분식 반응기는 용기를 파괴하지 않고 단일 용기에서 두 가지 이상의 작업을 수행할 수 있기 때문에 다재다능합니다.

회분식 반응기는 둘 이상의 용도로 사용할 수 있기 때문에 동일한 반응기에서 다른 제품을 만들 수 있습니다.

• 높은 변환율: 시약은 반응기에 오랫동안 머물 수 있어 높은 변환율로 이어집니다.
• 제작 및 변경의 용이성: 회분식 반응기는 제작 및 변경이 매우 쉽습니다.

그러나 회분식 반응기에는 다음과 같은 몇 가지 문제도 있습니다.

• 백믹싱: 백믹싱은 반응이 끝날 때까지 재료를 꺼내지 않을 때 발생합니다.

이것은 촉매의 수명을 단축시키고 많은 낭비를 만듭니다.

• 제한된 수량: 회분식 반응기는 한 번에 많은 제품을 만드는 가장 좋은 방법이 아닙니다.
• 제품의 가변성: 회분식 반응기로 만든 제품은 회분식마다 다를 수 있습니다.
• 대규모 생산의 어려움: 회분식 반응기는 한 번에 많은 것을 만드는 데 적합하지 않습니다.
• 실행 비용: 회분식 반응기는 자주 켜고 꺼야 하므로 실행 비용이 많이 듭니다.

회분식 반응기의 설계 특징

회분식 반응기는 다음과 같은 유사한 부품으로 만들어집니다.

• 반응물 주입 및 생성물 제거용 포트: 회분식 반응기에는 반응물 주입 및 생성물 제거용 포트가 있습니다.
• 열 교환기 또는 교반 시스템: 열 교환기 또는 교반 시스템을 배치 반응기에 추가할 수 있습니다.
• 일정한 부피 : 회분식 반응기는 일반적으로 일정한 부피를 갖지만 일부는 일정한 압력을 유지하기 위해 부피를 변경할 수 있도록 만들어집니다.

요컨대, 회분식 반응기는 다양한 작업을 위해 공정 산업에서 사용되는 단순한 용기입니다.

다재다능하고 하나 이상의 용도로 사용할 수 있으며 전환율이 높고 쉽게 만들고 변경할 수 있습니다.

그러나 그들은 또한 역혼합, 제한된 수량, 다양한 제품, 많은 양을 만드는 데 어려움, 촉매의 짧은 수명 및 낭비와 같은 몇 가지 문제를 안고 있습니다.

회분식 반응기는 종종 소규모 작업, 새로운 방법 테스트 및 고가 제품 제조에 사용됩니다.

그들은 또한 소규모 생산을 위해 실험실에서 자주 사용되며 음료의 발효 과정을 시작합니다.

예측 불가능성 수용: 회분식 반응기의 흥분과 위험

아직도 이해하기 어렵나요? 관점을 조금 바꿔보겠습니다.

화학자 여러분, 주목해주세요! 당신의 직업이 더 재미있기를 원하십니까? 같은 일이 반복되는 것에 지치셨나요? 배치 리액터만 있으면 됩니다.

회분식 반응기는 혼돈, 예측 불가능, 심지어 약간의 흥분에도 완벽합니다. 반응물과 촉매를 원하는 양만큼 추가한 다음 용기를 닫아 더 많은 물질이 들어오는 것을 막을 수 있기 때문입니다.

누가 제어와 일관성에 관심을 가집니까? 회분식 반응기가 예측하기 어렵다는 사실을 받아들이고 어디로 가는지 확인하십시오.

좋아, 그건 그냥 TV 광고처럼 보이도록 만든 농담일 뿐이야.

이제 설명으로 돌아가 봅시다.

배치 반응기의 구성 요소

회분식 반응기는 고형물 용해, 제품 혼합, 화학 반응 수행 및 회분식 증류와 같은 작업을 수행하기 위해 공정 산업에서 사용되는 용기입니다.

반응기 용기, 반응 매질, 헤드스페이스 및 교반기는 네 가지 주요 부분입니다.

원자로 용기

회분식 반응기의 주요 부분은 종종 강철, 스테인리스강, 글라스 라이닝 강철, 유리 또는 특수 합금으로 만들어진 반응기 용기입니다.

1리터보다 작을 수도 있고 15,000리터보다 클 수도 있습니다.

대부분의 경우 액체와 고체는 상단 덮개의 구멍을 통해 반응기에 투입됩니다.

증기와 가스는 상단의 구멍에서 나오고 액체는 하단의 구멍에서 나옵니다.

반응 매체

반응이 일어나는 것을 반응 매질이라고 합니다.

수행되는 반응 유형에 따라 기체상, 액체상 또는 액체-고체상일 수 있습니다.

헤드스페이스

헤드스페이스는 매체 위의 빈 공간입니다.

반응 중에 생성되는 가스 또는 증기를 위한 공간을 제공합니다.

선동자

교반기는 다른 부분을 혼합하고 반응에서 열을 추가하거나 제거하는 데 필요합니다.

반응 유형에 따라 축류 임펠러 또는 방사형 임펠러로 만들어 다양한 유형의 혼합을 제공할 수 있습니다.

회분식 반응기의 장점과 과제

회분식 반응기의 가장 좋은 점 중 하나는 유연성입니다.

하나의 선박이 격리를 중단하지 않고 일련의 다른 작업을 수행할 수 있습니다.

이것은 작업자가 다칠 위험을 낮추기 때문에 유독성 물질로 작업할 때 유용합니다.

그러나 회분식 반응기는 역혼합과 같은 몇 가지 문제가 있어 반응물이 용기에 고르게 퍼지지 않아 제품의 품질이 나빠질 수 있습니다.

배치 반응기 설계 및 크기 조정

특정 반응을 위한 회분식 반응기를 설계하고 크기를 조정할 때 몇 가지 사항을 고려해야 합니다.

여기에는 반응 역학, 열 전달, 물질 전달, 혼합 및 상 거동이 포함됩니다.

설계는 반응기가 안전하고 효율적으로 반응을 수행하고 제품 사양을 충족하며 생산 비용을 가능한 한 낮게 유지할 수 있도록 해야 합니다.

대부분의 경우 회분식 반응기의 크기를 파악한다는 것은 반응물을 특정 방식으로 변환하고 충분한 혼합 및 열 전달을 허용하는 데 필요한 반응기의 부피를 파악하는 것을 의미합니다.

원자로에서 최상의 성능을 얻으려면 설계 및 크기 조정 프로세스에 실험, 시뮬레이션 및 모델이 포함될 수 있습니다.

회분식 반응기에서 특정 전환 수준에 도달하는 데 걸리는 시간은 반응 속도와 원하는 전환 정도에 따라 다릅니다.

따라서 특정 반응에 적합한 회분식 반응기 부피를 파악하려면 반응 속도, 반응물의 초기 농도, 원하는 전환 수준, 반응기의 시간 등을 고려해야 합니다. 실행됩니다.

이 정보는 반응 속도 상수 및 화학양론적 계수와 같은 매개변수를 계산하여 회분식 반응기에 적합한 크기를 파악하는 데 사용할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 많은 양의 반응물을 연속적으로 처리할 수 있는 CSTR 및 PFR과 달리 회분식 반응기는 한 번에 특정 수의 반응물만 처리할 수 있습니다.

따라서 회분식 반응기는 연속 흐름 반응기와 동일한 양의 종 A를 하루에 처리하지 못할 수 있습니다.

그러나 회분식 반응기는 아직 완전히 개발되지 않은 새로운 프로세스를 테스트하고 값비싼 제품을 만드는 소규모 작업에 여전히 유용합니다.

즉, 회분식 반응기에는 반응기 용기, 반응 매질, 헤드스페이스 및 교반기와 같은 몇 가지 중요한 부품이 있습니다.

유연하고 둘 이상의 용도로 사용할 수 있다는 이점이 있지만 백믹싱과 같은 문제도 있습니다.

특정 반응에 대한 회분식 반응기를 설계하고 크기를 조정하려면 반응 동역학, 열 전달, 물질 전달, 혼합 및 상 거동과 같은 것에 대해 생각해야 합니다.

배치 반응기의 계산

몰 균형 방정식 및 직렬 반응

직렬 반응이 있는 회분식 반응기의 경우 반응기에 물질이 얼마나 있는지 파악하려면 몰 균형 방정식을 사용해야 합니다.

몰 균형 방정식은 반응기의 각 몰 양이 얼마나 빨리 변하는지 파악하는 데 사용됩니다.

회분식 반응기의 몰 균형 방정식은 다음과 같습니다.

dN_i/dt = r_i*V

여기서 N_i는 화학종 i의 몰수, t는 시간, r_i는 화학종 i의 반응 속도, V는 반응기의 부피입니다.

일련의 반응 동안 회분식 반응기에 각 종이 얼마나 있는지 알고 싶을 때마다 이 방정식을 사용할 수 있습니다.

고온 공정을 위한 배치 비누화 반응기 크기 조정

비누화는 지방과 잿물을 비누로 바꾸는 화학 공정입니다.

비누화의 고온 공정을 위해 회분식 반응기가 사용됩니다.

고온 공정의 경우 배치 비누화 반응기의 크기는 만들어야 하는 비누의 양과 만들고 있는 비누의 종류에 따라 달라집니다.

반응기의 크기 외에도 반응기 표면적도 반응 속도를 변경할 수 있습니다.

배플이 있는 반응기나 종횡비가 더 높은 반응기를 사용하면 표면적을 더 크게 만들 수 있습니다.

고온 비누화 공정을 위해 반응기의 온도는 70°C와 85°C 사이를 유지해야 합니다.

반응에 걸리는 시간은 만들고자 하는 비누의 양에 따라 다릅니다.

몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있습니다.

회분식 반응기를 사용하여 비누화 동역학을 연구할 수 있습니다.

자기 교반이 있는 회분식 반응기와 유리 재킷을 사용하여 학생들은 다양한 온도에서 2차 반응의 속도 상수를 알아낼 수 있습니다.

비누화 반응은 충전층 관형 반응기에서 반응 전환율을 파악하는 데에도 사용할 수 있습니다.

배치 반응기의 테스트 및 최적화

고체로 회분식 반응기 테스트 수행

고체로 회분식 반응기 테스트를 수행할 때 고체 및 액체 반응물은 일반적으로 교반기가 있는 용기에서 혼합됩니다.

그런 다음 혼합물을 일정 시간 동안 반응하도록 둡니다.

그 후, 고체는 일반적으로 여과 또는 원심 분리에 의해 액체에서 분리됩니다.

그런 다음 반응이 얼마나 진행되었는지 확인하기 위해 액상에서 관심 종의 농도를 측정합니다.

고체로 회분식 반응기 테스트를 계획할 때 고체 입자의 크기, 반응물의 초기 농도 및 원하는 변환 수준도 고려해야 합니다.

수정된 실험실 배치 반응기 테스트

활성 슬러지 내 휘발성 유기 화합물의 생분해는 실험실의 회분식 반응기에서 테스트되었습니다.

기체 상태에서 샘플링하기 위한 SPME(Solid-Phase Microextraction) 섬유를 포함하도록 테스트가 변경되었습니다.

이렇게 하면 드래프트 튜브가 필요하지 않으며 고체와 함께 사용하기가 더 쉬워집니다.

시퀀싱 배치 반응기(SBR) 시스템

시퀀싱 배치 반응기(SBR)는 폐수를 채우고 배수하는 방식으로 폐수를 처리하는 활성 슬러지 시스템입니다.

이 시스템에서 폐수는 단일 배치 반응기에 투입됩니다.

2개 이상의 회분식 반응기가 정해진 순서대로 사용되어 시스템에서 최상의 성능을 얻습니다.

SBR 시스템은 도시와 공장의 폐수를 처리하는 데 사용되었습니다.

물질 균형 방정식

물질 균형 방정식은 화학 반응이 일어날 때 회분식 반응기에서 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하는 데 사용할 수 있습니다.

예를 들어 방정식 d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V입니다. Rj dV는 잘 교반된 회분식 반응기에 사용할 수 있습니다. 반응기 내에서 좋은 혼합으로 인해 적분을 평가하기가 간단하기 때문입니다.

반 배치 반응기

세미 배치 반응기는 항상 실행되는 배치 반응기와 교반 탱크 반응기(CSTR)의 기능을 모두 가지고 있습니다.

CSTR처럼 반응이 진행되는 동안 피드를 추가할 수 있지만 배치 반응기처럼 처음에는 반응물로 채워집니다.

대부분의 경우 반회분식 반응기는 반응이 하나의 시약을 천천히 추가해야 하거나 반응이 회분식 반응기에서 수행하기에 너무 뜨거울 때 사용됩니다.

배치 반응기 개요

팁: 필요한 경우 캡션 버튼을 켭니다. 구어에 익숙하지 않은 경우 설정 버튼에서 "자동 번역"을 선택하십시오. 좋아하는 언어를 번역할 수 있게 되기 전에 먼저 동영상의 언어를 클릭해야 할 수도 있습니다.

사용 사례

결론

결국 회분식 반응기는 다양한 분야의 화학 엔지니어에게 중요한 도구입니다.

이를 통해 반응 조건을 매우 정확하게 제어할 수 있으며 이는 일관된 고품질 제품을 만드는 데 중요합니다.

그러나 회분식 반응기는 훌륭한 기술이지만 만병통치약은 아닙니다.

결함이 있기 때문에 모든 종류의 반응에 사용할 수 없습니다.

엔지니어로서 이러한 문제를 해결하고 복잡한 화학 제품을 더 쉽게 만드는 데 도움이 되는 새로운 아이디어를 계속 제시하고 새로운 기술을 시도하는 것이 우리의 임무입니다.

우리가 가능한 것의 한계를 뛰어넘는다면 우리 자신과 지구를 위해 더 나은 미래를 만들 수 있습니다.

따라서 더 좋고, 더 효율적이고, 더 장기적인 솔루션을 찾기 위해 계속해서 새로운 것을 찾고 시도합시다.

링크 및 참조

몰 균형:

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

프로세스 엔지니어링의 리액터:

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