Inleiding Tot Batchreactoren: Basisprincipes En Toepassingen

Heb je er ooit over nagedacht hoe de chemische reacties plaatsvinden die dingen als medicijnen en brandstof veroorzaken?

Je weet dat deze reacties niet vanzelf ontstaan ​​omdat je een ingenieursstudent of ingenieur bent.

Ze hebben exacte omstandigheden nodig, zorgvuldig afgemeten hoeveelheden reactanten en katalysatoren en het juiste type reactor.

De batchreactor helpt daarbij.

De batchreactor is een belangrijk hulpmiddel voor elke scheikundig ingenieur omdat hij een breed scala aan reacties aankan en de omstandigheden van die reacties zeer nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd.

In dit artikel zal ik in detail ingaan op batchreactoren, over hun onderdelen, voordelen en gebruik.

Of je nu een ervaren ingenieur bent of net begint, dit artikel geeft je de informatie die je nodig hebt om batchreactoren te begrijpen en hoe belangrijk ze zijn in de wereld van chemische technologie.

Inleiding tot batchreactoren

Formele definitie:

Een chemische reactor waarin de reactanten en katalysator in de gewenste hoeveelheden worden ingebracht en het vat vervolgens wordt gesloten voor de levering van extra materiaal.

Batchreactoren zijn flexibele machines die voor veel verschillende procesbewerkingen kunnen worden gebruikt.

Enkele van de meest voorkomende dingen die batchreactoren doen, zijn:

Met behulp van batchreactoren kunnen vaste stoffen in vloeistoffen worden opgelost.

De vaste stoffen en het oplosmiddel worden in de reactor gebracht en het mengsel wordt geroerd totdat alle vaste stoffen zijn opgelost.

• Producten mengen: Batchreactoren worden gebruikt om verschillende producten te mengen om het gewenste mengsel te maken.

Dit kan handig zijn in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, waar verschillende ingrediënten worden gemengd om een ​​bepaald product te maken.

• Chemische reacties: De meeste chemische reacties vinden plaats in batchreactoren.

Nadat de reactanten aan de reactor zijn toegevoegd, laat men het mengsel gedurende een bepaalde tijd reageren.

Aan het einde van de batch worden de artikelen eruit gehaald.

• Batchdestillatie: Batchreactoren kunnen ook worden gebruikt voor batchdestillatie, wat een manier is om delen van een mengsel te scheiden op basis van hun kookpunt.

Voor- en nadelen van batchreactoren

Batchreactoren hebben een aantal voordelen, zoals:

Batchreactoren zijn veelzijdig omdat ze meer dan één ding in één vat kunnen doen zonder de omsluiting te doorbreken.

Batchreactoren kunnen verschillende producten in dezelfde reactor maken omdat ze voor meer dan één ding kunnen worden gebruikt.

• Hoge conversies: Reagentia kunnen lang in de reactor blijven, wat leidt tot hoge conversies.
• Gemakkelijk te maken en te veranderen: Batchreactoren zijn vrij eenvoudig te maken en te veranderen.

Maar batchreactoren hebben ook enkele problemen, zoals:

• Terugmenging: Terugmenging vindt plaats wanneer materiaal niet wordt verwijderd totdat de reactie voorbij is.

Dit verkort de levensduur van de katalysator en zorgt voor veel afval.

• Beperkte hoeveelheden: batchreactoren zijn niet de beste manier om in één keer veel van een product te maken.
• Variabiliteit van producten: de producten die door batchreactoren worden gemaakt, kunnen van batch tot batch verschillen.
• Moeilijkheden bij grootschalige productie: batchreactoren zijn niet geschikt om veel dingen tegelijk te maken.
• Kostbaar in gebruik: Batchreactoren moeten vaak worden in- en uitgeschakeld, waardoor ze duur in gebruik zijn.

Ontwerpkenmerken van batchreactoren

Batchreactoren worden gemaakt met enkele vergelijkbare onderdelen, zoals:

• Poorten voor het injecteren van reactanten en het verwijderen van producten: Batchreactoren hebben poorten voor het injecteren van reactanten en het verwijderen van producten.
• Warmtewisselaar of roersysteem: Aan een batchreactor kan een warmtewisselaar of een roersysteem worden toegevoegd.
• Constant volume: Batchreactoren hebben meestal een constant volume, maar sommige zijn zo gemaakt dat het volume kan worden gewijzigd om een ​​constante druk te behouden.

Kortom, batchreactoren zijn eenvoudige containers die in de procesindustrie voor uiteenlopende taken worden gebruikt.

Ze zijn veelzijdig, kunnen voor meer dan één ding worden gebruikt, hebben een hoge conversieratio en zijn gemakkelijk aan te maken en te wijzigen.

Maar ze hebben ook wat problemen, zoals terugmenging, beperkte hoeveelheden, verschillende producten, moeite om er veel van te maken, een korte levensduur van de katalysator en verspilling.

Batchreactoren worden vaak gebruikt voor kleinschalige klussen, het testen van nieuwe methoden en het maken van dure goederen.

Ze worden ook vaak gebruikt in laboratoria voor kleinschalige productie en om het fermentatieproces voor dranken op gang te brengen.

De onvoorspelbaarheid omarmen: de opwinding en risico's van batchreactoren

Nog steeds moeilijk te begrijpen? Laat me het standpunt een beetje veranderen:

Chemici, let op! Wil je dat je werk interessanter wordt? Ben je het beu dat steeds dezelfde dingen gebeuren? De batchreactor is alles wat je nodig hebt.

De batchreactor is perfect voor chaos, onvoorspelbaarheid en misschien zelfs een beetje opwinding, omdat je reactanten en katalysatoren kunt toevoegen in de gewenste hoeveelheden en vervolgens het vat kunt sluiten om te voorkomen dat er meer materialen binnenkomen.

Wie geeft er om controle en consistentie? Accepteer het feit dat de batchreactor moeilijk te voorspellen is en kijk waar het je naartoe brengt.

Oké, dat was maar een grap gemaakt om eruit te zien als een tv-reclame.

Laten we nu teruggaan naar de uitleg.

Componenten van batchreactoren

Batchreactoren zijn vaten die in de procesindustrie worden gebruikt om bijvoorbeeld vaste stoffen op te lossen, producten te mengen, chemische reacties uit te voeren en batchgewijs te destilleren.

Het reactorvat, het reactiemedium, de vrije ruimte en een roerder zijn de vier hoofdonderdelen.

Reactorschip

Het belangrijkste onderdeel van een batchreactor is het reactorvat, dat vaak is gemaakt van staal, roestvrij staal, met glas bekleed staal, glas of een exotische legering.

Het kan kleiner zijn dan 1 liter of groter dan 15.000 liter.

Meestal worden vloeistoffen en vaste stoffen in de reactor gebracht via gaten in de bovenklep.

Dampen en gassen komen uit gaten in de bovenkant en vloeistoffen komen uit gaten in de bodem.

Reactiemedium

Het ding waarin de reactie plaatsvindt, wordt het reactiemedium genoemd.

Afhankelijk van het type reactie dat wordt uitgevoerd, kan deze zich in een gasfase, een vloeibare fase of een vloeistof-vaste fase bevinden.

Hoofdruimte

Headspace is de lege ruimte boven het medium.

Het geeft ruimte aan het gas of de damp die ontstaat tijdens de reactie.

Roerwerk

De agitator is nodig om de verschillende onderdelen te mengen en warmte aan de reactie toe te voegen of te verwijderen.

Afhankelijk van het type reactie kan het worden gemaakt met axiale waaiers of radiale waaiers om verschillende soorten menging te bieden.

Voordelen en uitdagingen van batchreactoren

Een van de beste dingen van batchreactoren is hoe flexibel ze zijn.

Een enkel vaartuig kan een reeks verschillende taken uitvoeren zonder de omsluiting te doorbreken.

Dit is handig bij het werken met giftige materialen, omdat het het risico verkleint dat werknemers gewond raken.

Maar batchreactoren hebben een aantal problemen, zoals terugmenging, wat de kwaliteit van het product slecht kan maken omdat de reagentia niet gelijkmatig in het vat zijn verdeeld.

Ontwerp en dimensionering van batchreactoren

Er moet met verschillende dingen rekening worden gehouden bij het ontwerpen en dimensioneren van een batchreactor voor een bepaalde reactie.

Deze omvatten de kinetiek van de reactie, warmteoverdracht, massaoverdracht, menging en fasegedrag.

Het ontwerp moet ervoor zorgen dat de reactor de reactie veilig en efficiënt kan uitvoeren, voldoet aan de specificaties van het product en de productiekosten zo laag mogelijk houdt.

Meestal betekent het uitzoeken van de grootte van een batchreactor het uitzoeken van het volume van de reactor dat nodig is om de reactanten op een bepaalde manier om te zetten en voldoende menging en warmteoverdracht mogelijk te maken.

Om de beste prestaties uit de reactor te halen, kan het ontwerp- en dimensioneringsproces experimenten, simulaties en modellen omvatten.

In een batchreactor hangt de tijd die nodig is om een ​​bepaald conversieniveau te bereiken af ​​van hoe snel de reactie verloopt en hoeveel conversie je wilt.

Om het juiste batchreactorvolume voor een bepaalde reactie te bepalen, moet u dus nadenken over zaken als de snelheid van de reactie, de beginconcentraties van de reactanten, het gewenste conversieniveau en de hoeveelheid tijd dat de reactor zal lopen.

Deze informatie kan worden gebruikt om de juiste maat voor een batchreactor te bepalen door parameters zoals reactiesnelheidsconstanten en stoichiometrische coëfficiënten te berekenen.

In tegenstelling tot CSTR's en PFR's, die in de loop van de tijd continu grote hoeveelheden reactanten kunnen verwerken, kunnen batchreactoren slechts een bepaald aantal reactanten tegelijk verwerken.

Het is dus mogelijk dat een batchreactor niet dezelfde hoeveelheid soort A per dag kan verwerken als een reactor met continue stroom.

Maar batchreactoren zijn nog steeds nuttig voor kleinschalige operaties, het testen van nieuwe processen die nog niet volledig zijn ontwikkeld en het maken van dure producten.

Kortom, batchreactoren hebben verschillende belangrijke onderdelen, zoals het reactorvat, het reactiemedium, de vrije ruimte en het roerwerk.

Ze hebben voordelen zoals flexibel zijn en voor meer dan één ding kunnen worden gebruikt, maar ze hebben ook problemen zoals terugmenging.

Om een ​​batchreactor voor een bepaalde reactie te ontwerpen en te dimensioneren, moet je nadenken over zaken als reactiekinetiek, warmteoverdracht, massaoverdracht, menging en fasegedrag.

Berekeningen in batchreactoren

Molbalansvergelijking en reeksreactie

Voor een batchreactor met een seriereactie moeten we de molbalansvergelijking gebruiken om erachter te komen hoeveel van een stof zich in de reactor bevindt.

De molbalansvergelijking wordt gebruikt om erachter te komen hoe snel de hoeveelheid van elke mol in de reactor verandert.

De molbalansvergelijking voor een batchreactor is:

dN_i/dt = r_i*V

waarin N_i het aantal molen van soort i is, t tijd is, r_i de reactiesnelheid is van soort i, en V het volume van de reactor is.

Wanneer we willen weten hoeveel van elke soort zich tijdens een seriereactie in een batchreactor bevindt, kunnen we deze vergelijking gebruiken.

Dimensionering van een batchverzepingsreactor voor het hete proces

Verzeping is een chemisch proces dat vetten en logen omzet in zeep.

Voor het hete proces van verzeping wordt een batchreactor gebruikt.

Voor het hete proces zal de grootte van de batchverzepingsreactor afhangen van hoeveel zeep er gemaakt moet worden en wat voor soort zeep er gemaakt wordt.

Naast de grootte van de reactor kan ook de oppervlakte van de reactor de snelheid van de reactie veranderen.

Als je een reactor gebruikt met schotten of een reactor met een hogere beeldverhouding, kun je het oppervlak groter maken.

Voor het hete verzepingsproces dient de temperatuur van de reactor tussen 70°C en 85°C gehouden te worden.

Hoe lang de reactie duurt hangt af van hoeveel zeep je wilt maken.

Het kan enkele uren tot enkele dagen duren.

Een batchreactor kan worden gebruikt om de kinetiek van verzeping te bestuderen.

Met behulp van een batchreactor met magnetische roering en een glazen omhulsel kunnen leerlingen de snelheidsconstanten van een tweede orde reactie bij verschillende temperaturen berekenen.

De verzepingsreactie kan ook worden gebruikt om de reactieconversie in een gepakt bed buisreactor te berekenen.

Testen en optimaliseren in batchreactoren

Batchreactortesten uitvoeren met vaste stoffen

Bij het uitvoeren van een batchreactortest met een vaste stof, worden de vaste en vloeibare reactanten gewoonlijk gemengd in een vat met een roerder.

Vervolgens laat men het mengsel een bepaalde tijd reageren.

Daarna wordt de vaste stof meestal door filtratie of centrifugatie van de vloeistof gescheiden.

Vervolgens wordt, om erachter te komen hoe ver de reactie ging, de concentratie van de soort van interesse in de vloeibare fase gemeten.

Bij het plannen van een batchreactortest met een vaste stof, moet u ook nadenken over de grootte van de deeltjes van de vaste stof, de initiële concentratie van reactanten en het gewenste conversieniveau.

Gemodificeerde laboratoriumbatchreactortest

De biologische afbraak van vluchtige organische stoffen in actief slib is getest in een batchreactor in het laboratorium.

De test is gewijzigd om vaste fase micro-extractie (SPME) vezels op te nemen voor bemonstering in de gasfase.

Dit elimineert de behoefte aan een trekbuis en maakt het gemakkelijker om met vaste stoffen te gebruiken.

Sequencing Batch Reactor (SBR) systemen

Een sequencing batch reactor (SBR) is een actief slibsysteem dat afvalwater zuivert door het te vullen en daarna leeg te laten lopen.

In dit systeem wordt afvalwater in een enkele batchreactor gebracht.

Twee of meer batchreactoren worden in een vaste volgorde gebruikt om de beste prestaties uit het systeem te halen.

SBR-systemen zijn gebruikt om afvalwater van zowel steden als fabrieken te behandelen.

Materiële balansvergelijking

De materiaalbalansvergelijking kan worden gebruikt om erachter te komen wat er gebeurt in batchreactoren wanneer chemische reacties plaatsvinden.

Bijvoorbeeld de vergelijking d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV kan worden gebruikt voor goed geroerde batchreactoren omdat de integralen eenvoudig te evalueren zijn vanwege de goede menging in de reactor.

Semi-batchreactoren

Semi-batchreactoren hebben kenmerken van zowel batchreactoren als geroerde tankreactoren die de hele tijd draaien (CSTR's).

Ze kunnen voer toevoegen terwijl de reactie aan de gang is, zoals CSTR's, maar ze zijn aan het begin gevuld met reactant, zoals batchreactoren.

Meestal worden semi-batch-reactoren gebruikt wanneer een reactie één reagens langzaam moet toevoegen of wanneer de reactie te heet is om in een batch-reactor te worden uitgevoerd.

Overzicht batchreactor

Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u de gesproken taal niet kent. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.

Gebruik gevallen

Conclusie

Uiteindelijk is de batchreactor een belangrijk hulpmiddel voor scheikundig ingenieurs op veel verschillende gebieden.

Hiermee kunt u de omstandigheden van een reactie zeer nauwkeurig regelen, wat belangrijk is voor het maken van consistente producten van hoge kwaliteit.

Maar hoewel de batchreactor een geweldig stuk technologie is, is het geen wondermiddel.

Het kan niet voor elk soort reactie worden gebruikt, omdat het een aantal tekortkomingen heeft.

Als ingenieurs is het onze taak om steeds met nieuwe ideeën te komen en nieuwe technologieën uit te proberen die ons kunnen helpen deze problemen te omzeilen en het gemakkelijker maken om complexe chemische producten te maken.

We kunnen een betere toekomst voor onszelf en de planeet creëren als we de grenzen verleggen van wat mogelijk is.

Dus laten we blijven zoeken en nieuwe dingen proberen om betere, efficiëntere en meer langetermijnoplossingen te vinden.

Links en referenties

Mollenbalansen:

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

Reactoren in procestechniek:

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