Har du noen gang tenkt på hvordan de kjemiske reaksjonene som får ting som medisin og drivstoff til å skje?
Du vet at disse reaksjonene ikke bare skjer av seg selv fordi du er ingeniørstudent eller ingeniør.
De trenger nøyaktige forhold, nøye målte mengder reaktanter og katalysatorer, og riktig type reaktor.
Batchreaktoren hjelper til med dette.
Batch-reaktoren er et viktig verktøy for enhver kjemisk ingeniør fordi den kan håndtere et bredt spekter av reaksjoner og betingelsene for disse reaksjonene kan kontrolleres veldig nøyaktig.
I denne artikkelen vil jeg gå i detalj om batch-reaktorer, og snakke om deres deler, fordeler og bruk.
Enten du er en erfaren ingeniør eller nettopp har begynt, vil denne artikkelen gi deg informasjonen du trenger for å forstå batchreaktorer og hvor viktige de er i kjemiteknikkens verden.
Introduksjon til batchreaktorer
Formell definisjon:
En kjemisk reaktor hvor reaktantene og katalysatoren innføres i de ønskede mengder og beholderen lukkes for levering av ytterligere materiale.
Batchreaktorer er fleksible maskiner som kan brukes til mange forskjellige prosessoperasjoner.
Noen av de vanligste tingene som batchreaktorer gjør er:
Faste stoffer kan løses opp i væsker ved hjelp av batch-reaktorer.
De faste stoffene og løsningsmidlet settes inn i reaktoren, og blandingen omrøres inntil alt faststoffet er oppløst.
- Blande produkter: Batch-reaktorer brukes til å blande sammen ulike produkter for å lage den blandingen du ønsker.
Dette kan være nyttig i mat- og drikkeindustrien, hvor ulike ingredienser blandes for å lage et bestemt produkt.
- Kjemiske reaksjoner: De fleste kjemiske reaksjoner utføres i batch-reaktorer.
Etter tilsetning av reaktantene til reaktoren får blandingen reagere i en bestemt tidsperiode.
På slutten av partiet tas varene ut.
- Batchdestillasjon: Batchreaktorer kan også brukes til batchdestillasjon, som er en måte å skille deler av en blanding på basert på kokepunktene deres.
Fordeler og ulemper med batchreaktorer
Batchreaktorer har en rekke fordeler, for eksempel:
Batch-reaktorer er allsidige fordi de kan gjøre mer enn én ting i et enkelt fartøy uten å bryte inneslutningen.
Batchreaktorer kan lage forskjellige produkter i samme reaktor fordi de kan brukes til mer enn én ting.
- Høye konverteringer: Reagenser kan forbli i reaktoren i lang tid, noe som fører til høye konverteringer.
- Enkelt å lage og endre: Batch-reaktorer er ganske enkle å lage og endre.
Men batch-reaktorer har også noen problemer, for eksempel:
- Tilbakeblanding: Tilbakeblanding skjer når materialet ikke tas ut før reaksjonen er over.
Dette forkorter levetiden til katalysatoren og gjør mye avfall.
- Begrensede mengder: Batch-reaktorer er ikke den beste måten å lage mye av et produkt på en gang.
- Variasjon av produkter: Produktene laget av batch-reaktorer kan være forskjellige fra en batch til den neste.
- Vanskeligheter med storskala produksjon: Batch-reaktorer er ikke gode for å lage mange ting på en gang.
- Kostbare å drifte: Batch-reaktorer må slås av og på ofte, noe som gjør dem dyre i drift.
Designfunksjoner for batchreaktorer
Batch-reaktorer er laget med noen lignende deler, for eksempel:
- Porter for injeksjon av reaktanter og fjerning av produkter: Batch-reaktorer har porter for injeksjon av reaktanter og fjerning av produkter.
- Varmeveksler eller røresystem: En varmeveksler eller et røresystem kan legges til en batchreaktor.
- Konstant volum: Batchreaktorer har vanligvis et konstant volum, men noen er laget slik at volumet kan endres for å holde et konstant trykk.
Kort fortalt er batch-reaktorer enkle beholdere som brukes i prosessindustrien til et bredt spekter av oppgaver.
De er allsidige, kan brukes til mer enn én ting, har høye konverteringsfrekvenser og er enkle å lage og endre.
Men de har også noen problemer, som tilbakeblanding, begrensede mengder, forskjellige produkter, vanskeligheter med å lage mange av dem, kort levetid for katalysatoren og avfall.
Batchreaktorer brukes ofte til småskalajobber, testing av nye metoder og produksjon av dyre varer.
De brukes også ofte i laboratorier for småskala produksjon og for å starte gjæringsprosessen for drinker.
Omfavne uforutsigbarheten: spenningen og risikoen ved batchreaktorer
Fortsatt vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:
Kjemikere, vær oppmerksom! Vil at jobben din skal bli mer interessant? Lei av at de samme tingene skjer om og om igjen? Batch-reaktoren er alt du trenger.
Batch-reaktoren er perfekt for kaos, uforutsigbarhet og kanskje til og med litt spenning fordi du kan tilsette reaktanter og katalysatorer i de mengder du ønsker og deretter lukke fartøyet for å hindre at flere materialer kommer inn.
Hvem bryr seg om kontroll og konsistens? Godta det faktum at batch-reaktoren er vanskelig å forutsi og se hvor den tar deg.
Ok, det var bare en spøk laget for å se ut som en TV-reklame.
La oss nå gå tilbake til forklaringen.
Komponenter av batchreaktorer
Batchreaktorer er kar som brukes i prosessindustrien til å gjøre ting som å løse opp faste stoffer, blande produkter, utføre kjemiske reaksjoner og destillere i partier.
Reaktorbeholderen, reaksjonsmediet, headspace og en agitator er de fire hoveddelene.
Reaktorfartøy
Hoveddelen av en batch-reaktor er reaktorkaret, som ofte er laget av stål, rustfritt stål, glassforet stål, glass eller en eksotisk legering.
Den kan være mindre enn 1 liter eller større enn 15 000 liter.
Det meste av tiden blir væsker og faste stoffer satt inn i reaktoren gjennom hull i toppdekselet.
Damper og gasser kommer ut av hull i toppen, og væsker kommer ut av hull i bunnen.
Reaksjonsmedium
Det som reaksjonen foregår i kalles reaksjonsmediet.
Avhengig av hvilken type reaksjon som utføres, kan den være i en gassfase, en flytende fase eller en væske-fast fase.
Headspace
Headspace er det tomme rommet over mediet.
Det gir plass til gassen eller dampen som dannes under reaksjonen.
Agitator
Agitatoren er nødvendig for å blande de forskjellige delene og tilsette eller fjerne varme fra reaksjonen.
Avhengig av typen reaksjon, kan den lages med aksialstrømningshjul eller radialstrømningshjul for å gi forskjellige typer blanding.
Fordeler og utfordringer med batchreaktorer
Noe av det beste med batch-reaktorer er hvor fleksible de er.
Et enkelt fartøy kan utføre en rekke forskjellige oppgaver uten å bryte inneslutningen.
Dette er nyttig når du arbeider med giftige materialer fordi det reduserer risikoen for at arbeidere blir skadet.
Men batch-reaktorer har noen problemer, som tilbakeblanding, som kan gjøre kvaliteten på produktet dårlig fordi reaktantene ikke spres jevnt ut i karet.
Designe og dimensjonere batchreaktorer
Flere ting må tas i betraktning når man designer og dimensjonerer en batch-reaktor for en bestemt reaksjon.
Disse inkluderer kinetikken til reaksjonen, varmeoverføring, masseoverføring, blanding og faseoppførsel.
Designet skal sørge for at reaktoren kan gjennomføre reaksjonen sikkert og effektivt, oppfylle spesifikasjonene for produktet, og holde produksjonskostnadene så lave som mulig.
Mesteparten av tiden betyr å finne ut størrelsen på en batch-reaktor å finne ut volumet av reaktoren som trengs for å konvertere reaktantene på en bestemt måte og tillate nok blanding og varmeoverføring.
For å få den beste ytelsen ut av reaktoren, kan design- og dimensjoneringsprosessen involvere eksperimenter, simuleringer og modeller.
I en batch-reaktor avhenger tiden det tar å nå et visst konverteringsnivå av hvor raskt reaksjonen går og hvor mye konvertering du ønsker.
Så, for å finne ut riktig batch-reaktorvolum for en bestemt reaksjon, må du tenke på ting som reaksjonshastigheten, de innledende konsentrasjonene av reaktantene, konverteringsnivået du ønsker, og hvor lang tid reaktoren tar. Vil kjøre.
Denne informasjonen kan brukes til å finne ut riktig størrelse for en batch-reaktor ved å beregne parametere som reaksjonshastighetskonstanter og støkiometriske koeffisienter.
I motsetning til CSTR-er og PFR-er, som kan behandle store mengder reaktanter kontinuerlig over tid, kan batch-reaktorer bare håndtere et visst antall reaktanter på en gang.
Så, en batch-reaktor vil kanskje ikke være i stand til å håndtere samme mengde art A per dag som en kontinuerlig strømningsreaktor.
Men batch-reaktorer er fortsatt nyttige for småskalaoperasjoner, testing av nye prosesser som ikke er ferdig utviklet ennå, og for å lage dyre produkter.
Kort sagt har batch-reaktorer flere viktige deler, som reaktorbeholderen, reaksjonsmediet, headspace og agitatoren.
De har fordeler som å være fleksible og kunne brukes til mer enn én ting, men de har også problemer som backmixing.
For å designe og dimensjonere en batch-reaktor for en bestemt reaksjon, må du tenke på ting som reaksjonskinetikk, varmeoverføring, masseoverføring, blanding og faseadferd.
Beregninger i batchreaktorer
Molebalanselikning og seriereaksjon
For en batchreaktor med en seriereaksjon, må vi bruke molbalanselikningen for å finne ut hvor mye av et stoff som er i reaktoren.
Molbalanselikningen brukes til å finne ut hvor raskt mengden av hver mol i reaktoren endres.
Molbalanseligningen for en batch-reaktor er:
dN_i/dt = r_i*V
hvor N_i er antall mol av art i, t er tid, r_i er reaksjonshastigheten for art i, og V er volumet til reaktoren.
Når vi ønsker å vite hvor mye av hver art som er i en batch-reaktor under en seriereaksjon, kan vi bruke denne ligningen.
Dimensjonering av en batchforsåpningsreaktor for den varme prosessen
Forsåpning er en kjemisk prosess som gjør fett og lut til såpe.
For den varme forsåpningsprosessen brukes en batch-reaktor.
For den varme prosessen vil størrelsen på batchforsåpningsreaktoren avhenge av hvor mye såpe som må lages og hva slags såpe som lages.
I tillegg til størrelsen på reaktoren, kan også arealet av reaktorens overflate endre hvor raskt reaksjonen skjer.
Hvis du bruker en reaktor med bafler eller en med høyere sideforhold, kan du gjøre overflaten større.
For den varme forsåpningsprosessen bør temperaturen i reaktoren holdes mellom 70°C og 85°C.
Hvor lang tid reaksjonen tar avhenger av hvor mye såpe du vil lage.
Det kan ta alt fra flere timer til flere dager.
En batch-reaktor kan brukes til å studere kinetikken til forsåpning.
Ved hjelp av en batch-reaktor med magnetisk omrøring og en glasskappe kan elevene finne ut hastighetskonstantene for en annenordens reaksjon ved forskjellige temperaturer.
Forsåpningsreaksjonen kan også brukes til å finne ut reaksjonskonverteringen i en rørformet reaktor med pakket lag.
Testing og optimalisering i batchreaktorer
Utføre batch-reaktortester med faste stoffer
Når man gjør en batch-reaktortest med et fast stoff, blandes de faste og flytende reaktantene vanligvis i en beholder med en agitator.
Blandingen får deretter reagere i en viss tid.
Etter det separeres det faste stoffet vanligvis fra væsken ved filtrering eller sentrifugering.
Deretter, for å finne ut hvor langt reaksjonen gikk, måles konsentrasjonen av artene av interesse i væskefasen.
Når du planlegger en batch-reaktortest med et fast stoff, bør du også tenke på størrelsen på faststoffets partikler, startkonsentrasjonen av reaktanter og omdannelsesnivået du ønsker.
Modifisert Laboratory Batch Reactor Test
Den biologiske nedbrytningen av flyktige organiske forbindelser i aktivert slam er testet i en batch-reaktor i laboratoriet.
Testen er endret til å inkludere solid-fase mikroekstraksjon (SPME) fibre for prøvetaking i gassfasen.
Dette eliminerer behovet for et trekkrør og gjør det enklere å bruke med faste stoffer.
Sequencing Batch Reactor (SBR) Systemer
En sekvenseringsbatchreaktor (SBR) er et aktivert slamsystem som behandler avløpsvann ved å fylles og deretter dreneres.
I dette systemet blir avløpsvann satt inn i en enkelt batch-reaktor.
To eller flere batch-reaktorer brukes i en bestemt rekkefølge for å få best mulig ytelse ut av systemet.
SBR-systemer har blitt brukt til å rense avløpsvann fra både byer og fabrikker.
Materialbalanseligning
Materialbalanselikningen kan brukes til å finne ut hva som skjer i batchreaktorer når kjemiske reaksjoner skjer.
For eksempel, ligningen d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV kan brukes til godt omrørte batch-reaktorer fordi integralene er enkle å evaluere på grunn av god blanding i reaktoren.
Semi-batch reaktorer
Semi-batch-reaktorer har funksjoner til både batch-reaktorer og omrørte-tankreaktorer som går hele tiden (CSTR).
De kan legge til fôr mens reaksjonen pågår, som CSTR-er, men de er fylt med reaktant ved starten, som batch-reaktorer.
Mesteparten av tiden brukes semi-batch-reaktorer når en reaksjon trenger å tilsette ett reagens sakte eller når reaksjonen er for varm til å utføres i en batch-reaktor.
Batch-reaktoroversikt
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med talespråket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Brukssaker
| Brukt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Syntese av kjemikalier: | Under kjemisk syntese brukes batch-reaktorer ofte til å lage et bredt spekter av produkter, for eksempel medikamenter, spesialkjemikalier og plast. I denne prosessen fylles batch-reaktoren med riktige mengder reaktanter og katalysatorer, og beholderen forsegles deretter slik at det ikke kan tilsettes flere materialer. Etter at det har gått en viss tid, tas produktet ut av reaksjonen. |
| Polymerisasjon: | Polymerisering er prosessen med å kombinere monomerer for å lage polymerer. Batch-reaktorer brukes ofte i denne prosessen. Batch-reaktoren brukes til å starte reaksjonen og holde den under kontroll. Dette gjør det mulig å nøyaktig kontrollere størrelsen og formen på polymeren som lages. Dette betyr at det kan lages et bredt spekter av polymerprodukter med ulike egenskaper. |
| Fermentering: | I gjæringsprosessen, som brukes til å lage biodrivstoff, medisiner og matprodukter, brukes ofte batch-reaktorer. I denne prosessen blir næringsstoffer og andre ting satt inn i reaktoren sammen med mikroorganismer. Deretter lukkes reaktoren, og mikroorganismene får en viss tid til å fermentere ingrediensene. Etter den tid tas produktet ut av reaktoren. |
| Håndtere søppel: | Batchreaktorer kan også brukes til å behandle avløpsvann og andre typer avfall. I denne metoden settes avfallet og kjemikaliene eller mikroorganismene som bryter ned avfallet i en reaktor. Reaktoren slås deretter av, og reaksjonen får fortsette i en viss tid. Når reaksjonen er ferdig, tas avfallet som er renset ut av reaktoren. |
| Varmeoverføring: | Batch-reaktorer kan brukes til å varme eller kjøle et produkt eller gjøre andre ting som involverer varmeoverføring. I denne prosessen pumpes en varmeoverføringsvæske gjennom reaktorens kappe for å flytte varme til eller fra produktet i reaktoren. Dette er en prosess som ofte brukes til å lage mat og drikke. |
Konklusjon
Til syvende og sist er batch-reaktoren et viktig verktøy for kjemiingeniører innen mange ulike felt.
Den lar deg kontrollere betingelsene for en reaksjon veldig nøyaktig, noe som er viktig for å lage konsistente produkter av høy kvalitet.
Men selv om batch-reaktoren er et flott stykke teknologi, er det ikke en kur.
Den kan ikke brukes til alle slags reaksjoner fordi den har noen feil.
Som ingeniører er det vår jobb å fortsette å komme opp med nye ideer og prøve ut nye teknologier som kan hjelpe oss å omgå disse problemene og gjøre det lettere å lage komplekse kjemiske produkter.
Vi kan skape en bedre fremtid for oss selv og planeten hvis vi presser grensene for hva som er mulig.
Så la oss fortsette å lete og prøve nye ting for å finne bedre, mer effektive og mer langsiktige løsninger.
Lenker og referanser
Føflekkbalanser:
https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf
Reaktorer i prosessteknikk:
https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering
Dele på…
