Wprowadzenie Do Reaktorów Okresowych: Podstawy I Zastosowania

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak zachodzą reakcje chemiczne, które powodują, że takie rzeczy jak lekarstwa i paliwo?

Wiesz, że te reakcje nie zdarzają się same, ponieważ jesteś studentem inżynierii lub inżynierem.

Potrzebują dokładnych warunków, dokładnie odmierzonych ilości reagentów i katalizatorów oraz odpowiedniego rodzaju reaktora.

Pomaga w tym reaktor okresowy.

Reaktor okresowy jest ważnym narzędziem dla każdego inżyniera chemika, ponieważ może obsługiwać szeroki zakres reakcji, a warunki tych reakcji można bardzo precyzyjnie kontrolować.

W tym artykule szczegółowo omówię reaktory okresowe, omawiając ich części, zalety i zastosowania.

Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym inżynierem, czy dopiero zaczynasz, ten artykuł dostarczy Ci informacji potrzebnych do zrozumienia reaktorów okresowych i tego, jak ważne są one w świecie inżynierii chemicznej.

Wprowadzenie do reaktorów okresowych

Formalna definicja:

Reaktor chemiczny, w którym reagenty i katalizator są wprowadzane w żądanych ilościach, a naczynie jest następnie zamykane w celu dostarczenia dodatkowego materiału.

Reaktory okresowe to elastyczne maszyny, które mogą być wykorzystywane do wielu różnych operacji procesowych.

Niektóre z najczęstszych rzeczy, które robią reaktory okresowe to:

Ciała stałe można rozpuszczać w cieczach za pomocą reaktorów okresowych.

Substancje stałe i rozpuszczalnik wprowadza się do reaktora i mieszaninę miesza aż do rozpuszczenia wszystkich substancji stałych.

• Mieszanie produktów: Reaktory okresowe służą do mieszania różnych produktów w celu uzyskania pożądanej mieszaniny.

Może to być przydatne w przemyśle spożywczym i napojów, gdzie różne składniki są mieszane w celu wytworzenia określonego produktu.

• Reakcje chemiczne: Większość reakcji chemicznych odbywa się w reaktorach okresowych.

Po dodaniu reagentów do reaktora mieszaninę pozostawia się do przereagowania na określony czas.

Pod koniec partii elementy są następnie wyjmowane.

• Destylacja okresowa: Reaktory okresowe mogą być również używane do destylacji okresowej, która jest sposobem na oddzielenie części mieszaniny na podstawie ich temperatur wrzenia.

Zalety i wady reaktorów okresowych

Reaktory okresowe mają szereg zalet, takich jak:

Reaktory okresowe są wszechstronne, ponieważ mogą wykonywać więcej niż jedną czynność w jednym naczyniu bez naruszania obudowy.

Reaktory okresowe mogą wytwarzać różne produkty w tym samym reaktorze, ponieważ mogą być używane do więcej niż jednej rzeczy.

• Wysokie konwersje: Odczynniki mogą pozostawać w reaktorze przez długi czas, co prowadzi do wysokich konwersji.
• Łatwość tworzenia i zmiany: Reaktory wsadowe są dość łatwe do wykonania i zmiany.

Ale reaktory okresowe mają również pewne problemy, takie jak:

• Mieszanie wsteczne: Mieszanie wsteczne ma miejsce, gdy materiał nie jest usuwany do czasu zakończenia reakcji.

Skraca to żywotność katalizatora i powoduje wiele odpadów.

• Ograniczone ilości: Reaktory wsadowe nie są najlepszym sposobem na wytworzenie wielu produktów naraz.
• Zmienność produktów: Produkty wytwarzane przez reaktory okresowe mogą różnić się w zależności od partii.
• Trudności związane z produkcją na dużą skalę: Reaktory wsadowe nie nadają się do wytwarzania wielu rzeczy naraz.
• Kosztowna eksploatacja: Reaktory okresowe muszą być często włączane i wyłączane, co czyni je kosztownymi w eksploatacji.

Cechy konstrukcyjne reaktorów okresowych

Reaktory okresowe są wykonane z podobnych części, takich jak:

• Porty do wstrzykiwania reagentów i usuwania produktów: Reaktory okresowe mają porty do wstrzykiwania reagentów i usuwania produktów.
• Wymiennik ciepła lub system mieszania: Do reaktora okresowego można dodać wymiennik ciepła lub system mieszania.
• Stała objętość: Reaktory okresowe mają zwykle stałą objętość, ale niektóre są tak skonstruowane, że objętość można zmieniać w celu utrzymania stałego ciśnienia.

Krótko mówiąc, reaktory okresowe to proste zbiorniki, które są wykorzystywane w przemyśle przetwórczym do szerokiego zakresu zadań.

Są wszechstronne, mogą być używane do więcej niż jednej rzeczy, mają wysoki współczynnik konwersji i są łatwe do wykonania i zmiany.

Ale mają też pewne problemy, takie jak mieszanie wsteczne, ograniczone ilości, różne produkty, trudności w wytwarzaniu wielu z nich, krótki czas życia katalizatora i marnotrawstwo.

Reaktory okresowe są często używane do zadań na małą skalę, testowania nowych metod i wytwarzania drogich towarów.

Są również często wykorzystywane w laboratoriach do produkcji na małą skalę oraz do rozpoczęcia procesu fermentacji napojów.

Obejmowanie nieprzewidywalności: emocje i ryzyko związane z reaktorami okresowymi

Nadal trudno to zrozumieć? Zmienię trochę punkt widzenia:

Chemicy, proszę o uwagę! Chcesz, aby Twoja praca była ciekawsza? Masz dość powtarzania tych samych rzeczy? Reaktor okresowy to wszystko, czego potrzebujesz.

Reaktor wsadowy jest idealny do chaosu, nieprzewidywalności, a może nawet odrobiny podniecenia, ponieważ można dodawać reagenty i katalizatory w żądanych ilościach, a następnie zamykać naczynie, aby zapobiec przedostawaniu się większej ilości materiałów.

Kto dba o kontrolę i spójność? Zaakceptuj fakt, że reaktor okresowy jest trudny do przewidzenia i zobacz, dokąd Cię zaprowadzi.

Dobra, to był tylko żart upozorowany na reklamę telewizyjną.

Wróćmy teraz do wyjaśnienia.

Elementy reaktorów okresowych

Reaktory okresowe to zbiorniki używane w przemyśle przetwórczym do rozpuszczania ciał stałych, mieszania produktów, przeprowadzania reakcji chemicznych i destylacji w partiach.

Naczynie reaktora, medium reakcyjne, przestrzeń nad roztworem i mieszadło to cztery główne części.

Naczynie reakcyjne

Główną częścią reaktora okresowego jest zbiornik reaktora, który często jest wykonany ze stali, stali nierdzewnej, stali powlekanej szkłem, szkła lub egzotycznego stopu.

Może być mniejszy niż 1 litr lub większy niż 15 000 litrów.

W większości przypadków ciecze i ciała stałe są wprowadzane do reaktora przez otwory w górnej pokrywie.

Pary i gazy wydostają się przez otwory w górnej części, a ciecze przez otwory w dnie.

Medium reakcyjne

Rzecz, w której zachodzi reakcja, nazywa się środowiskiem reakcji.

W zależności od rodzaju przeprowadzanej reakcji, może to być faza gazowa, faza ciekła lub faza ciecz-ciało stałe.

Przestrzeń nad głową

Headspace to pusta przestrzeń nad medium.

Daje miejsce na gaz lub parę powstającą podczas reakcji.

Mieszadło

Mieszadło jest potrzebne do mieszania różnych części i dodawania lub usuwania ciepła z reakcji.

W zależności od rodzaju reakcji można ją wykonać za pomocą wirników o przepływie osiowym lub wirników o przepływie promieniowym, aby zapewnić różne typy mieszania.

Zalety i wyzwania reaktorów okresowych

Jedną z najlepszych cech reaktorów okresowych jest ich elastyczność.

Pojedynczy statek może wykonać szereg różnych zadań bez rozbijania zabezpieczenia.

Jest to pomocne podczas pracy z materiałami toksycznymi, ponieważ zmniejsza ryzyko odniesienia obrażeń przez pracowników.

Ale reaktory okresowe mają pewne problemy, takie jak mieszanie wsteczne, które może pogorszyć jakość produktu, ponieważ reagenty nie są równomiernie rozłożone w naczyniu.

Projektowanie i wymiarowanie reaktorów okresowych

Podczas projektowania i wymiarowania reaktora okresowego dla określonej reakcji należy wziąć pod uwagę kilka rzeczy.

Obejmują one kinetykę reakcji, przenoszenie ciepła, przenoszenie masy, mieszanie i zachowanie fazowe.

Projekt musi zapewniać, że reaktor może bezpiecznie i wydajnie przeprowadzić reakcję, spełniać specyfikacje produktu i utrzymywać koszty produkcji na jak najniższym poziomie.

W większości przypadków ustalenie rozmiaru reaktora okresowego oznacza określenie objętości reaktora potrzebnej do konwersji reagentów w określony sposób i umożliwienia wystarczającego mieszania i wymiany ciepła.

Aby uzyskać najlepszą wydajność reaktora, proces projektowania i wymiarowania może obejmować eksperymenty, symulacje i modele.

W reaktorze okresowym czas potrzebny do osiągnięcia określonego poziomu konwersji zależy od tego, jak szybko przebiega reakcja i ile konwersji chcesz.

Tak więc, aby ustalić odpowiednią objętość reaktora okresowego dla określonej reakcji, musiałbyś pomyśleć o takich rzeczach, jak szybkość reakcji, początkowe stężenia reagentów, pożądany poziom konwersji i ilość czasu, przez jaki reaktor będzie biegać.

Informacje te można wykorzystać do określenia odpowiedniej wielkości reaktora okresowego poprzez obliczenie parametrów, takich jak stałe szybkości reakcji i współczynniki stechiometryczne.

W przeciwieństwie do CSTR i PFR, które mogą przetwarzać duże ilości reagentów w sposób ciągły w czasie, reaktory okresowe mogą obsługiwać tylko określoną liczbę reagentów na raz.

Tak więc reaktor okresowy może nie być w stanie obsłużyć takiej samej ilości gatunku A dziennie, jak reaktor przepływowy.

Ale reaktory okresowe są nadal przydatne w operacjach na małą skalę, testowaniu nowych procesów, które nie zostały jeszcze w pełni opracowane, i wytwarzaniu drogich produktów.

Krótko mówiąc, reaktory okresowe składają się z kilku ważnych części, takich jak zbiornik reaktora, medium reakcyjne, przestrzeń nad roztworem i mieszadło.

Mają zalety, takie jak elastyczność i możliwość wykorzystania do więcej niż jednej rzeczy, ale mają też problemy, takie jak miksowanie wsteczne.

Aby zaprojektować i zwymiarować reaktor okresowy dla określonej reakcji, należy wziąć pod uwagę takie kwestie, jak kinetyka reakcji, przenoszenie ciepła, przenoszenie masy, mieszanie i zachowanie faz.

Obliczenia w reaktorach okresowych

Równanie równowagi mola i reakcja serii

W przypadku reaktora okresowego z reakcją szeregową musimy użyć równania bilansu molowego, aby dowiedzieć się, ile substancji znajduje się w reaktorze.

Równanie bilansu molowego służy do określenia, jak szybko zmienia się ilość każdego mola w reaktorze.

Równanie bilansu molowego dla reaktora okresowego to:

dN_i/dt = r_i*V

gdzie N_i to liczba moli gatunku i, t to czas, r_i to szybkość reakcji dla gatunku i, a V to objętość reaktora.

Ilekroć chcemy wiedzieć, ile każdego gatunku znajduje się w reaktorze okresowym podczas reakcji szeregowej, możemy skorzystać z tego równania.

Wymiarowanie okresowego reaktora zmydlania dla procesu na gorąco

Zmydlanie to proces chemiczny, który zamienia tłuszcze i ługi w mydło.

Do procesu zmydlania na gorąco stosuje się reaktor okresowy.

W przypadku procesu na gorąco wielkość reaktora okresowego zmydlania będzie zależała od tego, ile mydła należy wytworzyć i jaki rodzaj mydła jest wytwarzany.

Oprócz wielkości reaktora, powierzchnia reaktora może również wpływać na szybkość reakcji.

Jeśli używasz reaktora z przegrodami lub o wyższym współczynniku kształtu, możesz zwiększyć powierzchnię.

W przypadku procesu zmydlania na gorąco temperatura reaktora powinna być utrzymywana w zakresie od 70°C do 85°C.

Czas trwania reakcji zależy od tego, ile mydła chcesz zrobić.

Może to potrwać od kilku godzin do kilku dni.

Reaktor okresowy można wykorzystać do badania kinetyki zmydlania.

Korzystając z reaktora okresowego z mieszaniem magnetycznym i szklanym płaszczem, uczniowie mogą obliczyć stałe szybkości reakcji drugiego rzędu w różnych temperaturach.

Reakcję zmydlania można również wykorzystać do określenia konwersji reakcji w reaktorze rurowym ze złożem upakowanym.

Testowanie i optymalizacja w reaktorach okresowych

Wykonywanie testów reaktora wsadowego z ciałami stałymi

Podczas przeprowadzania testu reaktora okresowego z ciałem stałym, reagenty stałe i ciekłe są zwykle mieszane w naczyniu z mieszadłem.

Następnie mieszaninę pozostawia się do przereagowania na określony czas.

Następnie substancję stałą zwykle oddziela się od cieczy przez filtrację lub odwirowanie.

Następnie, aby dowiedzieć się, jak daleko zaszła reakcja, mierzy się stężenie interesujących nas gatunków w fazie ciekłej.

Planując test reaktora okresowego z ciałem stałym, należy również pomyśleć o wielkości cząstek ciała stałego, początkowym stężeniu reagentów i pożądanym poziomie konwersji.

Zmodyfikowany laboratoryjny test reaktora okresowego

Biodegradacja lotnych związków organicznych w osadzie czynnym została przetestowana w reaktorze okresowym w laboratorium.

Test został zmieniony w celu uwzględnienia włókien mikroekstrakcji do fazy stałej (SPME) do pobierania próbek w fazie gazowej.

Eliminuje to potrzebę stosowania rurki ssącej i ułatwia stosowanie z ciałami stałymi.

Systemy reaktorów okresowych do sekwencjonowania (SBR).

Sekwencyjny reaktor okresowy (SBR) to system osadu czynnego, który oczyszcza ścieki poprzez napełnianie, a następnie osuszanie.

W tym systemie ścieki wprowadzane są do pojedynczego reaktora okresowego.

Dwa lub więcej reaktorów okresowych jest używanych w ustalonej kolejności, aby uzyskać najlepszą wydajność systemu.

Systemy SBR znalazły zastosowanie w oczyszczaniu ścieków zarówno z miast, jak iz fabryk.

Równanie bilansu materiałowego

Równanie bilansu materiałowego można wykorzystać do ustalenia, co dzieje się w reaktorach okresowych, gdy zachodzą reakcje chemiczne.

Na przykład równanie d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV można stosować w reaktorach okresowych z dobrym mieszaniem, ponieważ całki są łatwe do oszacowania dzięki dobremu wymieszaniu w reaktorze.

Reaktory półokresowe

Reaktory półokresowe mają cechy zarówno reaktorów okresowych, jak i reaktorów zbiornikowych z mieszaniem, które pracują cały czas (CSTR).

Mogą dodawać paszę podczas trwania reakcji, jak CSTR-y, ale na początku są wypełnione reagentem, jak reaktory okresowe.

W większości przypadków reaktory półokresowe są używane, gdy reakcja wymaga powolnego dodawania jednego odczynnika lub gdy reakcja jest zbyt gorąca, aby można ją było przeprowadzić w reaktorze okresowym.

Omówienie reaktora okresowego

Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka mówionego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.

Przypadków użycia

Wniosek

Ostatecznie reaktor okresowy jest ważnym narzędziem dla inżynierów chemików w wielu różnych dziedzinach.

Pozwala bardzo precyzyjnie kontrolować warunki reakcji, co jest ważne przy wytwarzaniu spójnych, wysokiej jakości produktów.

Ale nawet jeśli reaktor okresowy to świetna technologia, nie jest lekarstwem na wszystko.

Nie może być używany do każdego rodzaju reakcji, ponieważ ma pewne wady.

Naszym zadaniem jako inżynierów jest ciągłe wymyślanie nowych pomysłów i wypróbowywanie nowych technologii, które mogą pomóc nam obejść te problemy i ułatwić wytwarzanie złożonych produktów chemicznych.

Możemy stworzyć lepszą przyszłość dla siebie i planety, jeśli przekroczymy granice tego, co jest możliwe.

Szukajmy więc i próbujmy nowych rzeczy, aby znaleźć lepsze, wydajniejsze i bardziej długoterminowe rozwiązania.

Linki i referencje

Bilans kreta:

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

Reaktory w inżynierii procesowej:

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