Introducere În Reactoare Discontinue: Elemente De Bază Și Aplicații

Te-ai gândit vreodată cum se întâmplă reacțiile chimice care fac lucruri precum medicamentele și combustibilul?

Știi că aceste reacții nu se întâmplă de la sine pentru că ești student la inginerie sau inginer.

Au nevoie de condiții exacte, cantități măsurate cu atenție de reactanți și catalizatori și tipul potrivit de reactor.

Reactorul batch ajută la acest lucru.

Reactorul batch este un instrument important pentru orice inginer chimist, deoarece poate gestiona o gamă largă de reacții, iar condițiile acestor reacții pot fi controlate foarte precis.

În acest articol, voi intra în detaliu despre reactoarele batch, vorbind despre părțile, beneficiile și utilizările acestora.

Indiferent dacă sunteți un inginer cu experiență sau abia la început, acest articol vă va oferi informațiile de care aveți nevoie pentru a înțelege reactoarele discontinue și cât de importante sunt acestea în lumea ingineriei chimice.

Introducere în Reactoarele Batch

Definiție formală:

Un reactor chimic în care reactanții și catalizatorul sunt introduși în cantitățile dorite și vasul este apoi închis pentru livrarea de material suplimentar.

Reactoarele batch sunt mașini flexibile care pot fi utilizate pentru multe operațiuni de proces diferite.

Unele dintre cele mai comune lucruri pe care le fac reactoarele discontinue sunt:

Solidele pot fi dizolvate în lichide cu ajutorul reactoarelor discontinue.

Solidele și solventul sunt introduse în reactor și amestecul este agitat până când toate solidele sunt dizolvate.

• Amestecarea produselor: Reactoarele batch sunt folosite pentru a amesteca diferite produse pentru a face amestecul dorit.

Acest lucru poate fi util în industria alimentară și a băuturilor, unde diferite ingrediente sunt amestecate pentru a face un anumit produs.

• Reacții chimice: Majoritatea reacțiilor chimice se fac în reactoare discontinue.

După adăugarea reactanților în reactor, amestecul este lăsat să reacționeze pentru o anumită perioadă de timp.

La sfârșitul lotului, articolele sunt apoi scoase.

• Distilarea discontinuă: Reactoarele discontinue pot fi, de asemenea, utilizate pentru distilarea discontinuă, care este o modalitate de a separa părți dintr-un amestec în funcție de punctele lor de fierbere.

Avantajele și dezavantajele reactoarelor batch

Reactoarele batch au o serie de beneficii, cum ar fi:

Reactoarele discontinue sunt versatile, deoarece pot face mai mult de un lucru într-un singur vas, fără a sparge reținerea.

Reactoarele batch pot face diferite produse în același reactor, deoarece pot fi folosite pentru mai multe lucruri.

• Conversii ridicate: Reactivii pot rămâne în reactor mult timp, ceea ce duce la conversii mari.
• Ușurință de fabricare și schimbare: Reactoarele batch sunt destul de ușor de realizat și schimbat.

Dar reactoarele batch au și unele probleme, cum ar fi:

• Backmixing: Backmixing are loc atunci când materialul nu este scos până când reacția se încheie.

Acest lucru scurtează durata de viață a catalizatorului și generează multe deșeuri.

• Cantități limitate: Reactoarele batch nu sunt cea mai bună modalitate de a face o mulțime de produse simultan.
• Variabilitatea produselor: Produsele realizate de reactoare de loturi pot fi diferite de la un lot la altul.
• Dificultăți cu producția la scară largă: Reactoarele în loturi nu sunt bune pentru a face o mulțime de lucruri simultan.
• Funcționare costisitoare: Reactoarele batch trebuie pornite și oprite des, ceea ce le face costisitoare de funcționare.

Caracteristicile de proiectare ale reactoarelor batch

Reactoarele batch sunt fabricate cu unele părți similare, cum ar fi:

• Porturi pentru injectarea reactanților și îndepărtarea produselor: Reactoarele batch au porturi pentru injectarea reactanților și îndepărtarea produselor.
• Schimbător de căldură sau sistem de agitare: Un schimbător de căldură sau un sistem de agitare poate fi adăugat la un reactor discontinuu.
• Volum constant: Reactoarele batch au de obicei un volum constant, dar unele sunt realizate astfel încât volumul să poată fi modificat pentru a menține o presiune constantă.

Pe scurt, reactoarele batch sunt containere simple care sunt utilizate în industriile de proces pentru o gamă largă de sarcini.

Sunt versatile, pot fi folosite pentru mai multe lucruri, au rate de conversie ridicate și sunt ușor de făcut și schimbat.

Dar au și unele probleme, cum ar fi backmixing, cantități limitate, produse diferite, dificultăți de a face multe dintre ele, o durată scurtă de viață a catalizatorului și deșeuri.

Reactoarele batch sunt adesea folosite pentru lucrări la scară mică, testarea de noi metode și fabricarea de produse scumpe.

De asemenea, sunt adesea folosite în laboratoare pentru producția la scară mică și pentru a începe procesul de fermentare a băuturilor.

Îmbrățișarea impredictibilității: entuziasmul și riscurile reactoarelor batch

Inca greu de inteles? Hai sa schimb putin punctul de vedere:

Chimiști, vă rog să fiți atenți! Vrei ca jobul tău să fie mai interesant? Te-ai săturat ca aceleași lucruri să se întâmple iar și iar? Reactorul batch este tot ce aveți nevoie.

Reactorul discontinuu este perfect pentru haos, imprevizibilitate și poate chiar un pic de entuziasm, deoarece puteți adăuga reactanți și catalizatori în cantitățile dorite și apoi închideți vasul pentru a opri intrarea mai multor materiale.

Cui îi pasă de control și consecvență? Acceptați faptul că reactorul batch este greu de prezis și vedeți unde vă duce.

Bine, a fost doar o glumă făcută să arate ca o reclamă TV.

Acum să revenim la explicație.

Componentele reactoarelor batch

Reactoarele discontinue sunt vase care sunt folosite în industriile de proces pentru a face lucruri precum dizolvarea solidelor, amestecarea produselor, efectuarea reacțiilor chimice și distilarea în loturi.

Vasul reactorului, mediul de reacție, spațiul de cap și un agitator sunt cele patru părți principale.

Vasul reactorului

Partea principală a unui reactor discontinuu este vasul reactorului, care este adesea fabricat din oțel, oțel inoxidabil, oțel căptușit cu sticlă, sticlă sau un aliaj exotic.

Poate fi mai mic de 1 litru sau mai mare de 15.000 de litri.

De cele mai multe ori, lichidele și solidele sunt introduse în reactor prin orificiile din capacul superior.

Vaporii și gazele ies din găurile din partea de sus, iar lichidele ies din găurile din partea de jos.

Mediu de reacție

Lucrul în care are loc reacția se numește mediu de reacție.

În funcție de tipul de reacție care se face, aceasta poate fi într-o fază gazoasă, o fază lichidă sau o fază lichid-solidă.

Spațiul capului

Headspace este spațiul gol deasupra mediului.

Lasa loc gazului sau vaporilor care se produc in timpul reactiei.

Agitator

Agitatorul este necesar pentru a amesteca diferitele părți și pentru a adăuga sau îndepărta căldura din reacție.

În funcție de tipul de reacție, acesta poate fi realizat cu rotoare cu flux axial sau cu rotoare cu flux radial pentru a asigura diferite tipuri de amestecare.

Avantajele și provocările reactoarelor batch

Unul dintre cele mai bune lucruri despre reactoarele discontinue este cât de flexibile sunt.

O singură navă poate face o serie de sarcini diferite fără a rupe izolarea.

Acest lucru este util atunci când lucrați cu materiale toxice, deoarece reduce riscul de rănire a lucrătorilor.

Dar reactoarele discontinue au unele probleme, cum ar fi amestecarea inversă, care poate face calitatea proastă a produsului, deoarece reactanții nu sunt răspândiți uniform în vas.

Proiectarea și dimensionarea reactoarelor batch

Mai multe lucruri trebuie luate în considerare la proiectarea și dimensionarea unui reactor discontinuu pentru o anumită reacție.

Acestea includ cinetica reacției, transferul de căldură, transferul de masă, amestecarea și comportamentul de fază.

Proiectarea trebuie să se asigure că reactorul poate efectua reacția în siguranță și eficient, respectă specificațiile pentru produs și menține costurile de producție cât mai mici posibil.

De cele mai multe ori, a determina dimensiunea unui reactor discontinuu înseamnă a determina volumul reactorului necesar pentru a converti reactanții într-un anumit mod și pentru a permite suficient amestecare și transfer de căldură.

Pentru a obține cele mai bune performanțe din reactor, procesul de proiectare și dimensionare poate implica experimente, simulări și modele.

Într-un reactor discontinuu, timpul necesar pentru a atinge un anumit nivel de conversie depinde de cât de repede se desfășoară reacția și de cât de multă conversie doriți.

Așadar, pentru a afla volumul corect al reactorului de lot pentru o anumită reacție, ar trebui să vă gândiți la lucruri precum viteza reacției, concentrațiile inițiale ale reactanților, nivelul de conversie pe care îl doriți și durata de timp în care reactorul a avut loc. Va rula.

Aceste informații ar putea fi utilizate pentru a determina dimensiunea potrivită pentru un reactor discontinuu prin calcularea unor parametri precum constantele vitezei de reacție și coeficienții stoichiometrici.

Spre deosebire de CSTR-uri și PFR-uri, care pot procesa cantități mari de reactanți continuu de-a lungul timpului, reactoarele batch pot gestiona doar un anumit număr de reactanți simultan.

Deci, un reactor discontinuu ar putea să nu poată gestiona aceeași cantitate de specie A pe zi ca un reactor cu flux continuu.

Dar reactoarele batch sunt încă utile pentru operațiuni la scară mică, testând noi procese care nu au fost încă complet dezvoltate și producând produse scumpe.

Pe scurt, reactoarele discontinue au mai multe părți importante, cum ar fi vasul reactorului, mediul de reacție, spațiul de cap și agitatorul.

Au beneficii precum flexibilitatea și capacitatea de a fi folosite pentru mai multe lucruri, dar au și probleme precum mixarea inversă.

Pentru a proiecta și dimensiona un reactor discontinuu pentru o anumită reacție, trebuie să vă gândiți la lucruri precum cinetica reacției, transferul de căldură, transferul de masă, amestecare și comportamentul de fază.

Calcule în reactoare batch

Ecuația echilibrului molar și reacția în serie

Pentru un reactor discontinuu cu o reacție în serie, trebuie să folosim ecuația de echilibru molar pentru a ne da seama cât de multă substanță se află în reactor.

Ecuația de echilibru al molilor este utilizată pentru a afla cât de repede se schimbă cantitatea fiecărui mol din reactor.

Ecuația echilibrului molar pentru un reactor discontinuu este:

dN_i/dt = r_i*V

unde N_i este numărul de moli din specia i, t este timpul, r_i este viteza de reacție pentru specia i și V este volumul reactorului.

Ori de câte ori dorim să știm cât de mult din fiecare specie se află într-un reactor discontinuu în timpul unei reacții în serie, putem folosi această ecuație.

Dimensionarea unui reactor de saponificare în lot pentru procesul la cald

Saponificarea este un proces chimic care transformă grăsimile și leșia în săpun.

Pentru procesul cald de saponificare se folosește un reactor discontinuu.

Pentru procesul la cald, dimensiunea reactorului de saponificare discontinuă va depinde de cât de mult săpun trebuie făcut și de ce fel de săpun este fabricat.

Pe lângă dimensiunea reactorului, aria suprafeței reactorului poate modifica, de asemenea, cât de repede are loc reacția.

Dacă utilizați un reactor cu deflectoare sau unul cu un raport de aspect mai mare, puteți mări suprafața.

Pentru procesul de saponificare la cald, temperatura reactorului trebuie menținută între 70°C și 85°C.

Cât durează reacția depinde de cât săpun vrei să faci.

Poate dura de la câteva ore la câteva zile.

Un reactor discontinuu poate fi utilizat pentru a studia cinetica saponificării.

Folosind un reactor discontinuu cu agitare magnetică și o manta de sticlă, elevii își pot da seama de constantele vitezei unei reacții de ordinul doi la diferite temperaturi.

Reacția de saponificare poate fi, de asemenea, utilizată pentru a determina conversia reacției într-un reactor tubular cu pat umplut.

Testare și optimizare în reactoare batch

Efectuarea testelor de reactoare batch cu solide

Când se face un test de reactor discontinuu cu un solid, reactanții solizi și lichizi sunt de obicei amestecați într-un vas cu un agitator.

Amestecul este apoi lăsat să reacționeze pentru o anumită perioadă de timp.

După aceea, solidul este de obicei separat de lichid prin filtrare sau centrifugare.

Apoi, pentru a afla cât de departe a mers reacția, se măsoară concentrația speciilor de interes în faza lichidă.

Când planificați un test de reactor discontinuu cu un solid, ar trebui să vă gândiți și la dimensiunea particulelor solidului, la concentrația inițială a reactanților și la nivelul de conversie dorit.

Test de reactor de lot de laborator modificat

Biodegradarea compușilor organici volatili din nămolul activat a fost testată într-un reactor discontinuu în laborator.

Testul a fost modificat pentru a include fibre de microextracție în fază solidă (SPME) pentru prelevarea de probe în faza gazoasă.

Acest lucru elimină necesitatea unui tub de aspirație și face mai ușor de utilizat cu solide.

Sisteme de reactoare de secvențiere (SBR).

Un reactor discontinuu de secvențiere (SBR) este un sistem cu nămol activat care tratează apele uzate prin umplere și apoi scurgere.

În acest sistem, apa uzată este pusă într-un singur reactor de lot.

Două sau mai multe reactoare discontinue sunt utilizate într-o ordine stabilită pentru a obține cea mai bună performanță a sistemului.

Sistemele SBR au fost folosite pentru tratarea apelor uzate atât din orașe, cât și din fabrici.

Ecuația echilibrului material

Ecuația bilanțului materialului poate fi folosită pentru a afla ce se întâmplă în reactoarele discontinue când au loc reacții chimice.

De exemplu, ecuația d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV poate fi utilizat pentru reactoare discontinue bine agitate, deoarece integralele sunt simplu de evaluat datorită amestecării bune în interiorul reactorului.

Reactoare semi-batch

Reactoarele semi-batch au caracteristici atât ale reactoarelor batch, cât și ale reactoarelor cu rezervor agitat care funcționează tot timpul (CSTR).

Ei pot adăuga furaj în timp ce reacția are loc, cum ar fi CSTR-urile, dar sunt umplute cu reactant la început, ca reactoarele discontinue.

De cele mai multe ori, reactoarele semi-batch sunt utilizate atunci când o reacție trebuie să adauge un reactiv lent sau când reacția este prea fierbinte pentru a fi făcută într-un reactor discontinuu.

Prezentare generală a reactorului batch

Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba vorbită. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.

Cazuri de utilizare

Concluzie

În cele din urmă, reactorul batch este un instrument important pentru inginerii chimiști din multe domenii diferite.

Vă permite să controlați condițiile unei reacții foarte precis, ceea ce este important pentru realizarea de produse consistente, de înaltă calitate.

Dar, deși reactorul batch este o piesă de tehnologie grozavă, nu este un remediu.

Nu poate fi folosit pentru orice fel de reacție deoarece are unele defecte.

În calitate de ingineri, este datoria noastră să continuăm să venim cu idei noi și să încercăm noi tehnologii care ne pot ajuta să rezolvăm aceste probleme și să facem mai ușor să facem produse chimice complexe.

Ne putem face un viitor mai bun pentru noi înșine și pentru planetă dacă depășim limitele a ceea ce este posibil.

Deci haideți să căutăm și să încercăm în continuare lucruri noi pentru a găsi soluții mai bune, mai eficiente și pe termen lung.

Link-uri și referințe

Balanțele alunițelor:

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

Reactoare în ingineria proceselor:

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