Kesikli Reaktörlere Giriş: Temel Bilgiler Ve Uygulamalar

İlaç ve yakıt gibi şeyleri meydana getiren kimyasal reaksiyonların nasıl gerçekleştiğini hiç düşündünüz mü?

Mühendislik öğrencisi veya mühendis olduğunuz için bu reaksiyonların kendiliğinden gerçekleşmediğini biliyorsunuz.

Kesin koşullara, dikkatlice ölçülmüş miktarlarda reaktanlara ve katalizörlere ve doğru türde reaktöre ihtiyaçları vardır.

Kesikli reaktör bu konuda yardımcı olur.

Kesintili reaktör, herhangi bir kimya mühendisi için önemli bir araçtır çünkü çok çeşitli reaksiyonları işleyebilir ve bu reaksiyonların koşulları çok hassas bir şekilde kontrol edilebilir.

Bu yazıda kesikli reaktörler hakkında ayrıntılara girerek parçalarından, faydalarından ve kullanımlarından bahsedeceğim.

İster deneyimli bir mühendis olun ister yeni başlıyor olun, bu makale size kesikli reaktörleri ve kimya mühendisliği dünyasında ne kadar önemli olduklarını anlamak için ihtiyaç duyduğunuz bilgileri verecektir.

Kesikli Reaktörlere Giriş

Resmi tanımlama:

Reaktanların ve katalizörün arzu edilen miktarlarda sokulduğu ve daha sonra kabın ek malzeme dağıtımına kapatıldığı bir kimyasal reaktör.

Kesikli reaktörler, birçok farklı proses operasyonu için kullanılabilen esnek makinelerdir.

Kesikli reaktörlerin yaptığı en yaygın şeylerden bazıları şunlardır:

Kesikli reaktörler yardımıyla katılar sıvılar içinde çözülebilir.

Katılar ve solvent, reaktöre konur ve karışım, tüm katılar çözülene kadar karıştırılır.

• Ürünleri Karıştırma: Kesikli reaktörler, istediğiniz karışımı yapmak için farklı ürünleri birlikte karıştırmak için kullanılır.

Bu, belirli bir ürünü yapmak için farklı bileşenlerin karıştırıldığı yiyecek ve içecek endüstrisinde yararlı olabilir.

• Kimyasal Reaksiyonlar: Kimyasal reaksiyonların çoğu kesikli reaktörlerde yapılır.

Reaktantlar reaktöre eklendikten sonra, karışım belirli bir süre reaksiyona girmeye bırakılır.

Partinin sonunda, öğeler daha sonra çıkarılır.

• Toplu Damıtma: Toplu reaktörler, bir karışımın parçalarını kaynama noktalarına göre ayırmanın bir yolu olan toplu damıtma için de kullanılabilir.

Kesikli Reaktörlerin Avantajları ve Dezavantajları

Kesikli reaktörlerin aşağıdakiler gibi bir takım avantajları vardır:

Kesikli reaktörler çok yönlüdür çünkü muhafazayı bozmadan tek bir kapta birden fazla şey yapabilirler.

Kesikli reaktörler birden fazla şey için kullanılabildikleri için aynı reaktörde farklı ürünler üretebilirler.

• Yüksek Dönüşümler: Reaktifler reaktörde uzun süre kalabilir, bu da yüksek dönüşümlere yol açar.
• Yapma ve Değiştirme Kolaylığı: Kesikli reaktörlerin yapılması ve değiştirilmesi oldukça kolaydır.

Ancak kesikli reaktörlerin de bazı sorunları vardır, örneğin:

• Geri karıştırma: Geri karıştırma, reaksiyon bitene kadar malzeme çıkarılmadığında gerçekleşir.

Bu, katalizörün ömrünü kısaltır ve çok fazla atık oluşturur.

• Sınırlı Miktarlar: Kesikli reaktörler, aynı anda çok sayıda ürün yapmanın en iyi yolu değildir.
• Ürünlerin Değişkenliği: Kesikli reaktörlerde yapılan ürünler bir partiden diğerine farklılık gösterebilir.
• Büyük Ölçekli Üretimle İlgili Zorluklar: Kesikli reaktörler aynı anda pek çok şey yapmak için iyi değildir.
• Çalıştırmanın Maliyeti: Kesikli reaktörlerin sık sık açılıp kapatılması gerekir, bu da onları çalıştırmanın pahalı olmasına neden olur.

Kesikli Reaktörlerin Tasarım Özellikleri

Kesikli reaktörler, aşağıdakiler gibi bazı benzer parçalardan yapılır:

• Reaktanları Enjeksiyon ve Ürünleri Uzaklaştırma Portları: Kesikli reaktörlerin reaktanları enjekte etmek ve ürünleri uzaklaştırmak için portları vardır.
• Isı Eşanjörü veya Karıştırma Sistemi: Kesikli reaktöre bir ısı eşanjörü veya karıştırma sistemi eklenebilir.
• Sabit Hacim: Kesikli reaktörlerin genellikle sabit bir hacmi vardır, ancak bazıları, sabit bir basıncı korumak için hacmin değiştirilebilmesi için yapılmıştır.

Kısacası kesikli reaktörler, proses endüstrilerinde çok çeşitli görevler için kullanılan basit kaplardır.

Çok yönlüdürler, birden fazla şey için kullanılabilirler, yüksek dönüşüm oranlarına sahiptirler ve yapımı ve değiştirilmesi kolaydır.

Ancak geri karıştırma, sınırlı miktarlar, farklı ürünler, bunların çoğunu yapmanın zorluğu, katalizörün ömrünün kısa olması ve atık gibi bazı sorunları da vardır.

Kesikli reaktörler genellikle küçük ölçekli işler, yeni yöntemlerin denenmesi ve pahalı mallar yapmak için kullanılır.

Ayrıca laboratuvarlarda küçük ölçekli üretim için ve içeceklerin fermantasyon sürecini başlatmak için sıklıkla kullanılırlar.

Öngörülemezliği Kucaklamak: Kesikli Reaktörlerin Heyecanı ve Riskleri

Hala anlamak zor mu? Biraz bakış açısını değiştirelim:

Kimyagerler lütfen dikkat! İşinizin daha ilginç olmasını ister misiniz? Aynı şeylerin tekrar tekrar olmasından bıktınız mı? Kesikli reaktör ihtiyacınız olan tek şey.

Kesikli reaktör, kaos, öngörülemezlik ve hatta belki biraz heyecan için mükemmeldir çünkü istediğiniz miktarda reaktan ve katalizör ekleyebilir ve ardından daha fazla malzemenin gelmesini durdurmak için kabı kapatabilirsiniz.

Kontrol ve tutarlılık kimin umurunda? Kesikli reaktörü tahmin etmenin zor olduğu gerçeğini kabul edin ve sizi nereye götüreceğini görün.

Tamam, bu sadece bir TV reklamı gibi görünmek için yapılmış bir şakaydı.

Şimdi açıklamaya geri dönelim.

Kesikli Reaktörlerin Bileşenleri

Kesikli reaktörler, proses endüstrilerinde katıları çözmek, ürünleri karıştırmak, kimyasal reaksiyonları yürütmek ve partiler halinde damıtma yapmak için kullanılan kaplardır.

Reaktör kabı, reaksiyon ortamı, tepe boşluğu ve bir karıştırıcı dört ana kısımdır.

Reaktör Gemisi

Kesikli reaktörün ana kısmı, genellikle çelik, paslanmaz çelik, cam kaplı çelik, cam veya egzotik bir alaşımdan yapılan reaktör kabıdır.

1 litreden küçük veya 15.000 litreden büyük olabilir.

Çoğu zaman, sıvılar ve katılar reaktörün içine üst kapaktaki deliklerden girer.

Buharlar ve gazlar üstteki deliklerden, sıvılar ise alttaki deliklerden çıkar.

Reaksiyon Ortamı

Reaksiyonun meydana geldiği şeye reaksiyon ortamı denir.

Yapılan reaksiyonun türüne bağlı olarak, gaz fazında, sıvı fazında veya sıvı-katı fazında olabilir.

üst boşluk

Headspace, ortamın üzerindeki boş alandır.

Reaksiyon sırasında oluşan gaz veya buhar için yer sağlar.

karıştırıcı

Karıştırıcı, farklı parçaları karıştırmak ve reaksiyona ısı eklemek veya reaksiyondan ısı çıkarmak için gereklidir.

Reaksiyonun cinsine göre eksenel akışlı veya radyal akışlı çarklar ile yapılarak farklı karışım türleri sağlanabilir.

Kesikli Reaktörlerin Avantajları ve Zorlukları

Kesikli reaktörlerle ilgili en iyi şeylerden biri ne kadar esnek olduklarıdır.

Tek bir gemi, muhafazayı bozmadan bir dizi farklı görevi yerine getirebilir.

Bu, çalışanların yaralanma riskini azalttığı için zehirli malzemelerle çalışırken faydalıdır.

Ancak kesikli reaktörlerde, reaktanlar kapta eşit şekilde dağılmadığından ürünün kalitesini kötüleştirebilen geri karıştırma gibi bazı problemler vardır.

Kesikli Reaktörlerin Tasarımı ve Boyutlandırılması

Belirli bir reaksiyon için kesikli reaktörü tasarlarken ve boyutlandırırken birkaç şeyin dikkate alınması gerekir.

Bunlar, reaksiyonun kinetiğini, ısı transferini, kütle transferini, karıştırmayı ve faz davranışını içerir.

Tasarım, reaktörün reaksiyonu güvenli ve verimli bir şekilde yürütmesini, ürün özelliklerini karşılamasını ve üretim maliyetlerini mümkün olduğunca düşük tutmasını sağlamalıdır.

Çoğu zaman, kesikli bir reaktörün boyutunu bulmak, reaktanları belirli bir şekilde dönüştürmek ve yeterli karıştırma ve ısı transferine izin vermek için gereken reaktörün hacmini bulmak anlamına gelir.

Reaktörden en iyi performansı elde etmek için tasarım ve boyutlandırma süreci deneyleri, simülasyonları ve modelleri içerebilir.

Kesikli bir reaktörde, belirli bir dönüşüm düzeyine ulaşmak için gereken süre, reaksiyonun ne kadar hızlı gittiğine ve ne kadar dönüşüm istediğinize bağlıdır.

Bu nedenle, belirli bir reaksiyon için doğru kesikli reaktör hacmini bulmak için, reaksiyonun hızı, reaktanların başlangıç ​​konsantrasyonları, istediğiniz dönüşüm seviyesi ve reaktörün çalışma süresi gibi şeyleri düşünmeniz gerekir. Koşuyor olacak

Bu bilgi, reaksiyon hızı sabitleri ve stokiyometrik katsayılar gibi parametreleri hesaplayarak kesikli bir reaktör için doğru boyutu bulmak için kullanılabilir.

Zaman içinde sürekli olarak büyük miktarlarda reaktanları işleyebilen CSTR'lerin ve PFR'lerin aksine, kesikli reaktörler aynı anda yalnızca belirli sayıda reaktanı işleyebilir.

Bu nedenle, kesikli bir reaktör, sürekli akışlı bir reaktörle günlük olarak aynı miktarda A türünü işleyemeyebilir.

Ancak kesikli reaktörler, küçük ölçekli operasyonlar, henüz tam olarak geliştirilmemiş yeni süreçlerin test edilmesi ve pahalı ürünler yapılması için hala kullanışlıdır.

Kısacası kesikli reaktörler, reaktör kabı, reaksiyon ortamı, tepe boşluğu ve karıştırıcı gibi birkaç önemli parçaya sahiptir.

Esnek olmaları ve birden fazla şey için kullanılabilmeleri gibi avantajları olduğu gibi, geri karıştırma gibi sorunları da vardır.

Belirli bir reaksiyon için kesikli bir reaktör tasarlamak ve boyutlandırmak için reaksiyon kinetiği, ısı transferi, kütle transferi, karıştırma ve faz davranışı gibi şeyleri düşünmeniz gerekir.

Kesikli Reaktörlerde Hesaplamalar

Mol Denge Denklemi ve Seri Reaksiyon

Seri reaksiyona sahip kesikli bir reaktör için, reaktörde ne kadar madde olduğunu bulmak için mol dengesi denklemini kullanmamız gerekir.

Mol dengesi denklemi, reaktördeki her bir mol miktarının ne kadar hızlı değiştiğini bulmak için kullanılır.

Kesikli reaktör için mol denge denklemi şu şekildedir:

dN_i/dt = r_i*V

burada N_i i türünün mol sayısı, t zamandır, r_i tür i için reaksiyon hızı ve V reaktörün hacmidir.

Bir seri reaksiyon sırasında kesikli reaktörde her türün ne kadarının olduğunu bilmek istediğimizde, bu denklemi kullanabiliriz.

Sıcak İşlem için Bir Toplu Sabunlaştırma Reaktörünün Boyutlandırılması

Sabunlaştırma, yağları ve sodalı suyu sabuna dönüştüren kimyasal bir işlemdir.

Sıcak sabunlaştırma işlemi için kesikli bir reaktör kullanılır.

Sıcak işlem için, kesikli sabunlaştırma reaktörünün boyutu, ne kadar sabun yapılması gerektiğine ve ne tür sabun yapılacağına bağlı olacaktır.

Reaktörün boyutuna ek olarak, reaktör yüzeyinin alanı da reaksiyonun ne kadar hızlı gerçekleştiğini değiştirebilir.

Bölmeli veya daha yüksek en boy oranına sahip bir reaktör kullanırsanız, yüzey alanını büyütebilirsiniz.

Sıcak sabunlaştırma işlemi için reaktör sıcaklığı 70°C ile 85°C arasında tutulmalıdır.

Reaksiyonun ne kadar süreceği, ne kadar sabun yapmak istediğinize bağlıdır.

Birkaç saatten birkaç güne kadar sürebilir.

Sabunlaştırma kinetiğini incelemek için bir kesikli reaktör kullanılabilir.

Öğrenciler, manyetik karıştırmalı bir kesikli reaktör ve bir cam ceket kullanarak, farklı sıcaklıklarda ikinci dereceden bir reaksiyonun hız sabitlerini bulabilirler.

Sabunlaştırma reaksiyonu ayrıca, dolgulu yataklı boru şeklindeki bir reaktörde reaksiyon dönüşümünü bulmak için de kullanılabilir.

Kesikli Reaktörlerde Test ve Optimizasyon

Katı Maddelerle Toplu Reaktör Testlerini Gerçekleştirme

Bir katı ile kesikli reaktör testi yapılırken, katı ve sıvı reaktanlar genellikle karıştırıcılı bir kapta karıştırılır.

Karışım daha sonra belirli bir süre reaksiyona bırakılır.

Bundan sonra, katı genellikle süzme veya santrifüjleme ile sıvıdan ayrılır.

Daha sonra, reaksiyonun ne kadar ileri gittiğini bulmak için ilgili türlerin sıvı fazdaki konsantrasyonu ölçülür.

Bir katı ile kesikli reaktör testi planlarken, katının parçacıklarının boyutunu, reaktanların başlangıç ​​konsantrasyonunu ve istediğiniz dönüşüm seviyesini de düşünmelisiniz.

Modifiye Laboratuvar Kesikli Reaktör Testi

Aktif çamurdaki uçucu organik bileşiklerin biyolojik bozunması laboratuvarda bir kesikli reaktörde test edilmiştir.

Test, gaz fazında örnekleme için katı faz mikro ekstraksiyon (SPME) liflerini içerecek şekilde değiştirilmiştir.

Bu, çekme borusu ihtiyacını ortadan kaldırır ve katı maddelerle kullanımı kolaylaştırır.

Ardışık Kesikli Reaktör (SBR) Sistemleri

Ardışık kesikli reaktör (SBR), atık suyu doldurularak ve ardından boşaltılarak arıtan aktif bir çamur sistemidir.

Bu sistemde, atık su tek partili bir reaktöre konur.

Sistemden en iyi performansı elde etmek için iki veya daha fazla kesikli reaktör belirli bir sırayla kullanılır.

SBR sistemleri hem şehirlerden hem de fabrikalardan gelen atık suları arıtmak için kullanılmıştır.

Malzeme Denge Denklemi

Kimyasal reaksiyonlar gerçekleştiğinde kesikli reaktörlerde neler olup bittiğini anlamak için malzeme dengesi denklemi kullanılabilir.

Örneğin d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V denklemi. Rj dV, iyi karıştırılmış kesikli reaktörler için kullanılabilir çünkü reaktör içindeki iyi karıştırma nedeniyle integrallerin değerlendirilmesi basittir.

Yarı Kesikli Reaktörler

Yarı kesikli reaktörler, hem kesikli reaktörlerin hem de sürekli çalışan karıştırmalı tank reaktörlerin (CSTR'ler) özelliklerine sahiptir.

CSTR'ler gibi reaksiyon devam ederken besleme ekleyebilirler, ancak kesikli reaktörler gibi başlangıçta reaktanla doldurulurlar.

Çoğu zaman, yarı kesikli reaktörler, bir reaksiyonun bir reaktifi yavaşça eklemesi gerektiğinde veya reaksiyonun kesikli bir reaktörde yapılamayacak kadar sıcak olduğu durumlarda kullanılır.

Kesikli Reaktöre Genel Bakış

İpucu: Gerekirse altyazı düğmesini açın. Konuşulan dile aşina değilseniz, ayarlar düğmesinde "otomatik çeviri"yi seçin. En sevdiğiniz dil çeviri için uygun hale gelmeden önce videonun diline tıklamanız gerekebilir.

Kullanım örnekleri

Çözüm

Sonuç olarak kesikli reaktör, birçok farklı alanda kimya mühendisleri için önemli bir araçtır.

Tutarlı, yüksek kaliteli ürünler yapmak için önemli olan bir reaksiyonun koşullarını çok hassas bir şekilde kontrol etmenizi sağlar.

Ancak kesikli reaktör harika bir teknoloji olsa da her derde deva değil.

Bazı kusurları olduğu için her türlü reaksiyon için kullanılamaz.

Mühendisler olarak, bu sorunları aşmamıza ve karmaşık kimyasal ürünler yapmayı kolaylaştırmamıza yardımcı olabilecek yeni fikirler bulmaya ve yeni teknolojiler denemeye devam etmek bizim işimiz.

Mümkün olanın sınırlarını zorlarsak, kendimiz ve gezegen için daha iyi bir gelecek yaratabiliriz.

Öyleyse daha iyi, daha verimli ve daha uzun vadeli çözümler bulmak için yeni şeyler aramaya ve denemeye devam edelim.

Bağlantılar ve referanslar

Mol Dengeleri:

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

Proses Mühendisliğinde Reaktörler:

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