間歇式反應器簡介：基礎知識和應用

您有沒有想過製造藥物和燃料等物質的化學反應是如何發生的？

您知道這些反應不會自行發生，因為您是工科學生或工程師。

他們需要精確的條件、仔細測量的反應物和催化劑的量以及正確類型的反應器。

間歇式反應器有助於此。

間歇式反應器是任何化學工程師的重要工具，因為它可以處理範圍廣泛的反應，並且可以非常精確地控制這些反應的條件。

在本文中，我將詳細介紹間歇式反應器，討論它們的組成部分、優點和用途。

無論您是經驗豐富的工程師還是新手，本文都將為您提供了解間歇式反應器以及它們在化學工程領域的重要性所需的信息。

間歇式反應器簡介

正式定義：

一種化學反應器，其中反應物和催化劑以所需的量引入，然後容器關閉以輸送額外的材料。

間歇式反應器是靈活的機器，可用於許多不同的工藝操作。

間歇式反應器做的一些最常見的事情是：

借助間歇式反應器，固體可以溶解在液體中。

將固體和溶劑放入反應器中，攪拌混合物直至所有固體溶解。

• 混合產品：間歇式反應器用於將不同的產品混合在一起，製成您想要的混合物。

這在食品和飲料行業很有用，在該行業中，將不同的成分混合在一起製成某種產品。

• 化學反應：大多數化學反應是在間歇式反應器中完成的。

將反應物加入反應器後，讓混合物反應一定時間。

在批次結束時，然後取出物品。

• 分批蒸餾：分批反應器也可用於分批蒸餾，這是一種根據沸點分離混合物各部分的方法。

間歇式反應器的優缺點

間歇式反應器有很多好處，例如：

間歇式反應器用途廣泛，因為它們可以在一個容器中做不止一件事情而不會破壞容器。

間歇式反應器可以在同一個反應器中生產不同的產品，因為它們可以用於不止一件事。

• 轉化率高：試劑可以在反應器中停留很長時間，轉化率高。
• 易於製作和更改：間歇式反應器非常容易製作和更改。

但是間歇式反應器也存在一些問題，例如：

• 返混：當材料直到反應結束才取出時，就會發生返混。

這會縮短催化劑的使用壽命並造成大量浪費。

• 數量有限：間歇式反應器不是一次生產大量產品的最佳方式。
• 產品的可變性：間歇式反應器生產的產品一批批次可能不同。
• 大規模生產的困難：間歇式反應器不適合一次生產很多東西。
• 運行成本高：間歇式反應器需要經常開啟和關閉，這使得它們的運行成本很高。

間歇式反應器的設計特點

間歇式反應器由一些類似的部件製成，例如：

• 用於注入反應物和移除產物的端口：間歇式反應器具有用於注入反應物和移除產物的端口。
• 換熱器或攪拌系統：可以將換熱器或攪拌系統添加到間歇式反應器中。
• 恆定體積：間歇式反應器通常具有恆定的體積，但有些反應器可以改變體積以保持恆定的壓力。

簡而言之，間歇式反應器是加工工業中用於執行各種任務的簡單容器。

它們用途廣泛，可用於多種用途，轉化率高，易於製作和更換。

但它們也存在一些問題，如反混、數量有限、產品不同、難以大量生產、催化劑壽命短、浪費等。

間歇式反應器通常用於小規模工作、測試新方法和製造昂貴的商品。

它們還經常在實驗室中用於小規模生產和啟動飲料發酵過程。

擁抱不可預測性：間歇式反應器的興奮和風險

還是很難理解？讓我稍微改變一下觀點：

化學家請注意！想讓你的工作更有趣嗎？厭倦了同樣的事情一遍又一遍地發生？間歇式反應器就是您所需要的。

間歇式反應器非常適合混亂、不可預測，甚至可能有點興奮，因為您可以添加所需數量的反應物和催化劑，然後關閉容器以阻止更多材料進入。

誰在乎控制和一致性？接受間歇式反應器難以預測的事實，看看它會把你帶到哪裡。

好吧，那隻是一個看起來像電視廣告的笑話。

現在讓我們回到解釋。

間歇式反應器的組件

間歇式反應器是加工工業中用於溶解固體、混合產品、進行化學反應和分批蒸餾等操作的容器。

反應器容器、反應介質、頂部空間和攪拌器是四個主要部分。

反應容器

間歇式反應器的主要部件是反應容器，通常由鋼、不銹鋼、搪玻璃鋼、玻璃或稀有合金製成。

它可能小於 1 升或大於​​ 15,000 升。

大多數時候，液體和固體通過頂蓋上的孔進入反應器。

蒸汽和氣體從頂部的孔中流出，液體從底部的孔中流出。

反應介質

發生反應的物質稱為反應介質。

根據進行的反應類型，它可以是氣相、液相或液-固相。

頂空

頂空是介質上方的空白空間。

它為反應過程中產生的氣體或蒸汽提供了空間。

攪拌器

需要攪拌器來混合不同的部分並從反應中添加或移除熱量。

根據反應的類型，它可以製成軸流式葉輪或徑向流式葉輪，以提供不同類型的混合。

間歇式反應器的優勢和挑戰

間歇式反應器最好的地方之一就是它們的靈活性。

一艘船可以在不破壞安全殼的情況下完成一系列不同的任務。

這在處理有毒材料時很有用，因為它可以降低工人受傷的風險。

但是間歇式反應器有一些問題，比如反混，這會使產品質量變差，因為反應物在容器中分佈不均勻。

間歇式反應器的設計和選型

在為特定反應設計和確定間歇式反應器大小時，需要考慮幾件事。

這些包括反應動力學、傳熱、傳質、混合和相行為。

設計必須確保反應器能夠安全高效地進行反應，滿足產品的規格要求，並儘可能降低生產成本。

大多數時候，計算出間歇式反應器的尺寸意味著計算出以某種方式轉化反應物並允許充分混合和傳熱所需的反應器體積。

為了從反應器中獲得最佳性能，設計和選型過程可能涉及實驗、模擬和模型。

在間歇式反應器中，達到一定轉化率所需的時間取決於反應進行的速度和您想要的轉化率。

因此，要為特定反應找出合適的間歇式反應器體積，您必須考慮反應速度、反應物的初始濃度、所需的轉化率以及反應器的時間等因素將運行。

該信息可用於通過計算反應速率常數和化學計量係數等參數來確定間歇式反應器的正確尺寸。

與可以隨時間連續處理大量反應物的 CSTR 和 PFR 相比，間歇式反應器一次只能處理一定數量的反應物。

因此，間歇式反應器可能無法每天處理與連續流式反應器相同數量的物質 A。

但是間歇式反應器對於小規模操作、測試尚未完全開發的新工藝以及製造昂貴的產品仍然有用。

簡而言之，間歇式反應器有反應器容器、反應介質、頂部空間和攪拌器幾個重要部分。

它們具有靈活性和能夠用於多種用途等優點，但它們也存在反向混合等問題。

要為特定反應設計和確定間歇式反應器的大小，您必須考慮反應動力學、傳熱、傳質、混合和相行為等問題。

間歇式反應器中的計算

摩爾平衡方程和串聯反應

對於串聯反應的間歇式反應器，我們需要使用摩爾平衡方程來計算反應器中有多少物質。

摩爾平衡方程用於計算反應器中每個摩爾量的變化速度。

間歇式反應器的摩爾平衡方程為：

dN_i/dt = r_i*V

其中 N_i 是物質 i 的摩爾數，t 是時間，r_i 是物質 i 的反應速率，V 是反應器的體積。

每當我們想知道在串聯反應過程中每個物種在間歇式反應器中有多少時，我們都可以使用這個方程。

為熱工藝選擇間歇式皂化反應器

皂化是一種將脂肪和鹼液變成肥皂的化學過程。

對於皂化的熱過程，使用間歇式反應器。

對於熱工藝，間歇式皂化反應器的大小將取決於需要製皂的量和製皂的種類。

除了反應器的大小，反應器表面的面積也可以改變反應發生的速度。

如果您使用帶擋板的反應器或具有更高縱橫比的反應器，則可以使表面積更大。

對於熱皂化過程，反應器的溫度應保持在70℃至85℃之間。

反應需要多長時間取決於您要製作多少肥皂。

它可能需要幾個小時到幾天的時間。

間歇式反應器可用於研究皂化的動力學。

使用帶磁力攪拌和玻璃夾套的間歇式反應器，學生可以計算出不同溫度下二級反應的速率常數。

皂化反應也可用於計算填充床管式反應器中的反應轉化率。

間歇式反應器的測試和優化

使用固體進行批次反應器測試

當用固體進行間歇式反應器試驗時，固體和液體反應物通常在帶有攪拌器的容器中混合。

然後讓混合物反應一定時間。

之後，通常通過過濾或離心將固體與液體分離。

然後，為了了解反應進行了多遠，測量了液相中目標物質的濃度。

在計劃對固體進行間歇式反應器測試時，您還應該考慮固體顆粒的大小、反應物的初始濃度以及您想要的轉化率。

改進的實驗室間歇反應器試驗

活性污泥中揮發性有機化合物的生物降解已經在實驗室的間歇式反應器中進行了測試。

該測試已更改為包括用於氣相採樣的固相微萃取 (SPME) 纖維。

這消除了對導流管的需要，並使其更易於與固體一起使用。

序批式反應器 (SBR) 系統

序批式反應器 (SBR) 是一種活性污泥系統，通過填充然後排放來處理廢水。

在該系統中，廢水被放入單個間歇式反應器中。

按設定順序使用兩個或多個間歇式反應器，以獲得系統的最佳性能。

SBR 系統已被用於處理來自城市和工廠的廢水。

物質平衡方程

物料平衡方程可用於計算發生化學反應時間歇式反應器中發生的情況。

例如，等式 d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V。Rj dV 可用於攪拌良好的間歇式反應器，因為反應器內的良好混合使積分易於評估。

半間歇式反應器

半間歇式反應器兼有間歇式反應器和全天候運行的攪拌釜反應器（CSTRs）的特點。

它們可以在反應進行時添加進料，如 CSTR，但它們在開始時就充滿了反應物，如間歇式反應器。

大多數時候，當反應需要緩慢添加一種試劑或反應太熱而無法在間歇式反應器中完成時，會使用半間歇式反應器。

間歇式反應器概述

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用例

結論

最後，間歇式反應器是許多不同領域的化學工程師的重要工具。

它可以讓您非常精確地控制反應條件，這對於生產一致的高質量產品非常重要。

但即使間歇式反應器是一項偉大的技術，它也不是萬靈藥。

它不能用於各種反應，因為它有一些缺陷。

作為工程師，我們的工作是不斷提出新想法並嘗試新技術，以幫助我們解決這些問題並使製造複雜的化學產品變得更加容易。

如果我們突破可能的極限，我們就能為自己和地球創造更美好的未來。

因此，讓我們繼續尋找和嘗試新事物，以找到更好、更有效和更長期的解決方案。

鏈接和參考

摩爾平衡：

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

過程工程中的反應器：

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