Giới Thiệu Về Lò Phản Ứng Theo Mẻ: Khái Niệm Cơ Bản Và Ứng Dụng

Bạn đã bao giờ nghĩ về cách các phản ứng hóa học tạo ra những thứ như thuốc và nhiên liệu xảy ra như thế nào chưa?

Bạn biết rằng những phản ứng này không tự xảy ra bởi vì bạn là sinh viên kỹ thuật hoặc kỹ sư.

Họ cần các điều kiện chính xác, lượng chất phản ứng và chất xúc tác được đo cẩn thận và loại lò phản ứng phù hợp.

Lò phản ứng hàng loạt giúp với điều này.

Lò phản ứng theo mẻ là một công cụ quan trọng đối với bất kỳ kỹ sư hóa học nào vì nó có thể xử lý nhiều loại phản ứng và các điều kiện của những phản ứng đó có thể được kiểm soát rất chính xác.

Trong bài viết này, tôi sẽ đi vào chi tiết về các lò phản ứng theo mẻ, nói về các bộ phận, lợi ích và cách sử dụng của chúng.

Cho dù bạn là một kỹ sư có kinh nghiệm hay mới bắt đầu, bài viết này sẽ cung cấp cho bạn thông tin cần thiết để hiểu về lò phản ứng theo mẻ và tầm quan trọng của chúng trong thế giới kỹ thuật hóa học.

Giới thiệu về lò phản ứng theo mẻ

Định nghĩa chính thức:

Một lò phản ứng hóa học trong đó các chất phản ứng và chất xúc tác được đưa vào với số lượng mong muốn và bình sau đó được đóng lại để cung cấp vật liệu bổ sung.

Lò phản ứng theo mẻ là máy linh hoạt có thể được sử dụng cho nhiều hoạt động quy trình khác nhau.

Một số điều phổ biến nhất mà các lò phản ứng hàng loạt làm là:

Chất rắn có thể được hòa tan trong chất lỏng với sự trợ giúp của lò phản ứng hàng loạt.

Chất rắn và dung môi được đưa vào lò phản ứng, và hỗn hợp này được khuấy cho đến khi tất cả chất rắn được hòa tan.

• Trộn sản phẩm: Lò phản ứng hàng loạt được sử dụng để trộn các sản phẩm khác nhau với nhau để tạo ra hỗn hợp bạn muốn.

Điều này có thể hữu ích trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, nơi các thành phần khác nhau được trộn lẫn để tạo ra một sản phẩm nhất định.

• Phản ứng hóa học: Hầu hết các phản ứng hóa học được thực hiện trong lò phản ứng hàng loạt.

Sau khi thêm các chất phản ứng vào lò phản ứng, hỗn hợp được để lại phản ứng trong một khoảng thời gian nhất định.

Vào cuối đợt, các mặt hàng sau đó được lấy ra.

• Chưng cất hàng loạt: Lò phản ứng hàng loạt cũng có thể được sử dụng để chưng cất hàng loạt, đây là cách để tách các phần của hỗn hợp dựa trên điểm sôi của chúng.

Ưu điểm và nhược điểm của lò phản ứng hàng loạt

Lò phản ứng hàng loạt có một số lợi ích, chẳng hạn như:

Các lò phản ứng theo lô rất linh hoạt vì chúng có thể làm nhiều việc trong một bình duy nhất mà không vi phạm quy trình quản thúc.

Lò phản ứng hàng loạt có thể tạo ra các sản phẩm khác nhau trong cùng một lò phản ứng vì chúng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích.

• Chuyển đổi cao: Thuốc thử có thể ở trong lò phản ứng trong một thời gian dài, dẫn đến chuyển đổi cao.
• Dễ chế tạo và thay đổi: Các lò phản ứng theo lô khá dễ chế tạo và thay đổi.

Nhưng các lò phản ứng theo mẻ cũng có một số vấn đề, chẳng hạn như:

• Trộn ngược: Trộn ngược xảy ra khi vật liệu không được lấy ra cho đến khi phản ứng kết thúc.

Điều này rút ngắn tuổi thọ của chất xúc tác và tạo ra nhiều chất thải.

• Số lượng hạn chế: Lò phản ứng hàng loạt không phải là cách tốt nhất để tạo ra nhiều sản phẩm cùng một lúc.
• Tính đa dạng của sản phẩm: Các sản phẩm được tạo ra bởi các lò phản ứng theo mẻ có thể khác nhau từ mẻ này sang mẻ khác.
• Khó khăn khi sản xuất quy mô lớn: Lò phản ứng hàng loạt không phù hợp để sản xuất nhiều thứ cùng một lúc.
• Vận hành tốn kém: Các lò phản ứng theo lô cần được bật và tắt thường xuyên, điều này khiến việc vận hành chúng trở nên tốn kém.

Đặc điểm thiết kế của lò phản ứng theo mẻ

Lò phản ứng hàng loạt được thực hiện với một số bộ phận tương tự, chẳng hạn như:

• Cổng để bơm chất phản ứng và loại bỏ sản phẩm: Lò phản ứng hàng loạt có cổng để bơm chất phản ứng và loại bỏ sản phẩm.
• Bộ trao đổi nhiệt hoặc hệ thống khuấy: Có thể thêm một bộ trao đổi nhiệt hoặc hệ thống khuấy vào lò phản ứng theo mẻ.
• Thể tích không đổi: Lò phản ứng theo mẻ thường có thể tích không đổi, nhưng một số được chế tạo sao cho thể tích có thể thay đổi để giữ áp suất không đổi.

Nói tóm lại, lò phản ứng theo mẻ là những thùng chứa đơn giản được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến cho nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Chúng rất linh hoạt, có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, có tỷ lệ chuyển đổi cao, dễ thực hiện và thay đổi.

Nhưng chúng cũng có một số vấn đề, chẳng hạn như trộn ngược, số lượng hạn chế, các sản phẩm khác nhau, khó sản xuất nhiều, tuổi thọ của chất xúc tác ngắn và lãng phí.

Lò phản ứng hàng loạt thường được sử dụng cho các công việc quy mô nhỏ, thử nghiệm các phương pháp mới và sản xuất hàng hóa đắt tiền.

Chúng cũng thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm để sản xuất quy mô nhỏ và để bắt đầu quá trình lên men đồ uống.

Chấp nhận điều không thể đoán trước: Sự phấn khích và rủi ro của lò phản ứng hàng loạt

Vẫn còn khó hiểu? Hãy để tôi thay đổi quan điểm một chút:

Các nhà hóa học, hãy chú ý! Bạn muốn công việc của mình trở nên thú vị hơn? Mệt mỏi vì những điều tương tự xảy ra lặp đi lặp lại? Lò phản ứng hàng loạt là tất cả những gì bạn cần.

Lò phản ứng theo mẻ là hoàn hảo cho sự hỗn loạn, không thể đoán trước và thậm chí có thể là một chút phấn khích vì bạn có thể thêm chất phản ứng và chất xúc tác với số lượng bạn muốn, sau đó đóng bình lại để ngăn nhiều vật liệu hơn vào.

Ai quan tâm đến kiểm soát và nhất quán? Chấp nhận thực tế rằng lò phản ứng theo lô rất khó dự đoán và xem nó sẽ đưa bạn đến đâu.

Được rồi, đó chỉ là một trò đùa để trông giống như một quảng cáo trên TV.

Bây giờ chúng ta hãy quay lại phần giải thích.

Các thành phần của lò phản ứng hàng loạt

Lò phản ứng theo mẻ là các bình được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến để thực hiện những việc như hòa tan chất rắn, trộn sản phẩm, thực hiện các phản ứng hóa học và chưng cất theo mẻ.

Bình phản ứng, môi trường phản ứng, khoảng trống phía trên và máy khuấy là bốn phần chính.

Lò phản ứng

Phần chính của lò phản ứng theo mẻ là bình phản ứng, thường được làm bằng thép, thép không gỉ, thép lót thủy tinh, thủy tinh hoặc hợp kim kỳ lạ.

Nó có thể nhỏ hơn 1 lít hoặc lớn hơn 15.000 lít.

Hầu hết thời gian, chất lỏng và chất rắn được đưa vào lò phản ứng thông qua các lỗ ở nắp trên.

Hơi và khí thoát ra từ các lỗ ở phía trên và chất lỏng thoát ra từ các lỗ ở phía dưới.

trung bình phản ứng

- Môi trường xảy ra phản ứng gọi là môi trường phản ứng.

Tùy thuộc vào loại phản ứng được thực hiện, nó có thể ở pha khí, pha lỏng hoặc pha lỏng-rắn.

khoảng trống

Headspace là khoảng trống phía trên phương tiện.

Nó nhường chỗ cho khí hoặc hơi được tạo ra trong quá trình phản ứng.

máy khuấy

Máy khuấy là cần thiết để trộn các phần khác nhau và thêm hoặc loại bỏ nhiệt từ phản ứng.

Tùy thuộc vào loại phản ứng, nó có thể được thực hiện với cánh quạt dòng chảy hướng trục hoặc cánh quạt dòng chảy hướng tâm để cung cấp các loại khuấy trộn khác nhau.

Ưu điểm và Thách thức của Lò phản ứng theo mẻ

Một trong những điều tốt nhất về lò phản ứng theo mẻ là chúng linh hoạt như thế nào.

Một tàu duy nhất có thể thực hiện một loạt các nhiệm vụ khác nhau mà không vi phạm quy trình quản thúc.

Điều này rất hữu ích khi làm việc với các vật liệu độc hại vì nó làm giảm nguy cơ người lao động bị thương.

Nhưng các lò phản ứng theo mẻ có một số vấn đề, chẳng hạn như trộn ngược, có thể làm cho chất lượng sản phẩm kém do các chất phản ứng không được trải đều trong bình.

Thiết kế và Định cỡ Lò phản ứng Batch

Một số điều cần được tính đến khi thiết kế và định cỡ lò phản ứng theo mẻ cho một phản ứng nhất định.

Chúng bao gồm động học của phản ứng, truyền nhiệt, truyền khối, trộn và hành vi pha.

Thiết kế phải đảm bảo rằng lò phản ứng có thể thực hiện phản ứng một cách an toàn và hiệu quả, đáp ứng các thông số kỹ thuật cho sản phẩm và giữ chi phí sản xuất ở mức thấp nhất có thể.

Hầu hết thời gian, việc tìm ra kích thước của một lò phản ứng theo mẻ có nghĩa là tìm ra thể tích của lò phản ứng cần thiết để chuyển đổi các chất phản ứng theo một cách nhất định và cho phép trộn đủ và truyền nhiệt.

Để có được hiệu suất tốt nhất từ ​​lò phản ứng, quy trình thiết kế và định cỡ có thể bao gồm các thí nghiệm, mô phỏng và mô hình.

Trong một lò phản ứng theo lô, thời gian cần thiết để đạt đến một mức độ chuyển đổi nhất định phụ thuộc vào tốc độ phản ứng diễn ra và mức độ chuyển đổi mà bạn muốn.

Vì vậy, để tìm ra thể tích lò phản ứng theo lô phù hợp cho một phản ứng nhất định, bạn sẽ phải suy nghĩ về những thứ như tốc độ của phản ứng, nồng độ ban đầu của chất phản ứng, mức độ chuyển đổi bạn muốn và khoảng thời gian của lò phản ứng. Sẽ được chạy.

Thông tin này có thể được sử dụng để tìm ra kích thước phù hợp cho lò phản ứng theo mẻ bằng cách tính toán các tham số như hằng số tốc độ phản ứng và hệ số cân bằng hóa học.

Trái ngược với CSTR và PFR, có thể xử lý một lượng lớn chất phản ứng liên tục theo thời gian, lò phản ứng theo mẻ chỉ có thể xử lý một số lượng chất phản ứng nhất định cùng một lúc.

Vì vậy, một lò phản ứng theo mẻ có thể không xử lý được cùng một lượng loài A mỗi ngày như một lò phản ứng dòng chảy liên tục.

Nhưng các lò phản ứng hàng loạt vẫn hữu ích cho các hoạt động quy mô nhỏ, thử nghiệm các quy trình mới chưa được phát triển đầy đủ và tạo ra các sản phẩm đắt tiền.

Nói tóm lại, lò phản ứng theo mẻ có một số bộ phận quan trọng, chẳng hạn như bình phản ứng, môi trường phản ứng, khoảng trống phía trên và máy khuấy.

Chúng có những lợi ích như linh hoạt và có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, nhưng chúng cũng có những vấn đề như trộn ngược.

Để thiết kế và định cỡ một lò phản ứng theo mẻ cho một phản ứng nhất định, bạn phải suy nghĩ về những thứ như động học phản ứng, truyền nhiệt, truyền khối, trộn và trạng thái pha.

Tính toán trong lò phản ứng hàng loạt

Phương trình cân bằng nốt ruồi và chuỗi phản ứng

Đối với lò phản ứng theo mẻ với phản ứng nối tiếp, chúng ta cần sử dụng phương trình cân bằng mol để tìm ra lượng chất có trong lò phản ứng.

Phương trình cân bằng mol được sử dụng để tìm ra tốc độ thay đổi của mỗi mol trong lò phản ứng.

Phương trình cân bằng mol cho lò phản ứng theo mẻ là:

dN_i/dt = r_i*V

trong đó N_i là số mol của loài i, t là thời gian, r_i là tốc độ phản ứng của loài i và V là thể tích của lò phản ứng.

Bất cứ khi nào chúng ta muốn biết có bao nhiêu loài trong một lò phản ứng theo mẻ trong một phản ứng loạt, chúng ta có thể sử dụng phương trình này.

Định cỡ lò phản ứng xà phòng hóa hàng loạt cho quy trình nóng

Xà phòng hóa là một quá trình hóa học biến chất béo và dung dịch kiềm thành xà phòng.

Đối với quá trình xà phòng hóa nóng, một lò phản ứng hàng loạt được sử dụng.

Đối với quy trình nóng, kích thước của lò phản ứng xà phòng hóa theo mẻ sẽ phụ thuộc vào lượng xà phòng cần được sản xuất và loại xà phòng được sản xuất.

Ngoài kích thước của lò phản ứng, diện tích bề mặt của lò phản ứng cũng có thể thay đổi tốc độ phản ứng xảy ra.

Nếu bạn sử dụng lò phản ứng có vách ngăn hoặc lò phản ứng có tỷ lệ khung hình cao hơn, bạn có thể làm cho diện tích bề mặt lớn hơn.

Đối với quá trình xà phòng hóa nóng, nhiệt độ của lò phản ứng phải được giữ trong khoảng từ 70°C đến 85°C.

Thời gian phản ứng diễn ra tùy thuộc vào lượng xà phòng bạn muốn tạo ra.

Nó có thể mất từ ​​​​vài giờ đến vài ngày.

Một lò phản ứng hàng loạt có thể được sử dụng để nghiên cứu động học của quá trình xà phòng hóa.

Sử dụng lò phản ứng theo mẻ có khuấy từ và áo khoác thủy tinh, học sinh có thể tìm ra hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai ở các nhiệt độ khác nhau.

Phản ứng xà phòng hóa cũng có thể được sử dụng để tìm ra phản ứng chuyển đổi trong lò phản ứng hình ống đóng gói.

Thử nghiệm và tối ưu hóa trong lò phản ứng hàng loạt

Thực hiện thử nghiệm lò phản ứng hàng loạt với chất rắn

Khi thực hiện thử nghiệm lò phản ứng theo mẻ với chất rắn, chất phản ứng rắn và lỏng thường được trộn trong bình có máy khuấy.

Hỗn hợp sau đó được để lại phản ứng trong một khoảng thời gian nhất định.

Sau đó, chất rắn thường được tách ra khỏi chất lỏng bằng cách lọc hoặc ly tâm.

Sau đó, để tìm hiểu xem phản ứng đã đi được bao xa, người ta đo nồng độ của các chất cần quan tâm trong pha lỏng.

Khi lập kế hoạch thử nghiệm lò phản ứng hàng loạt với chất rắn, bạn cũng nên suy nghĩ về kích thước của các hạt chất rắn, nồng độ ban đầu của chất phản ứng và mức độ chuyển đổi mà bạn muốn.

Thử nghiệm lò phản ứng hàng loạt trong phòng thí nghiệm đã sửa đổi

Quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong bùn hoạt tính đã được thử nghiệm trong lò phản ứng theo mẻ trong phòng thí nghiệm.

Thử nghiệm đã được thay đổi để bao gồm các sợi vi chiết pha rắn (SPME) để lấy mẫu trong pha khí.

Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của ống nháp và giúp sử dụng dễ dàng hơn với chất rắn.

Hệ thống lò phản ứng mẻ tuần tự (SBR)

Lò phản ứng theo mẻ tuần tự (SBR) là một hệ thống bùn hoạt tính xử lý nước thải bằng cách làm đầy và sau đó thoát nước.

Trong hệ thống này, nước thải được đưa vào bể phản ứng một mẻ.

Hai hoặc nhiều lò phản ứng theo mẻ được sử dụng theo thứ tự đã định để hệ thống đạt được hiệu suất tốt nhất.

Hệ thống SBR đã được sử dụng để xử lý nước thải từ cả thành phố và nhà máy.

Phương Trình Cân Bằng Vật Chất

Phương trình cân bằng vật chất có thể được sử dụng để tìm hiểu điều gì đang xảy ra trong các lò phản ứng theo mẻ khi các phản ứng hóa học xảy ra.

Ví dụ, phương trình d dt ∫V cj dV = Q0cj0−Q1cj1 + ∫V. Rj dV có thể được sử dụng cho các lò phản ứng theo mẻ được khuấy đều vì các tích phân rất đơn giản để đánh giá do sự khuấy trộn tốt bên trong lò phản ứng.

Lò phản ứng bán mẻ

Lò phản ứng bán mẻ có các tính năng của cả lò phản ứng mẻ và lò phản ứng thùng khuấy chạy liên tục (CSTR).

Chúng có thể thêm nguồn cấp dữ liệu trong khi phản ứng đang diễn ra, giống như CSTR, nhưng chúng chứa đầy chất phản ứng ngay từ đầu, giống như lò phản ứng theo mẻ.

Hầu hết thời gian, lò phản ứng bán mẻ được sử dụng khi một phản ứng cần thêm một thuốc thử từ từ hoặc khi phản ứng quá nóng để thực hiện trong lò phản ứng mẻ.

Tổng quan về lò phản ứng hàng loạt

Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ nói. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.

Trường hợp sử dụng

Phần kết luận

Cuối cùng, lò phản ứng theo mẻ là một công cụ quan trọng cho các kỹ sư hóa học trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nó cho phép bạn kiểm soát các điều kiện của một phản ứng rất chính xác, điều này rất quan trọng để tạo ra các sản phẩm chất lượng cao, nhất quán.

Nhưng mặc dù lò phản ứng theo mẻ là một công nghệ tuyệt vời, nhưng nó không phải là thuốc chữa bách bệnh.

Nó không thể được sử dụng cho mọi loại phản ứng vì nó có một số sai sót.

Là kỹ sư, nhiệm vụ của chúng ta là tiếp tục đưa ra những ý tưởng mới và thử nghiệm những công nghệ mới có thể giúp chúng ta giải quyết những vấn đề này và giúp việc tạo ra các sản phẩm hóa học phức tạp trở nên dễ dàng hơn.

Chúng ta có thể tạo ra một tương lai tốt đẹp hơn cho chính mình và hành tinh nếu chúng ta vượt qua giới hạn của những gì có thể.

Vì vậy, hãy tiếp tục tìm kiếm và thử những điều mới để tìm ra các giải pháp tốt hơn, hiệu quả hơn và lâu dài hơn.

Liên kết và tài liệu tham khảo

Số dư nốt ruồi:

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

Lò phản ứng trong Quy trình Kỹ thuật:

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