Реактор периодического действия

Реактор периодического действия представляет собой химический реактор , в котором проводится прерывистая реакция, т. е. реактор, в котором реагенты , продукты и растворитель не поступают в сосуд или из него во время реакции до тех пор, пока не будет достигнута целевая конверсия реакции. В более широком смысле, это выражение каким-то образом неуместно используется для других операций периодической обработки жидкости, которые не включают в себя химическую реакцию, таких как растворение твердых веществ , смешивание продуктов , периодическая дистилляция , кристаллизация жидкость/жидкость и экстракция . Однако в таких случаях их можно называть не реакторами , а использовать термин, соответствующий выполняемой ими функции (например, кристаллизатор , биореактор и т. д.). ^[1]

масштабирования Многие периодические процессы разработаны на основе лабораторного , особенно для производства специальных химикатов и фармацевтических препаратов . В этом случае разработка процесса приведет к созданию рецепта производственного процесса, который во многом похож на рецепт, используемый в кулинарии . ^[2] Типичный реактор периодического действия состоит из сосуда высокого давления с мешалкой и встроенной системы нагрева/охлаждения. Емкости могут различаться по размеру от менее 1 л до более 15 000 л. Обычно они изготавливаются из стали , нержавеющей стали , эмалированной стали , стекла или экзотических сплавов . Жидкости и твердые вещества обычно загружаются через соединения в верхней крышке реактора. Пары и газы также выходят через соединения в верхней части. Жидкости обычно сбрасываются снизу.

Преимущества реактора периодического действия заключаются в его универсальности. Одно судно может выполнять последовательность различных операций без необходимости нарушения условий содержания. Это особенно полезно при обработке токсичных или сильнодействующих соединений .

Агитация

Обычное расположение мешалки представляет собой центрально установленный приводной вал с верхним приводом . Лопасти рабочего колеса установлены на валу. Используются самые разнообразные конструкции лопаток, и обычно лопатки покрывают около двух третей диаметра реактора. При работе с вязкими продуктами часто используются лопатки в форме якоря, которые имеют малый зазор между лопаткой и стенками сосуда.

В большинстве реакторов периодического действия также используются перегородки . Это стационарные лопасти, которые разбивают поток, создаваемый вращающейся мешалкой. Они могут быть прикреплены к крышке сосуда или установлены на внутренней стороне боковых стенок.

Несмотря на значительные улучшения в конструкции лопастей мешалки и перегородки, перемешивание в больших реакторах периодического действия в конечном итоге ограничивается количеством энергии, которую можно приложить. На больших судах энергия смешивания более 5 Вт /л может создать неприемлемую нагрузку на систему охлаждения. Высокие нагрузки на мешалку также могут создавать проблемы со стабильностью вала. Если смешивание является критическим параметром, реактор периодического действия не является идеальным решением. Гораздо более высокие скорости смешивания могут быть достигнуты при использовании проточных систем меньшего размера с высокоскоростными мешалками, ультразвуковым перемешиванием или статическими смесителями .

Системы отопления и охлаждения

Продукты в реакторах периодического действия обычно выделяют или поглощают тепло во время обработки. Даже при перемешивании хранящихся жидкостей выделяется тепло. Для поддержания желаемой температуры содержимого реактора необходимо добавлять или отводить тепло с помощью охлаждающей рубашки или охлаждающей трубы . Змеевики нагрева/охлаждения или внешние рубашки используются для нагрева и охлаждения реакторов периодического действия. Жидкий теплоноситель проходит через рубашку или змеевики для добавления или удаления тепла.

В химической и фармацевтической промышленности обычно предпочитают внешние рубашки охлаждения, поскольку они облегчают очистку сосуда. Характеристики этих курток можно определить по трем параметрам:

Время реакции на изменение температуры рубашки.
Равномерность температуры рубашки.
Стабильность температуры рубашки.

Можно утверждать, что коэффициент теплопередачи также является важным параметром. Однако следует признать, что крупные реакторы периодического действия с внешними рубашками охлаждения имеют серьезные ограничения по теплопередаче в силу конструкции. Трудно достичь показателя выше 100 Вт/л даже при идеальных условиях теплопередачи. Напротив, реакторы непрерывного действия могут обеспечить холодопроизводительность, превышающую 10 000 Вт/л. Для процессов с очень высокими тепловыми нагрузками существуют лучшие решения, чем реакторы периодического действия.

Быстрое регулирование температуры и равномерный нагрев и охлаждение рубашки особенно важны для процессов или операций кристаллизации, где продукт или процесс очень чувствительны к температуре. Существует несколько типов рубашек охлаждения реакторов периодического действия, включая одинарную внешнюю рубашку, рубашку полузмеевика и тепловую рубашку с постоянным потоком.

Одинарная внешняя оболочка

Конструкция с одинарной рубашкой состоит из внешней оболочки, окружающей сосуд. Жидкий теплоноситель обтекает рубашку и впрыскивается с высокой скоростью через форсунки. Температура в рубашке регулируется для контроля нагрева или охлаждения.

Одинарная рубашка, вероятно, является самой старой конструкцией рубашки внешнего охлаждения. Несмотря на то, что это проверенное и проверенное решение, оно имеет некоторые ограничения. На больших емкостях регулировка температуры жидкости в рубашке охлаждения может занять много минут. Это приводит к вялому контролю температуры . Распределение теплоносителя также далеко от идеального, а нагрев или охлаждение имеет тенденцию различаться между боковыми стенками и нижней тарелкой. Еще одним вопросом, который следует учитывать, является температура теплоносителя на входе, которая может колебаться (в ответ на действие клапана регулирования температуры) в широком диапазоне температур, вызывая появление горячих или холодных пятен во входных точках рубашки.

Полуспиральная куртка

Рубашка полузмеевика изготавливается путем сварки полутрубы вокруг резервуара с целью создания полукруглого канала потока. Жидкий теплоноситель проходит через канал в режиме поршневого потока . В большом реакторе для подачи теплоносителя может использоваться несколько змеевиков. Как и в одинарной рубашке, температура в рубашке регулируется для управления нагревом или охлаждением.

Характеристики поршневого потока полуспиральной рубашки позволяют быстрее вытеснять теплоноситель в рубашке (обычно менее 60 с ). Это желательно для хорошего контроля температуры. Это также обеспечивает хорошее распределение теплоносителя, что позволяет избежать проблем неравномерного нагрева или охлаждения между боковыми стенками и нижней тарелкой. Однако, как и в конструкции с одной рубашкой, входной теплоноситель также уязвим к большим колебаниям температуры (в ответ на действие клапана регулирования температуры).

Рубашка охлаждения постоянного флюса

Рубашка охлаждения с постоянным флюсом — относительно недавняя разработка. Это не одна куртка, а серия из 20 или более небольших элементов оболочки. Клапан контроля температуры работает, открывая и закрывая эти каналы по мере необходимости. Изменяя таким образом площадь теплопередачи, можно регулировать температуру процесса, не изменяя температуру рубашки.

Рубашка постоянного флюса имеет очень быструю реакцию на регулирование температуры (обычно менее 5 с) из-за короткой длины проточных каналов и высокой скорости теплоносителя. Как и в полуспиральной рубашке, поток нагрева/охлаждения является однородным. Поскольку рубашка работает практически при постоянной температуре, колебания температуры на входе, наблюдаемые в других рубашках, отсутствуют. Необычной особенностью рубашки этого типа является то, что технологическое тепло можно очень точно измерить. Это позволяет пользователю контролировать скорость реакции для определения конечных точек, контроля скорости добавления, контроля кристаллизации и т. д.

Приложения

Реакторы периодического действия часто используются в перерабатывающей промышленности ; при очистке сточных вод , поскольку они эффективны в снижении биологической потребности в кислороде (БПК) поступающей неочищенной воды; ^[3] в фармацевтической промышленности ; в лабораторных применениях, таких как мелкомасштабное производство, инициирование ферментации напитков, а также для экспериментов по кинетике реакций и термодинамике ; и т. д. Общими проблемами, приписываемыми реакторам периодического действия, являются их относительно высокая стоимость и ненадежность с точки зрения качества продукции.

См. также

Реактор непрерывного действия

Ссылки

^ Перейра, Карму Дж.; Лейб, Тибериу М. (2008). «Реакторы». В Грине, Дон В.; Перри, Роберт Х. (ред.). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк и др.: McGraw-Hill . дои : 10.1036/0071422943 . ISBN 0-07-159313-6 .
^ Смит, Робин (2016). «Глава 16: Пакетные процессы». Проектирование и интеграция химических процессов . Чичестер: Джон Уайли и сыновья . ISBN 9781119990147 .
^ Вильдерер, Питер А.; Ирвин, Роберт Л.; Горонши, Мервин К.; и др. (2001). Технология реактора периодического секвенирования . Научно-технический отчет № 10. Лондон: IWA Publishing . ISBN 1 900222 21 3 .

Внешние ссылки

[1] Перейра, Карму Дж.; Лейб, Тибериу М. (2008). «Реакторы». В Грине, Дон В.; Перри, Роберт Х. (ред.). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк и др.: McGraw-Hill . дои : 10.1036/0071422943 . ISBN 0-07-159313-6 .

[2] Смит, Робин (2016). «Глава 16: Пакетные процессы». Проектирование и интеграция химических процессов . Чичестер: Джон Уайли и сыновья . ISBN 9781119990147 .

[3] Вильдерер, Питер А.; Ирвин, Роберт Л.; Горонши, Мервин К.; и др. (2001). Технология реактора периодического секвенирования . Научно-технический отчет № 10. Лондон: IWA Publishing . ISBN 1 900222 21 3 .

[1]

[2]

[3]