Полупериодический реактор

Полупериодический реактор

Как для химической так и для биологической инженерии , полупериодические (полупоточные) реакторы работают так же, как реакторы периодического действия , поскольку они размещаются в одном резервуаре с перемешиванием и аналогичным оборудованием. Однако они модифицированы, чтобы обеспечить возможность реагентов своевременного добавления и/или удаления продукта.

Обычный реактор периодического действия заполняется реагентами в одном резервуаре с мешалкой одновременно. $t=0$ и реакция идет. Однако полупериодический реактор позволяет частично заполнять реагенты с возможностью добавления большего количества реагентов с течением времени. Перемешивание в обоих типах очень эффективное, что позволяет реакторам периодического и полупериодического действия поддерживать однородный состав и температуру во всем объеме.

Преимущества

Гибкость добавления большего количества реагентов с течением времени посредством полупериодического процесса имеет несколько преимуществ по сравнению с реактором периодического действия. К ним относятся:

Улучшенная селективность реакции

Иногда конкретный реагент может проходить параллельные пути, в результате чего образуются два разных продукта, из которых желателен только один. Рассмотрим простой пример ниже:

A→U (желаемый продукт)
A→W (нежелательный продукт)

Выражения скорости, учитывающие изменчивость объема реакции, имеют вид:

$V{\frac {dC_{A}}{dt}}+C_{A}{\frac {dV}{dt}}$ = $F_{A}$ - $k_{1}$ $C_{A}^{\alpha }$

$V{\frac {dC_{U}}{dt}}+C_{U}{\frac {dV}{dt}}$ = $k_{1}$ $C_{A}^{\alpha }$ - $F_{U}$

$V{\frac {dC_{W}}{dt}}+C_{W}{\frac {dV}{dt}}$ = $k_{2}$ $C_{A}^{\beta }$ - $F_{W}$

Где $F_{A}$ - молярная скорость добавления реагента А. Обратите внимание, что наличие этих членов добавления, которые могут быть отрицательными в случае удаления продуктов (например, путем фракционной перегонки ), являются теми, которые отмечают отличие случаев полупериодического реактора от более простого. пакетные случаи. Для стандартных реакторов периодического действия (без дополнительных условий) селективность по желаемому продукту определяется как:

С = ${\frac {d(VC_{U})}{d(VC_{W})}}$ = ${\frac {k_{1}}{k_{2}}}C_{A}^{\alpha -\beta }$

С = ${\frac {dC_{U}}{dC_{W}}}$ = ${\frac {k_{1}}{k_{2}}}C_{A}^{\alpha -\beta }$ для реакций постоянного объема (т.е. периодического действия).

Если $\beta >\alpha$, концентрация реагента должна поддерживаться на низком уровне, чтобы максимизировать селективность. Этого можно добиться с помощью реактора полупериодического действия.

Лучший контроль экзотермических реакций

Экзотермические реакции выделяют тепло, а сильно экзотермические реакции могут вызвать проблемы с безопасностью. Реакторы полупериодического действия позволяют медленно добавлять реагенты, чтобы контролировать выделяемое тепло и, следовательно, температуру в реакторе.

Удаление продукта через продувочный поток

Чтобы свести к минимуму обратимость реакции, необходимо минимизировать концентрацию продукта. Это можно сделать в реакторе полупериодического действия, используя продувочный поток для удаления продуктов и увеличения чистой скорости реакции за счет содействия прямой реакции.

Выбор реактора

Важно понимать, что эти преимущества в большей степени применимы к решению об использовании реактора периодического, полупериодического или непрерывного действия в определенном процессе. Реакторы как периодического, так и полупериодического действия больше подходят для жидкофазных реакций и мелкомасштабного производства, поскольку они обычно требуют меньших капитальных затрат , чем реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR), но требуют более высоких затрат на единицу продукции, если производство необходимо увеличить. Эти затраты на единицу продукции включают затраты на рабочую силу, обработку материалов (заполнение, опорожнение, очистку), защитные меры и непроизводительные периоды, возникающие в результате переналадки при смене партий. Следовательно, капитальные затраты должны быть сопоставлены с эксплуатационными расходами , чтобы определить правильную конструкцию реактора, которую следует реализовать.

Источники

• Хилл, К. (1937). Введение в кинетику химической технологии и проектирование реакторов. Джон Уайли и сыновья, Inc.
• Грау, М.; Нуг, Ж.; Пучджанер, Л. (2000). «Работа реакторов периодического и полупериодического действия для экзотермической реакции». Химическая инженерия и переработка: интенсификация процессов . 39 (2): 141–148. дои : 10.1016/S0255-2701(99)00015-X .
• Хайнцле, Э. (nd). Полупериодический реактор и безопасность. Получено с http://www.uni-saarland.de/fak8/heinzle/de/teaching/Technische_Chemie_I/HE3_Semi-Batch. Реактор_Текст.pdf
• Витруп, Д. (2007). Сравнение размеров реакторов для PFR и CSTR. Получено с http://ocw.mit.edu/courses/chemical-engineering/10-37-chemical-and-biological-reaction-engineering-spring-2007/lecture-notes/lec09_03072007_w.pdf.