Přenos hmoty v chemickém reaktoru
Význam mísení pro převádění do praxe
Základní pochopení procesu mísení je klíčové pro převádění chemických procesů do praxe. Mísení je snížení nebo eliminace nehomogenity skupenství, která lze nebo nelze smísit. Cílem je redukce nebo eliminace teploty nebo gradientu koncentrace, případně zajištění dobré disperze více skupenství. Dobré mísení je žádoucí z několika důvodů, včetně vedlejších reakcí nebo vytváření vedlejších produktů, zlepšení přenosu hmoty v systémech pro více skupenství, nebo zajištění rychlého přenosu tepla. Účinnost mísení je ovlivněna typem míseného materiálu, provedením mísiče a reaktoru, režimem mísení, ale také polohou přívodního potrubí a provozními podmínkami. [Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]. Chemické reakce ve směsné nádobě, kde mohou být činidla přítomná ve více než jednom skupenství (v kapalném, plynném nebo pevném), vyžadují intenzivní styk, který podpoří optimální přenos hmoty. Nedostatečné nebo špatné mísení může způsobit nízkou rychlost reakce, nízký výnos, nedostatečnou selektivnost nebo zvýšenou koncentraci nečistot, což výrazně zvyšuje provozní náklady. Přenos hmoty a kinetika mohou svým "soupeřením" přispět k celkové rychlosti reakce. Převedení procesu do praxe a jeho optimalizace vyžadují kvantifikaci vlivů mísení na rychlost reakce. Laboratorní reaktory je nutné provozovat za podmínek, které umožní dostatečnou charakterizaci procesu a jeho převedení do praxe.
Studie o mísení v laboratoři
Příprava reakcí v laboratorním prostředí
Příprava a převedení chemického procesu do praxe mohou být často složité. Zajištění shodného výkonu a parametrů mísení při porovnání malých a velkých reaktorů je značně problematické, pokud se spoléháte pouze na mechanická měření, jako je rychlost mísení, geometrie a provedení mísidla. Konzistentnější přístup ke studiu procesní dynamiky v malých v reaktorech představuje měření součinitele přenosu hmoty přímo v reakčním systému. Automatizované kontrolované experimenty lze souběžně provádět v laboratorním reakčním systému a zjistit tak korelace přenosů hmoty a zároveň zajistit prostředky k rychlému nastavení oblasti styku plynů s kapalinou a objemu v reaktoru, čímž se dosáhne požadovaných podmínek nezbytných pro převedení procesů do praxe, případně jeho vyřazení z praxe.
Režim mísení a příkon rotoru
Od laminárního k turbulentnímu proudění
V systémech určených pro více skupenství je přenos hmoty mezi skupenstvími klíčový pro převedení do praxe a výkon reaktoru a mechanický výkon přenesený při interakci rotoru s kapalinou je kriticky důležitý. Ovlivňuje míru disperze různých skupenství a příslušný přenos hmoty mezi nimi. U procesu s pouze kapalným skupenstvím, kde může rychlá reakce způsobit vznik konkurenčního produktu a vedlejšího produktu, může míra turbulence kapaliny ovlivnit selektivitu a výnos celkového chemického procesu.
U takových systémů určuje mechanický výkon na objemovou jednotku míru turbulence a celkový výkon procesu. Pro daný rotor geometrii konkrétní směsné nádoby reaktoru platí, že lze získat univerzální výkonovou křivku rotoru. Ta charakterizuje výkon rotoru působící na kapalné skupenství.
Typické výkonové křivky (Reynoldsovo číslo (Re) vs. příkonové číslo (Np) jak je ukázáno vpravo) jsou nezávislé na objemu reaktoru, a proto podporují převedení do praxe a charakterizaci systému. Bezrozměrné Reynoldsovo číslo indikuje, zda kapalina v reaktoru proudí v laminárním nebo turbulentním režimu. Vyjadřuje tak poměr setrvačných sil (sil, kterými rotor působí na kapalinu) v porovnání s viskózními silami vlastními procesní kapalině. Pokud viskózní síly dominují a Re < 10, podléhá proudění kapaliny viskozitě kapaliny a vzorec proudění je laminární. Pokud převažují síly rotoru a Re> 2 000–10 000, je průtok kapaliny nezávislý na viskozitě, úměrný hustotě, a proto turbulentní. Přesný bod přechodu do turbulentního režimu závisí na geometrii reaktorů a přítomnosti "turbulenci" podporujících prvků, jako například přepážek, v reaktoru. Laboratorní reaktory jsou prostředky rychlého testování všech kapalin v konfiguraci reaktor – rotor.
Význam mísení u rychlých reakcí
Tipy pro laboratorní provoz
V příkladu z webináře Význam mísení, Ray Machado PhD, ze společností rm2 Technologies LLC a Air Products and Chemicals, optimalizuje mísení pro rychlou reakci v automatickém syntetizujícím reaktoru. Za využití reakce S2O3-2 a I2 za přítomnosti škrobu demonstruje vliv mísení na distribuci činidla tím, že ukazuje, kde dochází k rychlým chemickým reakcím s konkurenčními reakcemi vedlejších produktů. Ve videu je černé pero vedlejším produktem reakce jódu se škrobem. Jakmile však komplex škrobu s jódem reaguje s thiosíranem, stane se opět čirým. Mísení, rychlost přívodu a umístění přívodu ovlivňují rychlost primární reakce. Čím blíže k rotoru se přívodní potrubí nachází, nebo čím vyšší je rychlost mísení, tím méně vedlejšího produktu vzniká. Při zvyšování rychlosti mísení se množství vedlejšího produktu naopak rychle snižuje.
Jak měřit součinitel přenosu hmoty
Primární a nejzákladnější měřitelný proces, který je nutné charakterizovat při provádění jakékoli reakce plynu s kapalinou, je přenos hmoty plynu do kapalného reakčního skupenství. Strategie převedení do praxe zahrnuje vyrovnání součinitelů přenosu hmoty kla od malých objemů k velkým objemům spíše než pokusy o vyrovnání geometrie, rychlostí mísení nebo dalších charakteristik mísení. Práce Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline(Základy přenosu hmoty a kinetika hydrogenace nitrobenzenu na anilin) vymezuje kroky výpočtu součinitele přenosu hmoty a zahrnuje i varování před zavádějícími informacemi ve studiích o místech v průběhu katalytické hydrogenace.
Praktické pokyny k mísení
Optimalizace a převedení do praxe
Ve webináři Význam mísení: Comparing Lab and Large Scale (Porovnání laboratorního prostředí s procesem ve velkém měřítku) se Ray Machado zabývá účinky mísení na kinetiku, přenos tepla, termodynamiku, přenos hmoty mezi skupenstvími a optimalizaci při mísení pevných látek nebo plynů. Mísení může ovlivnit výnos, selektivitu a vznik vedlejších produktů. Ray nabízí rady k měření a výpočtu základních parametrů pro převedení do praxe.
Studium mísení v laboratorních reaktorech
Kontrola prostřednictvím automatických laboratorních reaktorů
Pracovní stanice na vývoj procesů a převádění do praxe umožňují vědcům studium a optimalizaci mísení a přenosů hmoty v reálném čase. Kontrola mísení může být automatická a předem naprogramovaná, takže pokusy mohou probíhat bezpečně a veškeré reakční parametry mohou být zaznamenávány 24 hodin denně. Vzhledem k bezpečnému a vysoce přesnému měření a kontrole se významně snižuje počet nezbytných experimentů, což zvyšuje účinnost převádění do praxe.
Vývoj procesů a převedení do praxe
Knihovna aplikací
Průběžné zpracování
Jak zlepšit podmínky mísení
David Ford ze společnosti Nalas Engineering ze zabýval oxidativní nitrací s rychlou a vysoce exotermickou oxidační fází za využití reakční kalorimetrie a procesně-analytické technologie. Reakce byla původně vyvíjena jako dávkový proces, ale s ohledem na mísení, výnos a přenos tepla byl vyvinut trvalý proces využívající průtokových reaktorů v sérii se dvěma reaktory se směsnými nádobami (CSTR).
Aplikace
Aplikace související s přenosem hmoty, mísením a rychlostí reakce
How Heat Transport in Agitated Vessels Affects Process Scale-up
Scaling-up a chemical process from lab to manufacturing gives useful results only with accurate heat transfer coefficients. Measuring the jacket and reactor temperature (during the release of a well-defined amount of heat) allows researchers to accurately compute the thermal resistance which is used to model the heat transfer and make critical predictions for reactors at larger scale. Reaction calorimetry is essential to determine parameters that impact the heat transfer and the heat transfer coefficients to develop models to maximize the bandwidth of a manufacturing plant.
Producing Quality, Economically-Viable Molecules
Chemical synthesis occurs when two or more molecules are combined to form a product molecule that possesses specific properties. There are numerous examples of chemical synthesis that results in important products for the pharmaceutical, polymer, fine and bulk chemical industries. To achieve optimized yield, quality, safety and cost metrics, chemical synthesis requires a thorough understanding of the kinetics and thermodynamics of the underlying chemistry, as well as carefully controlled and monitored reaction conditions.
Scaling-Up Agitation, Dosing, and Crystallization
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
Thermal Hazard Analysis
Process Safety requires fundamental understanding of the thermal hazards of a reaction to ensure safe and efficient design and scale-up of synthesis reactions.
Avoid Losing Control Over a Chemical Process
Chemical process safety focuses on preventing incidents and accidents during manufacturing of chemicals and pharmaceuticals in large scale. It refers to unintentional release of potentially dangerous materials and energy to the environment during a chemical reaction or because of a runaway reaction.
Scaling-up a chemical process from lab to manufacturing gives useful results only with accurate heat transfer coefficients. Measuring the jacket and reactor temperature (during the release of a well-defined amount of heat) allows researchers to accurately compute the thermal resistance which is used to model the heat transfer and make critical predictions for reactors at larger scale. Reaction calorimetry is essential to determine parameters that impact the heat transfer and the heat transfer coefficients to develop models to maximize the bandwidth of a manufacturing plant.
Chemical synthesis occurs when two or more molecules are combined to form a product molecule that possesses specific properties. There are numerous examples of chemical synthesis that results in important products for the pharmaceutical, polymer, fine and bulk chemical industries. To achieve optimized yield, quality, safety and cost metrics, chemical synthesis requires a thorough understanding of the kinetics and thermodynamics of the underlying chemistry, as well as carefully controlled and monitored reaction conditions.
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
Process Safety requires fundamental understanding of the thermal hazards of a reaction to ensure safe and efficient design and scale-up of synthesis reactions.
Chemical process safety focuses on preventing incidents and accidents during manufacturing of chemicals and pharmaceuticals in large scale. It refers to unintentional release of potentially dangerous materials and energy to the environment during a chemical reaction or because of a runaway reaction.
Publikace ke stažení
Publikace související s přenosem hmoty, mísením a rychlostí reakce
Application Notes
This application note describes how reaction calorimetry provides accurate measurement of the thermal resistances and the heat evolved from reactions...
Webinars
This webinar discusses the importance of mixing and compares lab mixing and large scale mixing. The presentation features excerpts from two short cou...
David Ford of Nalas investigated an Oxidative Nitration reaction with a fast and highly exothermic oxidation step using reaction calorimetry and Proce...
Tento webinář je zaměřen na aplikace a význam mísení a reakční kalorimetrie v procesech v chemickém průmyslu. Součástí je také řada případových studií...
Podobné produkty
Technologie používané k přenosu hmoty a rychlosti reakce
Chemická syntéza a vývoj procesů
Automatické řízení chemických reaktorů a záznam všech parametrů reakce 24 hodin denně
Reakční kalorimetry
Reakční kalorimetrie: od sítování po výrobu
In situ FTIR spektroskopie
Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) pro sledování chemických reakcí v reálném čase