Přenos hmoty a rychlost reakce

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.

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. 

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. 

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.

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. 

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.

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.

• Přenos tepla a převedení do praxe
• Vliv mísení na krystalizaci
• Kinetika chemické reakce

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).