Blanding og masseoverførsel

Den grundlæggende forståelse af blandingsprocessen er afgørende for opskalering i kemisk udvikling. Blanding er reduktion eller eliminering af inhomogenitet af faser, der enten er blandbare eller ikke-blandbare. Målet er enten at reducere eller eliminere temperatur- eller koncentrationsgradienter eller at sikre god spredning af flere faser. God blanding er ønskelig af flere grunde, herunder sidereaktioner eller biproduktdannelse, forbedring af masseoverførsel i flerfasesystemer eller sikring af hurtig varmeoverførsel. Blandingseffektiviteten påvirkes af typen af materiale, der skal blandes, omrørerens og reaktorens design, blandingsregimet, men også placeringen af føderøret og driftsforholdene. [Håndbog i industriel blanding, videnskab og praksis. Paul, E. Wiley (2004)]. Kemiske reaktioner i en omrørt tank, hvor reagenserne kan være til stede i mere end én fase (flydende, gasformig eller fast), kræver intensiv grænsefladekontakt for at lette optimal masseoverførsel. Forkert eller dårlig blanding kan resultere i en lav reaktionshastighed, lavt udbytte, dårlig selektivitet eller øget koncentration af urenheder, hvilket øger produktionsomkostningerne betydeligt. Masseoverførsel og kinetik kan konkurrere og bidrage til den samlede reaktionshastighed. Procesopskalering og optimering kræver, at blandingens indvirkning på reaktionshastigheden kvantificeres. Laboratoriereaktorer skal drives under forhold, der tillader meningsfuld proceskarakterisering og opskalering.

Udvikling og opskalering af en kemisk proces er ofte udfordrende. Det er vanskeligt at matche ydeevne og blanding mellem små og store reaktorer, når man kun er afhængig af mekaniske målinger såsom omrøringshastighed, geometri og omrørerdesign. En mere konsekvent tilgang til at studere procesdynamik i små reaktorer er at måle masseoverførselskoefficienten direkte i det faktiske reaktionssystem. Automatiserede, kontrollerede eksperimenter kan køres parallelt i et laboratoriereaktorsystem for at etablere en masseoverførselskorrelation og give et middel til hurtigt at justere gas/væske-grænsefladeområdet og reaktorvolumen og opnå de ønskede betingelser, der kræves for opskalering eller nedskalering af en proces. 

I flerfasesystemer er masseoverførslen mellem faser nøglen til opskalering og reaktorydelse, og den mekaniske kraft, der overføres af pumpehjulets interaktion med væsken, er kritisk. Det påvirker spredningsgraden af de forskellige faser og den tilsvarende masseoverførsel mellem dem. I en enkelt væskefaseproces, hvor en hurtig reaktion kan producere konkurrerende produkt- og biproduktdannelse, kan niveauet af væsketurbulens påvirke selektiviteten og udbyttet af den samlede kemiske proces.

I sådanne systemer dikterer den mekaniske effekt pr. volumenenhed turbulensniveauet og procesydelsen. For et givet pumpehjul og specifik omrørt tankreaktorgeometri kan den universelle pumpehjulsydelseskurve opnås. Dette karakteriserer pumpehjulseffekten, der påføres væskefasen.

Typiske effektydelseskurver (Reynolds-tal (Re) vs. effekttal (Np), som vist til højre) er uafhængige af reaktorvolumen og letter derfor opskalering og systemkarakterisering. Det dimensionsløse Reynolds-tal angiver, om reaktorvæsken flyder i laminært eller turbulent regime. Det repræsenterer forholdet mellem inertikræfterne (pumpehjulets kræfter på væsken) sammenlignet med de viskøse kræfter, der er iboende i procesvæsken. Når viskøse kræfter dominerer og Re < 10, styres væskestrømmen af væskeviskositet, og strømningsmønsteret er laminært. Når pumpehjulskræfterne dominerer og Re > 2.000-10.000, er væskestrømmen uafhængig af viskositeten, proportional med densiteten og derfor turbulent. Det nøjagtige overgangspunkt til det turbulente regime afhænger af reaktorgeometrien og tilstedeværelsen af "turbulens"-fremmende elementer i reaktoren, såsom bafler. Laboratoriereaktorer giver hurtige midler til at teste hver væske og reaktorhjulsopsætning. 

I et eksempel fra webinaret, The Importance of Mixing, optimerer Ray Machado PhD, rm2 Technologies LLC og Air Products and Chemicals, blanding til hurtige reaktioner i en automatiseret syntesereaktor. Ved at bruge reaktionen mellem S₂O ^3-2 og I₂ i nærvær af stivelse demonstrerer han virkningen af blanding på reagensfordelingen ved at vise, hvor hurtige kemiske reaktioner med konkurrerende biproduktreaktioner forekommer.I videoen er den sorte fane biproduktet af reaktionen af jod med stivelse. Men så snart stivelse-jodkomplekset reagerer med thiosulfat opløsningen, bliver det klart igen. Blanding, foderhastighed og foderplacering påvirker alle den primære reaktionshastighed. Jo tættere tilførselsrøret er på pumpehjulet, eller jo højere omrøringshastigheden er, jo mindre biprodukt dannes der. Tværtimod, når omrøringshastigheden øges, reduceres mængden af biprodukt hurtigt.

Den primære og mest grundlæggende hastighedsproces, der skal karakteriseres, når der udføres en gas-væskereaktion, er masseoverførslen af gas til væskereaktionsfasen. Opskaleringsstrategi er at matche masseoverførselskoefficienter, kla, fra små til store volumener, snarere end at forsøge at matche geometri, omrøringshastigheder eller andre blandingsegenskaber. Papiret, Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline,skitserer trinene til beregning af masseoverførselskoefficienten og fremsætter advarsler om vildledende information i omrøringsundersøgelser i katalytisk hydrogenering. 

I webinaret, The Importance of Mixing: Comparing Lab and Large Scale, diskuterer Ray Machado effektblandingen på kinetik, varmeoverførsel, termodynamik, masseoverførsel mellem faser og optimering af blanding af faste stoffer eller gasser. Blanding kan påvirke udbytte, selektivitet og biproduktdannelse. Han rådgiver om, hvordan man måler og beregner grundlæggende parametre for opskalering.

Arbejdsstationer til procesudvikling og opskalering giver forskere mulighed for at studere og optimere blanding og masseoverførsel i realtid. Kontrol af blanding kan automatiseres og forprogrammeres, så eksperimenter kan køres sikkert, mens alle reaktionsparametre registreres, 24 timer i døgnet. På grund af den sikre, meget nøjagtige og præcise måling og kontrol reduceres antallet af eksperimenter, der kræves, betydeligt, hvilket gør opskaleringen effektiv.

Ved hjælp af in situ FTIR-spektroskopi giver kemiske reaktionskinetikundersøgelser en forbedret forståelse af reaktionsvej og -mekanisme ved at give koncentrationsafhængigheder af reagerende komponenter i realtid. I løbet af en reaktion muliggør kontinuerlige data beregning af hastighedslove med færre eksperimenter på grund af dataenes omfattende karakter.  FTIR-spektroskopi bruges til komplementær ortogonal information med traditionelle offline analytiske teknikker, såsom NMR og HPLC, der ofte giver den manglende brik, der fuldender reaktionsforståelsen.

• Varmeoverførsel og opskalering
• Effekten af blanding på krystallisation
• Kemisk reaktionskinetik
• Kontinuerligt omrørte tankreaktorer (CSTR'er)