Mešanje in prenos mase

Temeljno razumevanje procesa mešanja je bistvenega pomena za povečanje kemijskega razvoja. Mešanje je zmanjšanje ali odprava nehomogenosti faz, ki se mešajo ali ne mešajo. Cilj je zmanjšati ali odpraviti temperaturne ali koncentracijske gradiente ali zagotoviti dobro disperzijo več faz. Dobro mešanje je zaželeno iz več razlogov, vključno s stranskimi reakcijami ali tvorbo stranskih produktov, izboljšanjem prenosa mase v večfaznih sistemih ali zagotavljanjem hitrega prenosa toplote. Na učinkovitost mešanja vplivajo vrsta materiala, ki ga je treba mešati, zasnova mešalnika in reaktorja, režim mešanja, pa tudi položaj dovodne cevi in pogoji delovanja. [Priročnik za industrijsko mešanje, znanost in prakso. Paul, E. Wiley (2004)]. Kemijske reakcije v mešanem rezervoarju, kjer so reagenti lahko prisotni v več kot eni fazi (tekoči, plinasti ali trdni), zahtevajo intenziven medfazni stik, da se omogoči optimalen prenos mase. Nepravilno ali slabo mešanje lahko povzroči nizko hitrost reakcije, nizek donos, slabo selektivnost ali povečano koncentracijo nečistoč, kar znatno poveča stroške proizvodnje. Prenos mase in kinetika lahko tekmujeta in prispevata k celotni hitrosti reakcije. Povečanje in optimizacija procesa zahtevata, da se vpliv mešanja na hitrost reakcije kvantificira. Laboratorijski reaktorji morajo delovati v pogojih, ki bodo omogočili smiselno karakterizacijo procesov in povečanje.

Razvoj in razširitev kemičnega procesa sta pogosto zahtevna. Ujemanje zmogljivosti in mešanje med majhnimi in velikimi reaktorji je težko, če se zanašamo le na mehanske meritve, kot so hitrost mešanja, geometrija in zasnova mešala. Bolj dosleden pristop k proučevanju dinamike procesa v majhnih reaktorjih je merjenje koeficienta prenosa mase neposredno v dejanskem reakcijskem sistemu. Avtomatizirani, nadzorovani poskusi se lahko izvajajo vzporedno v laboratorijskem reaktorskem sistemu , da se vzpostavi korelacija prenosa mase in zagotovijo sredstva za hitro prilagoditev medfaznega območja plina / tekočine in prostornine reaktorja, s čimer se dosežejo želeni pogoji, potrebni za povečanje ali zmanjšanje procesa. 

V večfaznih sistemih je prenos mase med fazami ključnega pomena za povečanje in delovanje reaktorja, mehanska moč, ki jo prenaša interakcija rotorja s tekočino, pa je kritična. Vpliva na stopnjo disperzije različnih faz in ustrezen prenos mase med njimi. V procesu z eno tekočo fazo, kjer lahko hitra reakcija proizvede konkurenčni produkt in tvorbo stranskih produktov, lahko stopnja turbulence tekočine vpliva na selektivnost in donos celotnega kemijskega procesa.

V takih sistemih mehanska moč na enoto prostornine narekuje stopnjo turbulence in zmogljivost procesa. Za dano geometrijo rotorja in specifično geometrijo reaktorja z mešanim rezervoarjem lahko dobimo univerzalno krivuljo zmogljivosti rotorja. To je značilno za moč rotorja, ki se uporablja za tekočo fazo.

Tipične krivulje moči (Reynoldsovo število (Re) v primerjavi s številom moči (Np), kot je prikazano na desni) so neodvisne od prostornine reaktorja in zato olajšajo povečanje in karakterizacijo sistema. Brezrazsežno Reynoldsovo število kaže, ali reaktorska tekočina teče v laminarnem ali turbulentnem režimu. Predstavlja razmerje med vztrajnostnimi silami (silami rotorja na tekočino) v primerjavi z viskoznimi silami, ki so neločljivo povezane s procesno tekočino. Ko prevladujejo viskozne sile in Re < 10, potem pretok tekočine ureja viskoznost tekočine, vzorec toka pa je laminaren. Ko prevladujejo sile rotorja in Re > 2.000-10.000, je pretok tekočine neodvisen od viskoznosti, sorazmeren z gostoto in zato turbulenten. Natančna prehodna točka v turbulentni režim je odvisna od geometrije reaktorja in prisotnosti elementov, ki spodbujajo "turbulenco" v reaktorju, kot so lopute. Laboratorijski reaktorji zagotavljajo hitra sredstva za testiranje vsake nastavitve tekočine in rotorja reaktorja. 

V primeru iz spletnega seminarja, Pomen mešanja, dr. Ray Machado, rm2 Technologies LLC in Air Products and Chemicals, optimizira mešanje za hitre reakcije v avtomatiziranem sinteznem reaktorju. Z uporabo reakcije S₂O ^3-2 in I₂ v prisotnosti škroba pokaže vpliv mešanja na porazdelitev reagentov tako, da pokaže, kje se pojavijo hitre kemijske reakcije s konkurenčnimi reakcijami stranskih produktov. V videu je črni oblak stranski produkt reakcije joda s škrobom. Vendar, takoj, ko škrob-jodni kompleks reagira z raztopino tiosulfata, postane spet jasno. Mešanje, hitrost podajanja in lokacija krme vplivajo na primarno hitrost reakcije. Bližje kot je dovodna cev rotorju ali višja kot je hitrost mešanja, manj stranskega produkta nastane. Nasprotno, ko se hitrost mešanja poveča, se količina stranskega proizvoda hitro zmanjša.

Primarni in najbolj temeljni postopek hitrosti, ki ga je treba označiti pri izvedbi kakršne koli reakcije plin-tekočina, je prenos mase plina v fazo tekoče reakcije. Strategija povečanja je ujemanje koeficientov prenosa mase, kla, od majhnih do velikih prostornin, namesto da bi poskušali uskladiti geometrijo, hitrosti mešanja ali druge značilnosti mešanja. Članek Osnove prenosa mase in kinetike za hidrogenacijo nitrobenzena v anilinopisuje korake za izračun koeficienta prenosa mase in spodbuja opozorila o zavajajočih informacijah v študijah mešanja pri katalitični hidrogenaciji. 

V spletnem seminarju Pomen mešanja: primerjava laboratorija in velikega obsega Ray Machado razpravlja o učinku mešanja na kinetiko, prenos toplote, termodinamiko, prenos mase med fazami in optimizacijo mešanja trdnih snovi ali plinov. Mešanje lahko vpliva na donos, selektivnost in tvorbo stranskih proizvodov. Svetuje o tem, kako izmeriti in izračunati temeljne parametre za razširitev.

Delovne postaje za razvoj procesov in razširitev omogočajo znanstvenikom preučevanje in optimizacijo mešanja in prenosa mase v realnem času. Nadzor mešanja je lahko avtomatiziran in vnaprej programiran, tako da se lahko poskusi varno izvajajo med beleženjem vseh reakcijskih parametrov, 24 ur na dan. Zaradi varnega, zelo natančnega in natančnega merjenja in nadzora se število potrebnih poskusov znatno zmanjša, zaradi česar je povečanje učinkovitosti

Z uporabo FTIR spektroskopije in situštudije kinetike kemijskih reakcij omogočajo boljše razumevanje reakcijske poti in mehanizma z zagotavljanjem odvisnosti od koncentracije reagirajočih komponent v realnem času. Med reakcijo neprekinjeni podatki omogočajo izračun zakonov hitrosti z manj poskusi zaradi celovite narave podatkov.  FTIR spektroskopija se uporablja za dopolnilne ortogonalne informacije s tradicionalnimi analitskimi tehnikami brez povezave, kot sta NMR in HPLC, ki pogosto zagotavljajo manjkajoči del, ki dopolnjuje razumevanje reakcije.

• Prenos toplote in povečanje zmogljivosti
• Učinek mešanja na kristalizacijo
• Kinetika kemijskih reakcij
• Reaktorji z neprekinjenim mešanjem (CSTR)