مفاعل التحريك: أنواع المحركات ونظم الخلط وتصميم نقل الحرارة

مفاعل التحريض: أنواع المكره وأنظمة الخلط وتصميم نقل الحرارة

الإجابة على السؤال الجوهري:ما هو مفاعل التحريض؟مفاعل التحريض عبارة عن وعاء يتم فيه تشغيل دافعة ميكانيكية، مثبتة على عمود مركزي، لخلط المحتويات لتحقيق المزج أو نقل الحرارة أو تشتيت الغاز أو تعليق المواد الصلبة أثناء التفاعل، بدلاً من الاعتماد على التدفق من المضخات أو التفاعل نفسه. المحرض، وليس القشرة، هو قلب الآلة، ويتم اختياره وفقًا للمهمة: توربين ذو شفرة مائلة أو توربين محلق للمزج منخفض القص، أو توربين Rushton لتشتيت الغاز، أو مرساة وشريط حلزوني لواجب اللزوجة ونقل الحرارة. المعلمات الهندسية الرئيسية هي رقم الطاقة، الذي يحدد حجم المحرك، ورقم رينولدز، الذي يخبرنا ما إذا كان التدفق صفحيًا أم مضطربًا، وسرعة الطرف، التي تحدد كلاً من كثافة الخلط وتجربة القص للمحتويات. إذا أخطأنا في استخدام المكره، فسيصبح التفاعل محرومًا من الخلط، أو يسخن محليًا أو لا يوقف المحفز أبدًا.

1. أنواع المكره ووظيفة كل منها

يحدد اختيار المكره ما إذا كان المفاعل يمزج أو يسخن أو يشتت أو يعلق:

• توربينات التدفق المحوري والقوارب المائية:تقوم التوربينات ذات الشفرات المائلة والدفاعات المحلقية الحديثة بدفع السوائل في الغالب على طول محور العمود، مما ينتج عنه دورانًا قويًا للجزء الأكبر مع قص منخفض وطاقة منخفضة لكل وحدة تدفق، مما يجعلها الخيار الافتراضي للمزج والتجانس وتعليق المواد الصلبة حيث يكون الهدف هو تحريك الدفعة بأكملها. عدد قوتها منخفض، حوالي 0.3-1.5، لذا فهي موفرة للطاقة للكميات الكبيرة، وتولد حلقة من أعلى إلى أسفل تحافظ على المواد الصلبة بعيدًا عن الأرض. بالنسبة لمعظم عمليات خلط السائل مع السائل وللحفاظ على المحفز معلقًا، يكون القارب المحلق ذو التدفق المحوري عند مستوى واحد أو مستويين هو الخيار الأول، لأنه يحرك معظم السوائل بأقل طاقة ويتجنب القص العالي الذي قد يؤدي إلى تلف المنتجات الحساسة للقص أو احتجاز الهواء.
• توربينات راشتون والتوربينات الشعاعية للغاز والخلط المكثف:إن توربين راشتون هو عبارة عن دوار قرصي ذو شفرات مسطحة يقذف السوائل بشكل قطري، مما يخلق حلقتين أفقيتين قويتين، والأهم من ذلك، قدرة ممتازة على تشتيت الغاز عند إطلاقه من الأسفل، وهذا هو السبب في أنه يهيمن على الهدرجة والتخمير حيث يجب تقطيع الغاز إلى فقاعات صغيرة. رقم قوتها مرتفع، حوالي 4-6، لذا فهي تسحب المزيد من الطاقة لنفس التدفق، وتولد المزيد من القص، وهو ما يناسب نقل كتلة الغاز والسائل ولكن يمكن أن يلحق الضرر بالخلايا أو القطرات الهشة. في مفاعل الهدرجة، يتم إقران راشتون، أو المكره الشعاعي الحديث ذي الشفرة المنحنية، مع قاذف لتعظيم المساحة السطحية بين الغاز والسائل، لأن معدل التفاعل غالبًا ما يتم تحديده من خلال مدى جودة تشتيت الغاز، وليس من خلال الكيمياء وحدها.
• مرساة وشريط حلزوني للواجب اللزج:عندما ترتفع اللزوجة فوق بضعة آلاف من المئويات، تفقد الدفاعات المضطربة سلطتها لأن السائل لم يعد يتدفق بحرية عبر الشفرات، ويصبح التدفق صفحيًا، رقم رينولدز أقل من 10. هنا يتم استخدام محرض المرساة، وهو دافع عريض ذو خلوص قريب يكشط الجدار، أو شريط حلزوني يثبت السائل لأعلى على طول الجدار وأسفل المركز، لتحريك الكتلة بأكملها، وبشكل حاسم، لتجديد السائل عند التسخين. أو جدار مبرد الشريط الحلزوني هو المعيار للبوليمرات والمعاجين والملاط عالي الصلابة على وجه التحديد لأن نقل الحرارة، وليس الحركة السائبة، هو الخطوة المقيدة، وفقط دافعة كشط الجدار هي التي تحافظ على معامل ارتفاع جانب الجدار. تعمل هذه الدفاعات ببطء ولكنها تسحب عزم دوران عاليًا، لذلك يتم توجيه المحرك لعزم الدوران بدلاً من السرعة.

2. أنظمة الخلط والتوسيع ونقل الحرارة

تم تصميم المفاعل حول النظام والحرارة، وليس المكره وحده:

• التدفق الصفحي والانتقالي والمضطرب:رقم رينولدز، نسبة قوى القصور الذاتي إلى قوى اللزوجة، يخبر النظام: أقل من 10 تقريبًا يكون التدفق صفحيًا وقوى اللزوجة تهيمن، ومن 10 إلى 10000 انتقالي، وما فوق 10000 يكون التدفق مضطربًا ويهيمن القصور الذاتي. يحدد النظام كلاً من المكره وقاعدة التوسيع: في المزج المضطرب، غالبًا ما يتم تثبيت التكبير بسرعة طرفية ثابتة أو قدرة ثابتة لكل حجم، بينما في الخدمة اللزجة الصفائحية يتم تثبيته عند قص جدار ثابت أو عزم دوران ثابت لكل حجم. وينخفض ​​وقت الخلط من دقائق في التدفق المضطرب إلى وقت أطول بكثير في التدفق الصفحي، لذا فإن المفاعل الذي يمتزج خلال دقيقتين في المختبر قد يستغرق 20 دقيقة على نطاق واسع إذا تمت قراءة النظام بشكل خاطئ. وبالتالي فإن رقم رينولدز هو الرقم الأول الذي يتم حسابه في أي تصميم للتحريك، لأنه يحدد كل الاختيارات الأخرى.
• نقل الحرارة من خلال سترة وملف:تضيف معظم المفاعلات المهيجة الحرارة أو تزيلها من خلال غلاف أو ملف نصف أنبوب، وتتضمن وظيفة المحرض تجديد السائل عند الجدار بحيث يظل معامل نقل الحرارة مرتفعًا، وعادة ما يكون 200-1500 واط لكل متر مربع كلفن اعتمادًا على اللزوجة والسرعة. في الخدمة اللزجة، يهيمن فيلم الجدار على المقاومة، ولهذا السبب يتم استخدام مرساة أو شريط حلزوني، فهو يستمر في تجتاح الجدار. في الخدمة المضطربة منخفضة اللزوجة، يكفي توربين بسيط للحفاظ على ارتفاع المعامل. تتعامل السترة مع 0.1-10 ميجا باسكال من وسط التسخين أو التبريد، وبالنسبة للتفاعلات الطاردة للحرارة للغاية، فإن حلقة خارجية أو ملف داخلي يكملها. من الأخطاء الشائعة في توسيع النطاق تصميم نقل الحرارة على نطاق المختبر، حيث تكون نسبة السطح إلى الحجم عالية، ولا يمكن العثور على مفاعل كامل الحجم إزالة الحرارة، لأن مقاييس الإزالة تتناسب مع المساحة بينما يتم قياس التوليد حسب الحجم.
• تعليق المواد الصلبة وتشتت الغاز وحدود القص:هناك واجبان يحددان العديد من مفاعلات التحريض. يحتاج تعليق المواد الصلبة، الذي يبقي المحفز أو الحشو بعيدًا عن الأرض، إلى طاقة كافية، عادةً 10-40 واط / م 3، ونمط تدفق محوري؛ تم تحديد حجم المكره بحيث يتم التغلب على سرعة ترسيب الجسيمات من خلال التدفق التصاعدي بالقرب من الجدار. يحتاج تشتيت الغاز إلى دافعة شعاعية وقاذفة، مع سرعة طرفية عالية بما يكفي لكسر الفقاعات ولكن أقل من السرعة التي تقذف السائل خارج الوعاء أو تحبس الهواء على السطح. القص هو القيد الذي يحد كليهما: فالكثير من القص يدمر الخلايا، ويكسر المستحلبات أو يتآكل الجزيئات، والقليل جدًا يترك اتصالًا سيئًا. ولذلك يتم تحديد مفاعل التحريض بواسطة معلمة الحد من الواجب، أو قوة التعليق، أو تشتت الغاز، أو معامل نقل الحرارة أو وقت المزج، ويتم اختيار المكره والسرعة والمحرك للوفاء به دون تجاوز حد القص.

مصفوفة مقارنة دفاعة مفاعل التحريض

الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)

س: ما الفرق بين توربين راشتون والدافع المحلق؟

ج: إنها تخدم احتياجات الخلط المعاكسة. توربينات راشتون عبارة عن دافعة شعاعية ذات شفرات مسطحة ترمي السوائل بشكل جانبي، مما يخلق حلقات أفقية قوية وتشتتًا ممتازًا للغاز، مع رقم طاقة مرتفع يبلغ حوالي 4-6، لذا فهو يسحب المزيد من الطاقة ويولد المزيد من القص؛ إنه خيار الهدرجة والتخمير حيث يجب تقطيع الغاز إلى فقاعات دقيقة. تقوم المكره المحلق أو المكره ذو الشفرة المائلة بدفع السائل بشكل محوري، مما يوفر دورانًا قويًا للجزء الأكبر عند قص منخفض وطاقة منخفضة، حوالي 0.3-1.5، مما يجعله الخيار الافتراضي للمزج وتعليق المواد الصلبة حيث يكون الهدف هو تحريك الدفعة بأكملها بكفاءة. باختصار، اختر Rushton عندما يكون تشتيت الغاز أو الخلط المكثف أكثر أهمية، واختيار القارب المحلق عندما يكون المزج أو التعليق منخفض القص فعالًا هو الأولوية.

س: كيف تغير اللزوجة اختيار المحرض؟

ج: تحدد اللزوجة نظام التدفق عبر رقم رينولدز وبالتالي المكره. أقل من بضعة آلاف من المئويات يكون التدفق مضطربًا وتعمل التوربينات القياسية. ومع ارتفاع اللزوجة نحو 10.000 سنتي بواز وما بعدها، يصبح التدفق صفحيًا، ورقم رينولدز أقل من 10، وتفقد التوربينات المحورية سلطتها لأن السائل لم يعد يتدفق عبر الشفرات. في هذا النظام، يتم استخدام مرساة، أو بالأحرى شريط حلزوني، لأنه يكشط الجدار الساخن ويحرك الكتلة بأكملها، مما يحافظ على انتقال الحرارة الذي قد ينهار لولا ذلك. يعد الشريط الحلزوني معيارًا للبوليمرات والملاط عالي الصلابة على وجه التحديد لأن نقل الحرارة على الجدار، وليس الحركة السائبة، هو ما يحد. لذا فإن اللزوجة لا تغير الحجم فحسب، بل تغير عائلة المكره، كما أن القراءة الخاطئة لها تؤدي إلى خلط سيئ وتسخين غير مناسب.

س: لماذا يفشل نقل الحرارة عند توسيع نطاق مفاعل التحريض؟

ج: لأن توليد الحرارة يتدرج مع الحجم بينما إزالة الحرارة تتدرج مع مساحة السطح، وتزداد النسبة سوءًا مع نمو الوعاء. على نطاق المختبر، تكون نسبة السطح إلى الحجم عالية، لذلك تزيل السترة حرارة التفاعل بسهولة؛ وعلى نطاق كامل، تولد نفس الكيمياء حرارة أكثر بكثير لكل وحدة من مساحة الجدار، وإذا لم يتمكن المحرض من تجديد السائل عند الجدار، فإن المعامل ينخفض ​​أكثر. الفشل الكلاسيكي هو تصميم نقل الحرارة من وعاء صغير والعثور على مفاعل الإنتاج يسخن أو يهرب. الحل هو تحديد المحرض لمعامل نقل الحرارة، 200-1500 وات/م2 كلفن اعتمادًا على اللزوجة والسرعة، وغالبًا ما يتم استخدام دافعة كشط الجدار للخدمة اللزجة أو إضافة ملف أو حلقة خارجية، وزيادة حجم قص الجدار أو الطاقة لكل حجم بدلاً من سرعة الطرف وحدها.

س: كيف يتم تحديد مفاعل التحريض لتعليق المواد الصلبة؟

ج: من خلال الطاقة اللازمة لإبقاء المادة الصلبة بعيدة عن الأرض وموزعة بشكل موحد، عادةً 10-40 واط لكل متر مكعب من التعليق، جنبًا إلى جنب مع دافع التدفق المحوري الذي يخلق تدفقًا لأعلى بالقرب من الجدار لمواجهة سرعة ترسيب الجسيمات. يتم اختيار قطر المكره وسرعته وعدد المستويات بحيث يتم تلبية حالة التعليق للتو، حيث لا يستقر أي جسيم في الجزء السفلي لأكثر من لحظة، عبر نطاق التشغيل، وليس فقط في التصميم. بالنسبة للمواد الصلبة الكثيفة أو الخشنة، فإن الخلوص من القاع واتجاه الضخ مهمان بقدر أهمية الطاقة. لذلك يتم تحديد حجم المفاعل وفقًا لمعيار التعليق أولاً، ثم يتم فحصه للتأكد من المزج ونقل الحرارة وأي تشتت للغاز، لأن المحرض الذي يمتزج جيدًا ولكنه يسمح للمحفز بالاستقرار يكون عديم الفائدة لتفاعل محفز غير متجانس.