Реактор с мешалкой: Типы мешалок, режимы перемешивания и расчет теплопередачи

Αντιδραστήρας ανάδευσης: Τύποι πτερυγίων, συστήματα ανάμειξης και σχεδιασμός μεταφοράς θερμότητας

Απαντώντας στη βασική ερώτηση:Τι είναι ένας αντιδραστήρας ανάδευσης;Ένας αντιδραστήρας ανάδευσης είναι ένα δοχείο στο οποίο μια μηχανικά κινούμενη πτερωτή, τοποθετημένη σε έναν κεντρικό άξονα, αναμιγνύει τα περιεχόμενα για να επιτύχει ανάμειξη, μεταφορά θερμότητας, διασπορά αερίου ή εναιώρημα στερεών κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης, αντί να βασίζεται στη ροή από τις αντλίες ή την ίδια την αντίδραση. Ο αναδευτήρας, όχι το κέλυφος, είναι η καρδιά του μηχανήματος και η επιλογή του ακολουθεί το καθήκον: ένας στρόβιλος με πτερύγια ή υδροπτέρυγα για ανάμειξη χαμηλής διάτμησης, ένας στρόβιλος Rushton για διασπορά αερίου ή μια άγκυρα και ελικοειδής ταινία για ιξώδη και μεταφορά θερμότητας. Οι βασικές μηχανικές παράμετροι είναι ο αριθμός ισχύος, που καθορίζει το μέγεθος του κινητήρα, ο αριθμός Reynolds, ο οποίος λέει εάν η ροή είναι στρωτή ή τυρβώδης και η ταχύτητα αιχμής, που καθορίζει τόσο την ένταση ανάμειξης όσο και τη διάτμηση της εμπειρίας του περιεχομένου. Λάθος της πτερωτής και η αντίδραση στερείται ανάμειξης, υπερθερμαίνεται τοπικά ή δεν αιωρεί ποτέ τον καταλύτη της.

1. Οι τύποι του στροφείου και τι κάνει το καθένα

Η επιλογή της πτερωτής αποφασίζει εάν ο αντιδραστήρας αναμειγνύεται, θερμαίνεται, διασκορπίζεται ή αιωρείται:

• Στροβίλοι αξονικής ροής και υδροπτέρυγες:Οι στρόβιλοι με κεκλιμένο πτερύγιο και οι σύγχρονες πτερωτές υδροπτέρυγων ωθούν το υγρό κυρίως κατά μήκος του άξονα του άξονα, παράγοντας ισχυρή κυκλοφορία όγκου με χαμηλή διάτμηση και χαμηλή ισχύ ανά μονάδα ροής, γεγονός που τους καθιστά προεπιλεγμένους για ανάμειξη, ομογενοποίηση και ανάρτηση στερεών όπου ο στόχος είναι να μετακινηθεί ολόκληρη η παρτίδα. Η ισχύς τους είναι χαμηλή, περίπου 0,3-1,5, επομένως είναι ενεργειακά αποδοτικά για μεγάλους όγκους και δημιουργούν έναν βρόχο από πάνω προς τα κάτω που κρατά τα στερεά από το πάτωμα. Για την περισσότερη ανάμειξη υγρού-υγρού και για τη διατήρηση ενός καταλύτη σε αιώρηση, ένα υδροπτέρυγο αξονικής ροής σε ένα ή δύο επίπεδα είναι η πρώτη επιλογή, επειδή κινεί το περισσότερο ρευστό για τη μικρότερη ισχύ και αποφεύγει την υψηλή διάτμηση που θα μπορούσε να βλάψει τα ευαίσθητα στη διάτμηση προϊόντα ή να συμπαρασύρει αέρα.
• Rushton και Radial Turbines για Αέριο και Έντονη Ανάμιξη:Ο στρόβιλος Rushton είναι ένας ρότορας δίσκου με επίπεδη λεπίδα που εκτοξεύει το υγρό ακτινικά, δημιουργώντας δύο δυνατούς οριζόντιους βρόχους και, πολύ σημαντικό, μια εξαιρετική ικανότητα διασποράς αερίου όταν εκτοξεύεται από κάτω, γι' αυτό κυριαρχεί στην υδρογόνωση και τη ζύμωση όπου το αέριο πρέπει να τεμαχιστεί σε μικρές φυσαλίδες. Ο αριθμός ισχύος του είναι υψηλός, περίπου 4-6, επομένως αντλεί περισσότερη ισχύ για την ίδια ροή και παράγει περισσότερη διάτμηση, η οποία ταιριάζει στη μεταφορά μάζας αερίου-υγρού, αλλά μπορεί να βλάψει εύθραυστα κύτταρα ή σταγονίδια. Σε έναν αντιδραστήρα υδρογόνωσης, το Rushton, ή ένα σύγχρονο ακτινωτό στροφείο με καμπύλη λεπίδα, συνδυάζεται με ένα σπινθηριστή για να μεγιστοποιηθεί η διεπαφή αερίου-υγρού, επειδή ο ρυθμός αντίδρασης συχνά καθορίζεται από το πόσο καλά διασπείρεται το αέριο, όχι μόνο από τη χημεία.
• Άγκυρα και ελικοειδής κορδέλα για παχύρρευστο καθήκον:Καθώς το ιξώδες ανεβαίνει πάνω από μερικές χιλιάδες centipoise, οι τυρβώδεις πτερωτές χάνουν την εξουσία επειδή το ρευστό δεν ρέει πλέον ελεύθερα πέρα από τις λεπίδες και η ροή γίνεται στρωτή, αριθμός Reynolds κάτω από 10. Εδώ ένας αναδευτήρας αγκύρωσης, μια φτερωτή μεγάλης απόστασης που ξύνει τον τοίχο, ή ένα ελικοειδές ρευστό που χρησιμοποιείται προς τα πάνω και προς τα κάτω στον τοίχο για να μετακινήσετε ολόκληρη τη μάζα και, κρίσιμα, να ανανεώσετε το υγρό στον θερμαινόμενο ή ψυχόμενο τοίχο. Η ελικοειδής κορδέλα είναι το πρότυπο για πολυμερή, πάστες και πολτούς υψηλής στερεότητας ακριβώς επειδή η μεταφορά θερμότητας, όχι η μαζική κίνηση, είναι το περιοριστικό βήμα και μόνο μια πτερωτή απόξεσης τοίχου διατηρεί υψηλό συντελεστή στην πλευρά του τοίχου. Αυτές οι πτερωτές λειτουργούν αργά, αλλά αντλούν υψηλή ροπή, επομένως η κίνηση είναι προσανατολισμένη στη ροπή και όχι στην ταχύτητα.

2. Καθεστώτα ανάμειξης, κλιμάκωση και μεταφορά θερμότητας

Ο αντιδραστήρας έχει σχεδιαστεί γύρω από το καθεστώς και τη θερμότητα, όχι μόνο το στροφείο:

• Στρωτή, μεταβατική και τυρβώδης ροή:Ο αριθμός Reynolds, ο λόγος των δυνάμεων αδράνειας προς τις ιξώδεις, λέει το καθεστώς: κάτω από περίπου 10 η ροή είναι στρωτή και κυριαρχούν οι ιξώδεις δυνάμεις, από 10 έως 10.000 είναι μεταβατικές και πάνω από 10.000 η ροή είναι τυρβώδης και κυριαρχεί η αδράνεια. Το καθεστώς αποφασίζει τόσο για την πτερωτή όσο και για τον κανόνα κλιμάκωσης: στην τυρβώδη ανάμειξη, η κλιμάκωση συχνά διατηρείται σε σταθερή ταχύτητα κορυφής ή σταθερή ισχύ ανά όγκο, ενώ σε στρωτή ιξώδη λειτουργία διατηρείται σε σταθερή διάτμηση τοιχώματος ή σταθερή ροπή στρέψης ανά όγκο. Ο χρόνος ανάμειξης πέφτει από λεπτά σε τυρβώδη ροή σε πολύ περισσότερο στη στρωτή ροή, επομένως ένας αντιδραστήρας που αναμειγνύεται σε 2 λεπτά στο εργαστήριο μπορεί να διαρκέσει 20 λεπτά σε κλίμακα, εάν το καθεστώς δεν διαβάστηκε εσφαλμένα. Ο αριθμός Reynolds είναι επομένως ο πρώτος αριθμός που υπολογίζεται σε οποιοδήποτε σχέδιο ανάδευσης, επειδή καθορίζει κάθε άλλη επιλογή.
• Μεταφορά θερμότητας μέσω μπουφάν και πηνίου:Οι περισσότεροι αναδευόμενοι αντιδραστήρες προσθέτουν ή αφαιρούν θερμότητα μέσω ενός μανδύα ή ενός πηνίου μισού σωλήνα και η δουλειά του αναδευτήρα περιλαμβάνει την ανανέωση του ρευστού στον τοίχο έτσι ώστε ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας να παραμένει υψηλός, συνήθως 200-1500 W ανά τετραγωνικό μέτρο kelvin ανάλογα με το ιξώδες και την ταχύτητα. Σε παχύρρευστο σέρβις η μεμβράνη τοίχου κυριαρχεί στην αντίσταση, γι' αυτό χρησιμοποιείται άγκυρα ή ελικοειδής κορδέλα, συνεχίζει να σκουπίζει τον τοίχο. Σε τυρβώδη υπηρεσία χαμηλού ιξώδους, ένας απλός στρόβιλος αρκεί για να διατηρήσει τον συντελεστή ψηλά. Το τζάκετ χειρίζεται 0,1-10 MPa μέσου θέρμανσης ή ψύξης και για πολύ εξώθερμες αντιδράσεις το συμπληρώνει ένας εξωτερικός βρόχος ή εσωτερικό πηνίο. Μια συνηθισμένη αποτυχία κλιμάκωσης είναι ο σχεδιασμός της μεταφοράς θερμότητας σε εργαστηριακή κλίμακα, όπου η αναλογία επιφάνειας προς όγκο είναι υψηλή και η εύρεση του αντιδραστήρα πλήρους κλίμακας δεν μπορεί να αφαιρέσει τη θερμότητα, επειδή η απομάκρυνση κλιμακώνεται με εμβαδόν ενώ η παραγωγή κλιμακώνεται με όγκο.
• Όρια ανάρτησης στερεών, διασποράς αερίου και διάτμησης:Δύο καθήκοντα ορίζουν πολλούς αντιδραστήρες ανάδευσης. Η ανάρτηση στερεών, που κρατά τον καταλύτη ή το υλικό πλήρωσης μακριά από το δάπεδο, χρειάζεται αρκετή ισχύ, συνήθως 10-40 W/m3, και μοτίβο αξονικής ροής. η πτερωτή έχει μέγεθος έτσι ώστε η ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων να ξεπερνιέται από την ανοδική ροή κοντά στον τοίχο. Η διασπορά αερίου χρειάζεται ένα ακτινωτό στροφείο και έναν εκτοξευτήρα, με ταχύτητα κορυφής αρκετά υψηλή ώστε να σπάει τις φυσαλίδες αλλά κάτω από την ταχύτητα που εκτοξεύει υγρό έξω από το δοχείο ή παρασύρει αέρα στην επιφάνεια. Η διάτμηση είναι ο περιορισμός που δεσμεύει και τα δύο: η υπερβολική διάτμηση καταστρέφει τα κύτταρα, σπάει τα γαλακτώματα ή φθείρει τα σωματίδια, η πολύ μικρή αφήνει κακή επαφή. Επομένως, ο αντιδραστήρας ανάδευσης καθορίζεται από την περιοριστική παράμετρο του καθήκοντος, την ισχύ ανάρτησης, τη διασπορά αερίου, τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας ή τον χρόνο ανάμειξης, και η πτερωτή, η ταχύτητα και ο κινητήρας επιλέγονται για να το ανταποκρίνονται χωρίς υπέρβαση του ορίου διάτμησης.

Μήτρα σύγκρισης πτερωτής αντιδραστήρα ανάδευσης

Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός στροβίλου Rushton και μιας πτερωτής υδροπτέρυγου;

Α: Εξυπηρετούν αντίθετες ανάγκες ανάμειξης. Ένας στρόβιλος Rushton είναι μια ακτινική πτερωτή επίπεδης λεπίδας που εκτοξεύει υγρό στο πλάι, δημιουργώντας έντονους οριζόντιους βρόχους και εξαιρετική διασπορά αερίου, με υψηλό αριθμό ισχύος περίπου 4-6, επομένως αντλεί περισσότερη ισχύ και παράγει περισσότερη διάτμηση. Είναι η επιλογή για υδρογόνωση και ζύμωση όπου το αέριο πρέπει να τεμαχιστεί σε λεπτές φυσαλίδες. Μια πτερωτή υδροπτέρυγας ή κεκλιμένης λεπίδας ωθεί το υγρό αξονικά, δίνοντας ισχυρή κυκλοφορία όγκου σε χαμηλή διάτμηση και χαμηλή ισχύ, περίπου 0,3-1,5, που την καθιστά την προεπιλογή για ανάμειξη και ανάρτηση στερεών όπου ο στόχος είναι να μετακινηθεί αποτελεσματικά ολόκληρη η παρτίδα. Εν ολίγοις, επιλέξτε το Rushton όταν η διασπορά αερίου ή η έντονη ανάμειξη έχει μεγαλύτερη σημασία και το υδροπτέρυγο όταν η αποτελεσματική ανάμειξη ή ανάρτηση χαμηλής διάτμησης είναι η προτεραιότητα.

Ε: Πώς αλλάζει το ιξώδες την επιλογή του αναδευτήρα;

Α: Το ιξώδες καθορίζει το καθεστώς ροής μέσω του αριθμού Reynolds και επομένως της πτερωτής. Κάτω από μερικές χιλιάδες centipoise η ροή είναι τυρβώδης και οι τυπικές τουρμπίνες λειτουργούν. Καθώς το ιξώδες ανεβαίνει προς τα 10.000 cP και μετά, η ροή γίνεται στρωτή, ο αριθμός Reynolds είναι κάτω από 10 και οι αξονικοί στρόβιλοι χάνουν την εξουσία επειδή το υγρό δεν ρέει πλέον πέρα ​​από τα πτερύγια. Για αυτό το καθεστώς χρησιμοποιείται μια άγκυρα ή, καλύτερα, μια ελικοειδής κορδέλα, επειδή ξύνει τον θερμαινόμενο τοίχο και μετακινεί ολόκληρη τη μάζα, διατηρώντας τη μεταφορά θερμότητας που διαφορετικά θα κατέρρεε. Η ελικοειδής κορδέλα είναι στάνταρ για πολυμερή και πολτούς υψηλής στερεότητας, ακριβώς επειδή η μεταφορά θερμότητας στον τοίχο και όχι η μαζική κίνηση είναι περιοριστική. Έτσι, το ιξώδες δεν αλλάζει μόνο το μέγεθος, αλλάζει την οικογένεια των πτερυγίων και η εσφαλμένη ανάγνωση προκαλεί τόσο κακή ανάμειξη όσο και ανεπαρκή θέρμανση.

Ε: Γιατί αποτυγχάνει η μεταφορά θερμότητας κατά την κλιμάκωση ενός αντιδραστήρα ανάδευσης;

Α: Επειδή η παραγωγή θερμότητας κλιμακώνεται με όγκο, ενώ η απομάκρυνση θερμότητας κλιμακώνεται με την επιφάνεια, και η αναλογία χειροτερεύει καθώς το δοχείο μεγαλώνει. Σε εργαστηριακή κλίμακα η αναλογία επιφάνειας προς όγκο είναι υψηλή, έτσι ένα χιτώνιο αφαιρεί εύκολα τη θερμότητα της αντίδρασης. Σε πλήρη κλίμακα, η ίδια χημεία παράγει πολύ περισσότερη θερμότητα ανά μονάδα επιφάνειας τοιχώματος και εάν ο αναδευτήρας δεν μπορεί να ανανεώσει το υγρό στον τοίχο, ο συντελεστής πέφτει περαιτέρω. Η κλασική αποτυχία είναι ο σχεδιασμός μεταφοράς θερμότητας από ένα μικρό δοχείο και η διαπίστωση ότι ο αντιδραστήρας παραγωγής υπερθερμαίνεται ή τρέχει μακριά. Η λύση είναι να καθοριστεί ο αναδευτήρας για τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, 200-1500 W/m2K ανάλογα με το ιξώδες και την ταχύτητα, χρησιμοποιώντας συχνά μια πτερωτή απόξεσης τοίχου για παχύρρευστη λειτουργία ή προσθέτοντας ένα πηνίο ή εξωτερικό βρόχο και να κλιμακωθεί σε διάτμηση τοίχου ή ισχύ ανά όγκο και όχι μόνο στην ταχύτητα αιχμής.

Ε: Πώς καθορίζεται ένας αντιδραστήρας ανάδευσης για εναιώρημα στερεών;

Α: Με την ισχύ που απαιτείται για να κρατήσει το στερεό από το δάπεδο και να κατανεμηθεί ομοιόμορφα, συνήθως 10-40 W ανά κυβικό μέτρο ανάρτησης, σε συνδυασμό με μια πτερωτή αξονικής ροής που δημιουργεί ανοδική ροή κοντά στον τοίχο για να εξουδετερώσει την ταχύτητα καθίζησης σωματιδίων. Η διάμετρος της πτερωτής, η ταχύτητα και ο αριθμός των επιπέδων επιλέγονται έτσι ώστε η κατάσταση μόλις αναρτημένης, όπου κανένα σωματίδιο δεν ακουμπάει στο κάτω μέρος για περισσότερο από μια στιγμή, να ικανοποιείται σε όλο το εύρος λειτουργίας, όχι μόνο στο σχεδιασμό. Για πυκνά ή χονδροειδή στερεά, το διάκενο από το κάτω μέρος και η κατεύθυνση άντλησης έχουν σημασία όσο και η ισχύς. Επομένως, ο αντιδραστήρας προσδιορίζεται πρώτα με το κριτήριο της εναιώρησης, μετά ελέγχεται για ανάμειξη, μεταφορά θερμότητας και τυχόν διασπορά αερίου, επειδή ένας αναδευτήρας που αναμειγνύεται καλά αλλά αφήνει τον καταλύτη να κατακαθίσει είναι άχρηστος για μια ετερογενώς καταλυόμενη αντίδραση.