رآکتور تحرک: انواع محرک، رژیم مخلوط و طراحی انتقال گرما

راکتور همزن: انواع پروانه، رژیم‌های اختلاط و طراحی انتقال حرارت

پاسخ به سوال اصلی: راکتور همزن چیست؟ راکتور همزن ظرفی است که در آن یک پروانه با نیروی مکانیکی، که روی یک شفت مرکزی نصب شده است، محتویات را برای دستیابی به اختلاط، انتقال حرارت، پراکندگی گاز یا تعلیق جامدات در طول واکنش مخلوط می‌کند، به جای اتکا به جریان پمپ‌ها یا خود واکنش. همزن، نه پوسته، قلب دستگاه است و انتخاب آن تابع وظیفه است: یک پروانه با تیغه شیب‌دار یا هیدروفویل برای اختلاط با برش کم، یک پروانه راشتون برای پراکندگی گاز، یا یک لنگر و نوار مارپیچی برای وظایف ویسکوز و انتقال حرارت. پارامترهای مهندسی کلیدی عبارتند از عدد توان، که اندازه موتور را تعیین می‌کند، عدد رینولدز، که نشان می‌دهد جریان لمینار است یا آشفته، و سرعت نوک پروانه، که هم شدت اختلاط و هم برش را که محتویات تجربه می‌کنند، تعیین می‌کند. اگر پروانه اشتباه انتخاب شود، واکنش از اختلاط محروم می‌شود، به صورت موضعی بیش از حد گرم می‌شود یا کاتالیزور آن هرگز معلق نمی‌شود.

۱. انواع پروانه و وظیفه هر کدام

انتخاب پروانه تعیین می‌کند که راکتور مخلوط می‌کند، گرم می‌کند، پراکنده می‌کند یا معلق می‌سازد:

• توربین‌های جریان محوری و هیدروفویل‌ها: پروانه‌های تیغه شیب‌دار و پروانه‌های هیدروفویل مدرن، سیال را عمدتاً در امتداد محور شفت هل می‌دهند و یک گردش حجمی قوی با برش کم و توان کم به ازای هر واحد جریان تولید می‌کنند، که آنها را برای اختلاط، همگن‌سازی و تعلیق جامدات که هدف آن جابجایی کل بچ است، پیش‌فرض می‌سازد. عدد توان آنها کم است، حدود ۰.۳-۱.۵، بنابراین برای حجم‌های بزرگ از نظر انرژی کارآمد هستند و یک حلقه از بالا به پایین ایجاد می‌کنند که جامدات را از کف دور نگه می‌دارد. برای اکثر اختلاط‌های مایع-مایع و برای نگه داشتن کاتالیزور در حالت تعلیق، یک هیدروفویل جریان محوری در یک یا دو سطح، اولین انتخاب است، زیرا بیشترین سیال را با کمترین توان جابجا می‌کند و از برش بالایی که به محصولات حساس به برش آسیب می‌رساند یا هوا را وارد می‌کند، جلوگیری می‌کند.
• توربین‌های راشتون و شعاعی برای گاز و اختلاط شدید: توربین راشتون یک روتور دیسکی با تیغه‌های صاف است که سیال را به صورت شعاعی پرتاب می‌کند و دو حلقه افقی قوی و به طور حیاتی، قابلیت پراکندگی عالی گاز را هنگام دمیدن از پایین ایجاد می‌کند، به همین دلیل است که در هیدروژناسیون و تخمیر که گاز باید به حباب‌های کوچک خرد شود، غالب است. عدد توان آن بالا است، حدود ۴-۶، بنابراین توان بیشتری را برای همان جریان مصرف می‌کند و برش بیشتری تولید می‌کند، که برای انتقال جرم گاز-مایع مناسب است اما می‌تواند سلول‌ها یا قطرات شکننده را آسیب برساند. در یک راکتور هیدروژناسیون، راشتون، یا یک پروانه شعاعی مدرن با تیغه منحنی، با یک اسپارژر جفت می‌شود تا سطح تماس گاز-مایع را به حداکثر برساند، زیرا سرعت واکنش اغلب توسط میزان پراکندگی گاز تعیین می‌شود، نه فقط شیمی آن.
• لنگر و نوار مارپیچی برای وظایف ویسکوز: با افزایش ویسکوزیته به بیش از چند هزار سانتی‌پویز، توربین‌های آشفته قدرت خود را از دست می‌دهند زیرا سیال دیگر به راحتی از روی تیغه‌ها عبور نمی‌کند و جریان لمینار می‌شود، عدد رینولدز زیر ۱۰. در اینجا از یک همزن لنگری، یک پروانه با عرض زیاد و فاصله کم که دیواره را می‌تراشد، یا یک نوار مارپیچی که سیال را در امتداد دیواره به سمت بالا و در مرکز به سمت پایین می‌پیچاند، برای جابجایی کل جرم و به طور حیاتی، برای تجدید سیال در دیواره گرم شده یا خنک شده استفاده می‌شود. نوار مارپیچی استاندارد برای پلیمرها، خمیرها و دوغاب‌های با جامدات بالا دقیقاً به این دلیل است که انتقال حرارت، نه حرکت حجمی، مرحله محدود کننده است و تنها یک پروانه دیواره‌تراش، ضریب بالایی در سمت دیواره را حفظ می‌کند. این پروانه‌ها آهسته کار می‌کنند اما گشتاور بالایی می‌کشند، بنابراین درایو برای گشتاور به جای سرعت، دنده شده است.

۲. رژیم‌های اختلاط، مقیاس‌پذیری و انتقال حرارت

راکتور بر اساس رژیم و حرارت طراحی می‌شود، نه فقط پروانه:

• جریان لمینار، انتقالی و آشفته: عدد رینولدز، نسبت نیروهای اینرسی به ویسکوز، رژیم را تعیین می‌کند: زیر حدود ۱۰ جریان لمینار و نیروهای ویسکوز غالب هستند، ۱۰ تا ۱۰۰۰۰ انتقالی است و بالای ۱۰۰۰۰ جریان آشفته و اینرسی غالب است. رژیم هم پروانه و هم قانون مقیاس‌پذیری را تعیین می‌کند: در اختلاط آشفته، مقیاس‌پذیری اغلب با سرعت نوک ثابت یا توان ثابت به ازای حجم حفظ می‌شود، در حالی که در وظایف ویسکوز لمینار با برش دیواره ثابت یا گشتاور ثابت به ازای حجم حفظ می‌شود. زمان اختلاط از دقایق در جریان آشفته به زمان‌های بسیار طولانی‌تر در جریان لمینار کاهش می‌یابد، بنابراین راکتوری که در مقیاس آزمایشگاهی در ۲ دقیقه مخلوط می‌کند، ممکن است در مقیاس بزرگتر ۲۰ دقیقه طول بکشد اگر رژیم اشتباه خوانده شده باشد. بنابراین عدد رینولدز اولین عددی است که در هر طراحی همزن محاسبه می‌شود، زیرا هر انتخاب دیگری را تعیین می‌کند.
• انتقال حرارت از طریق ژاکت و کویل: اکثر راکتورهای همزن گرما را از طریق ژاکت یا کویل نیمه‌لوله‌ای اضافه یا حذف می‌کنند و وظیفه همزن شامل تجدید سیال در دیواره است تا ضریب انتقال حرارت بالا بماند، معمولاً ۲۰۰-۱۵۰۰ وات بر متر مربع کلوین بسته به ویسکوزیته و سرعت. در سرویس ویسکوز، فیلم دیواره مقاومت را غالب می‌کند، به همین دلیل است که لنگر یا نوار مارپیچی استفاده می‌شود، زیرا دیواره را جارو می‌کند. در سرویس کم‌ویسکوزیته آشفته، یک توربین ساده برای بالا نگه داشتن ضریب کافی است. ژاکت با ۰.۱-۱۰ مگاپاسکال از محیط گرمایش یا سرمایش کار می‌کند و برای واکنش‌های بسیار گرمازا، یک حلقه خارجی یا کویل داخلی آن را تکمیل می‌کند. یک شکست رایج در مقیاس‌پذیری، طراحی انتقال حرارت در مقیاس آزمایشگاهی است، جایی که نسبت سطح به حجم بالا است، و یافتن راکتور در مقیاس کامل نمی‌تواند گرما را حذف کند، زیرا حذف با مساحت مقیاس می‌شود در حالی که تولید با حجم مقیاس می‌شود.
• تعلیق جامدات، پراکندگی گاز و محدودیت‌های برش: دو وظیفه بسیاری از راکتورهای همزن را تعریف می‌کنند. تعلیق جامدات، نگه داشتن کاتالیزور یا پرکننده از کف، به توان کافی، معمولاً ۱۰-۴۰ وات بر متر مکعب، و الگوی جریان محوری نیاز دارد؛ پروانه به گونه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که سرعت ته‌نشینی ذرات با جریان رو به بالا در نزدیکی دیواره غلبه کند. پراکندگی گاز به پروانه شعاعی و یک اسپارژر نیاز دارد، با سرعت نوک پروانه به اندازه کافی بالا برای شکستن حباب‌ها اما زیر سرعتی که مایع را از مخزن خارج می‌کند یا هوا را در سطح وارد می‌کند. برش، محدودیتی است که هر دو را محدود می‌کند: برش بیش از حد به سلول‌ها آسیب می‌رساند، امولسیون‌ها را می‌شکند یا ذرات را فرسایش می‌دهد، برش کم تماس ضعیفی باقی می‌گذارد. بنابراین راکتور همزن با پارامتر محدود کننده وظیفه، یعنی توان تعلیق، پراکندگی گاز، ضریب انتقال حرارت یا زمان اختلاط، مشخص می‌شود و پروانه، سرعت و موتور برای دستیابی به آن بدون تجاوز از حد برش انتخاب می‌شوند.

ماتریس مقایسه پروانه‌های راکتور همزن

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین توربین راشتون و پروانه هیدروفویل چیست؟

پ: آنها نیازهای اختلاط متضادی را برآورده می‌کنند. توربین راشتون یک پروانه شعاعی با تیغه‌های صاف است که سیال را به طرفین پرتاب می‌کند و حلقه‌های افقی قوی و پراکندگی عالی گاز را ایجاد می‌کند، با عدد توان بالا حدود ۴-۶، بنابراین توان بیشتری مصرف می‌کند و برش بیشتری تولید می‌کند؛ این انتخاب برای هیدروژناسیون و تخمیر است که در آن گاز باید به حباب‌های ریز خرد شود. یک پروانه هیدروفویل یا تیغه شیب‌دار سیال را به صورت محوری هل می‌دهد و گردش حجمی قوی با برش کم و توان کم، حدود ۰.۳-۱.۵، ایجاد می‌کند که آن را برای اختلاط و تعلیق جامدات که هدف آن جابجایی کل بچ به طور موثر است، پیش‌فرض می‌سازد. به طور خلاصه، راشتون را زمانی انتخاب کنید که پراکندگی گاز یا اختلاط شدید مهم‌تر باشد، و هیدروفویل را زمانی که اختلاط یا تعلیق کم‌برش موثر اولویت دارد.

س: چگونه ویسکوزیته انتخاب همزن را تغییر می‌دهد؟

پ: ویسکوزیته رژیم جریان را از طریق عدد رینولدز و در نتیجه پروانه تعیین می‌کند. زیر چند هزار سانتی‌پویز جریان آشفته است و توربین‌های استاندارد کار می‌کنند؛ با افزایش ویسکوزیته به سمت ۱۰۰۰۰ سانتی‌پویز و فراتر از آن، جریان لمینار می‌شود، عدد رینولدز زیر ۱۰، و توربین‌های محوری قدرت خود را از دست می‌دهند زیرا سیال دیگر از روی تیغه‌ها عبور نمی‌کند. برای این رژیم از لنگر یا بهتر از آن، نوار مارپیچی استفاده می‌شود، زیرا دیواره گرم شده را می‌تراشد و کل جرم را جابجا می‌کند و انتقال حرارت را حفظ می‌کند که در غیر این صورت فرو می‌ریزد. نوار مارپیچی استاندارد برای پلیمرها و دوغاب‌های با جامدات بالا دقیقاً به این دلیل است که انتقال حرارت دیواره، نه حرکت حجمی، محدود کننده است. بنابراین ویسکوزیته نه تنها اندازه را تغییر می‌دهد، بلکه خانواده پروانه را نیز تغییر می‌دهد و خواندن اشتباه آن باعث اختلاط ضعیف و گرمایش ناکافی می‌شود.

س: چرا انتقال حرارت هنگام مقیاس‌بندی یک راکتور همزن با شکست مواجه می‌شود؟

پ: زیرا تولید گرما با حجم مقیاس می‌شود در حالی که حذف گرما با مساحت سطح مقیاس می‌شود و این نسبت با رشد مخزن بدتر می‌شود. در مقیاس آزمایشگاهی نسبت سطح به حجم بالا است، بنابراین یک ژاکت به راحتی گرمای واکنش را حذف می‌کند؛ در مقیاس کامل، همان شیمی گرمای بسیار بیشتری به ازای واحد مساحت دیواره تولید می‌کند و اگر همزن نتواند سیال را در دیواره تجدید کند، ضریب بیشتر کاهش می‌یابد. شکست کلاسیک، طراحی انتقال حرارت از یک مخزن کوچک و یافتن راکتور تولیدی است که بیش از حد گرم می‌شود یا از کنترل خارج می‌شود. راه حل این است که همزن را برای ضریب انتقال حرارت، ۲۰۰-۱۵۰۰ وات بر متر مربع کلوین بسته به ویسکوزیته و سرعت، مشخص کنید، اغلب با استفاده از یک پروانه دیواره‌تراش برای وظایف ویسکوز یا افزودن کویل یا حلقه خارجی، و مقیاس‌بندی بر اساس برش دیواره یا توان به ازای حجم به جای سرعت نوک به تنهایی.

س: چگونه یک راکتور همزن برای تعلیق جامدات مشخص می‌شود؟

پ: با توان مورد نیاز برای نگه داشتن جامد از کف و توزیع یکنواخت آن، معمولاً ۱۰-۴۰ وات بر متر مکعب سوسپانسیون، همراه با یک پروانه جریان محوری که جریان رو به بالا را در نزدیکی دیواره ایجاد می‌کند تا با سرعت ته‌نشینی ذرات مقابله کند. قطر پروانه، سرعت و تعداد سطوح به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که شرط تعلیق، که در آن هیچ ذره‌ای بیش از یک لحظه روی کف باقی نمی‌ماند، در کل محدوده عملیاتی، نه فقط در طراحی، برآورده شود. برای جامدات متراکم یا درشت، فاصله از کف و جهت پمپاژ به اندازه توان اهمیت دارند. بنابراین راکتور ابتدا بر اساس معیار تعلیق اندازه‌گیری می‌شود، سپس برای اختلاط، انتقال حرارت و هرگونه پراکندگی گاز بررسی می‌شود، زیرا همزنی که به خوبی مخلوط می‌کند اما اجازه می‌دهد کاتالیزور ته‌نشین شود، برای یک واکنش با کاتالیزور ناهمگن بی‌فایده است.