เครื่องปฏิกิริยาปั่น: ประเภทของตัวขับเคลื่อน ระบบผสมและการออกแบบการถ่ายทอดความร้อน

เครื่องปฏิกรณ์แบบกวน: ประเภทของใบพัด ระบบการผสม และการออกแบบการถ่ายเทความร้อน

ตอบคำถามหลัก:เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคืออะไร?เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคือภาชนะซึ่งมีใบพัดขับเคลื่อนด้วยกลไก ติดตั้งอยู่บนเพลากลาง ผสมสารต่างๆ เพื่อให้เกิดการผสม การถ่ายเทความร้อน การกระจายตัวของก๊าซ หรือสารแขวนลอยของของแข็งในระหว่างการทำปฏิกิริยา แทนที่จะอาศัยการไหลจากปั๊มหรือตัวปฏิกิริยาเอง หัวใจของเครื่องกวน (ไม่ใช่เปลือก) คือหัวใจของเครื่องจักร และการเลือกใช้จะเป็นไปตามหน้าที่: กังหันใบพัดแหลมหรือกังหันน้ำสำหรับการผสมที่มีแรงเฉือนต่ำ กังหัน Rushton สำหรับการกระจายก๊าซ หรือริบบอนสมอและขดลวดสำหรับหน้าที่หนืดและการถ่ายเทความร้อน พารามิเตอร์ทางวิศวกรรมที่สำคัญคือเลขกำลังซึ่งกำหนดขนาดมอเตอร์ หมายเลข Reynolds ซึ่งบอกว่าการไหลเป็นแบบราบเรียบหรือแบบปั่นป่วน และความเร็วของทิปซึ่งกำหนดทั้งความเข้มของการผสมและแรงเฉือนของสิ่งที่อยู่ภายใน หากใส่ใบพัดผิดและปฏิกิริยาจะขาดการผสม เกิดความร้อนสูงเกินไปภายใน หรือไม่เคยระงับตัวเร่งปฏิกิริยาเลย

1. ประเภทของใบพัดและหน้าที่ของใบพัดแต่ละชนิด

ตัวเลือกใบพัดจะตัดสินว่าเครื่องปฏิกรณ์จะผสม ให้ความร้อน กระจายตัว หรือแขวนลอย:

• กังหันไหลตามแนวแกนและไฮโดรฟอยล์:กังหันใบพัดแบบแหลมและใบพัดไฮโดรฟอยล์สมัยใหม่จะผลักของเหลวเป็นส่วนใหญ่ไปตามแกนเพลา ทำให้เกิดการไหลเวียนของของเหลวจำนวนมากโดยมีแรงเฉือนต่ำและพลังงานต่อการไหลของหน่วยต่ำ ซึ่งทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับการผสม การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน และสารแขวนลอยของแข็ง โดยมีเป้าหมายคือการเคลื่อนย้ายทั้งชุด เลขกำลังต่ำ ประมาณ 0.3-1.5 ดังนั้นจึงประหยัดพลังงานสำหรับปริมาณมาก และสร้างวงจรจากบนลงล่างที่ช่วยป้องกันไม่ให้ของแข็งลอยจากพื้น สำหรับการผสมของเหลว-ของเหลวส่วนใหญ่และเพื่อรักษาตัวเร่งปฏิกิริยาไว้ในสารแขวนลอย ไฮโดรฟอยล์ไหลตามแนวแกนที่หนึ่งหรือสองระดับเป็นตัวเลือกแรก เนื่องจากมันจะเคลื่อนของเหลวมากที่สุดโดยใช้กำลังน้อยที่สุด และหลีกเลี่ยงแรงเฉือนสูงที่อาจสร้างความเสียหายให้กับผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อแรงเฉือนหรือกักอากาศไว้
• กังหัน Rushton และ Radial สำหรับการผสมก๊าซและความเข้มข้นสูง:กังหัน Rushton เป็นดิสก์โรเตอร์แบบใบพัดแบนที่พ่นของเหลวในแนวรัศมี ทำให้เกิดวงรอบแนวนอนที่แข็งแรง 2 วง และที่สำคัญคือมีความสามารถในการกระจายก๊าซที่ดีเยี่ยมเมื่อโปรยจากด้านล่าง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมกังหันจึงมีอิทธิพลเหนือการเกิดไฮโดรจิเนชันและการหมัก โดยที่ก๊าซต้องสับให้เป็นฟองเล็กๆ เลขกำลังของมันสูงประมาณ 4-6 ดังนั้นจึงดึงพลังงานได้มากขึ้นสำหรับการไหลเดียวกัน และสร้างแรงเฉือนมากขึ้น ซึ่งเหมาะสมกับการถ่ายโอนมวลก๊าซ-ของเหลว แต่สามารถทำลายเซลล์หรือหยดที่เปราะบางได้ ในเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชัน รัชตันหรือใบพัดแนวรัศมีใบพัดโค้งสมัยใหม่ จะถูกจับคู่กับสปาร์เจอร์เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวระหว่างก๊าซ-ของเหลวให้สูงสุด เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยามักจะถูกกำหนดโดยการกระจายตัวของก๊าซได้ดีเพียงใด ไม่ใช่โดยเคมีเพียงอย่างเดียว
• Anchor และ Helical Ribbon สำหรับงานที่มีความหนืด:เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้นเหนือเซนติพอยส์ ใบพัดที่ปั่นป่วนจะสูญเสียอำนาจเนื่องจากของไหลไม่ไหลผ่านใบพัดอย่างอิสระอีกต่อไป และการไหลจะกลายเป็นลามินาร์ เลขเรย์โนลด์สต่ำกว่า 10 ในที่นี้ เครื่องกวนสมอ ซึ่งเป็นใบพัดที่มีระยะปิดกว้างที่ขูดผนัง หรือริบบิ้นเกลียวที่ขันสกรูของของไหลขึ้นไปตามผนังและลงตรงกลาง ถูกนำมาใช้เพื่อเคลื่อนย้ายมวลทั้งหมด และในขั้นวิกฤติคือเพื่อฟื้นฟูของเหลวที่ ผนังที่อุ่นหรือเย็น ริบบอนเกลียวเป็นมาตรฐานสำหรับโพลีเมอร์ เพสต์ และสารละลายที่มีของแข็งสูง เนื่องจากการถ่ายเทความร้อน ไม่ใช่การเคลื่อนที่เป็นกลุ่ม เป็นขั้นตอนที่จำกัด และมีเพียงใบพัดที่ขูดผนังเท่านั้นที่จะรักษาค่าสัมประสิทธิ์ด้านผนังที่สูงได้ ใบพัดเหล่านี้ทำงานช้าๆ แต่ดึงแรงบิดสูง ดังนั้นระบบขับเคลื่อนจึงมุ่งเน้นไปที่แรงบิดมากกว่าความเร็ว

2. การผสมสูตร การขยายขนาด และการถ่ายเทความร้อน

เครื่องปฏิกรณ์ได้รับการออกแบบตามระบอบการปกครองและความร้อน ไม่ใช่ใบพัดเพียงอย่างเดียว:

• การไหลแบบราบเรียบ การเปลี่ยนผ่าน และแบบปั่นป่วน:ตัวเลขเรย์โนลด์สซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงเฉื่อยต่อแรงหนืด บ่งบอกระบอบการปกครองว่า ต่ำกว่าประมาณ 10 การไหลจะเป็นแบบราบเรียบและแรงหนืดจะครอบงำ 10 ถึง 10,000 จะเป็นการไหลผ่าน และมากกว่า 10,000 การไหลจะปั่นป่วนและความเฉื่อยจะครอบงำ ระบบการปกครองจะเป็นผู้ตัดสินใจทั้งกฎของใบพัดและกฎการเพิ่มขนาด: ในการปั่นแบบปั่นป่วน การเพิ่มขนาดมักจัดขึ้นที่ความเร็วปลายคงที่หรือกำลังต่อปริมาตรคงที่ ในขณะที่หน้าที่ความหนืดแบบลามินาร์ จะดำเนินการที่แรงเฉือนของผนังคงที่หรือแรงบิดคงที่ต่อปริมาตร เวลาในการผสมลดลงจากนาทีในการไหลเชี่ยวไปจนถึงนานกว่ามากในการไหลแบบราบเรียบ ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ที่ผสมใน 2 นาทีที่ห้องปฏิบัติการอาจใช้เวลา 20 นาทีตามมาตราส่วนหากระบบอ่านค่าไม่ถูกต้อง ดังนั้น หมายเลข Reynolds จึงเป็นตัวเลขแรกที่คำนวณในการออกแบบการกวนใดๆ เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดทางเลือกอื่นๆ
• การถ่ายเทความร้อนผ่านแจ็คเก็ตและคอยล์:เครื่องปฏิกรณ์แบบปั่นป่วนส่วนใหญ่จะเพิ่มหรือขจัดความร้อนผ่านแจ็คเก็ตหรือขดลวดแบบครึ่งท่อ และงานของเครื่องกวนรวมถึงการเปลี่ยนของเหลวที่ผนังเพื่อให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนยังคงสูง โดยทั่วไปคือ 200-1500 วัตต์ต่อตารางเมตรเคลวิน ขึ้นอยู่กับความหนืดและความเร็ว ในการใช้งานที่มีความหนืด ฟิล์มติดผนังจะมีอิทธิพลเหนือความต้านทาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้พุกหรือริบบอนแบบขดลวด ฟิล์มจึงกวาดผนังอย่างต่อเนื่อง ในการให้บริการที่มีความหนืดต่ำแบบปั่นป่วน กังหันธรรมดาก็เพียงพอที่จะรักษาค่าสัมประสิทธิ์ให้สูงขึ้นได้ แจ็คเก็ตจัดการกับตัวกลางทำความร้อนหรือความเย็นได้ 0.1-10 MPa และสำหรับปฏิกิริยาคายความร้อนสูง จะมีการวนรอบภายนอกหรือคอยล์ภายในมาเสริม ความล้มเหลวในการเพิ่มขนาดโดยทั่วไปคือการออกแบบการถ่ายเทความร้อนในระดับห้องปฏิบัติการ ซึ่งมีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง และการค้นหาเครื่องปฏิกรณ์เต็มขนาดไม่สามารถขจัดความร้อนออกได้ เนื่องจากการเอาออกจะปรับขนาดตามพื้นที่ในขณะที่การสร้างจะปรับขนาดตามปริมาตร
• สารแขวนลอยของของแข็ง การกระจายตัวของก๊าซ และขีดจำกัดแรงเฉือน:หน้าที่สองประการกำหนดเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนจำนวนมาก ระบบกันสะเทือนแบบแข็งซึ่งกันตัวเร่งปฏิกิริยาหรือตัวเติมให้ลอยจากพื้น ต้องใช้กำลังเพียงพอ โดยทั่วไปคือ 10-40 วัตต์/ลูกบาศก์เมตร และรูปแบบการไหลตามแนวแกน ใบพัดมีขนาดดังนั้นความเร็วการตกตะกอนของอนุภาคจึงถูกเอาชนะโดยการไหลขึ้นด้านบนใกล้กับผนัง การกระจายตัวของก๊าซต้องใช้ใบพัดแนวรัศมีและโปรเจอร์ โดยมีความเร็วของปลายสูงพอที่จะทำให้ฟองแตก แต่ต่ำกว่าความเร็วที่เหวี่ยงของเหลวออกจากถังหรือกักอากาศไว้ที่พื้นผิว แรงเฉือนเป็นข้อจำกัดที่ผูกมัดทั้งสอง: แรงเฉือนมากเกินไปจะทำลายเซลล์ ทำให้อิมัลชันแตกตัว หรือทำให้อนุภาคสึกหรอ น้อยเกินไปทำให้การสัมผัสกันไม่ดี ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนจึงถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์จำกัดหน้าที่ กำลังช่วงล่าง การกระจายตัวของก๊าซ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน หรือเวลาผสม และใบพัด ความเร็ว และมอเตอร์ถูกเลือกเพื่อให้เป็นไปตามขีดจำกัดแรงเฉือน

เมทริกซ์การเปรียบเทียบใบพัดเครื่องปฏิกรณ์แบบกวน

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: กังหัน Rushton และใบพัดไฮโดรฟอยล์แตกต่างกันอย่างไร

ตอบ: พวกมันตอบสนองความต้องการในการผสมที่ตรงกันข้าม กังหันรัชตันเป็นใบพัดแนวรัศมีใบแบนที่ส่งของไหลไปด้านข้าง ทำให้เกิดวงรอบแนวนอนที่แข็งแรงและการกระจายตัวของก๊าซที่ดีเยี่ยม ด้วยจำนวนกำลังสูงประมาณ 4-6 ดังนั้นจึงดึงกำลังได้มากกว่าและสร้างแรงเฉือนมากขึ้น เป็นทางเลือกสำหรับไฮโดรจิเนชันและการหมักโดยต้องสับก๊าซให้เป็นฟองละเอียด ใบพัดไฮโดรฟอยล์หรือใบพัดแหลมจะดันของเหลวในแนวแกน ทำให้มีการไหลเวียนจำนวนมากที่แรงเฉือนต่ำและพลังงานต่ำ ประมาณ 0.3-1.5 ซึ่งทำให้เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับการผสมและสารแขวนลอยของแข็ง โดยมีเป้าหมายคือการเคลื่อนย้ายทั้งชุดอย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวโดยสรุป ให้เลือก Rushton เมื่อการกระจายตัวของก๊าซหรือการผสมที่เข้มข้นมีความสำคัญที่สุด และเลือกเรือไฮโดรฟอยล์เมื่อการผสมหรือช่วงล่างที่มีแรงเฉือนต่ำอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก

ถาม: ความหนืดเปลี่ยนตัวเลือกเครื่องกวนได้อย่างไร

ตอบ: ความหนืดจะกำหนดรูปแบบการไหลผ่านหมายเลข Reynolds และใบพัด กระแสน้ำไหลเชี่ยวและกังหันมาตรฐานทำงานต่ำกว่าสองสามพันเซนติพอยซ์ เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้นถึง 10,000 cP และมากกว่านั้น การไหลจะกลายเป็นแบบราบเรียบ จำนวนเรย์โนลด์สต่ำกว่า 10 และกังหันตามแนวแกนจะสูญเสียอำนาจเนื่องจากของไหลไม่ไหลผ่านใบพัดอีกต่อไป สำหรับระบอบการปกครองนี้ ควรใช้สมอหรือถ้าดีกว่านั้น ให้ใช้ริบบิ้นแบบเกลียว เพราะมันขูดผนังที่ได้รับความร้อนและเคลื่อนย้ายมวลทั้งหมด เพื่อรักษาการถ่ายเทความร้อนที่อาจพังทลายลงได้ ริบบอนเกลียวเป็นมาตรฐานสำหรับโพลีเมอร์และสารละลายที่มีของแข็งสูง เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนที่ผนังซึ่งไม่ใช่การเคลื่อนที่เป็นกลุ่ม เป็นข้อจำกัด ดังนั้นความหนืดไม่เพียงแต่เปลี่ยนขนาดเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนตระกูลใบพัดอีกด้วย และการอ่านค่าผิดทำให้ทั้งการผสมไม่ดีและให้ความร้อนไม่เพียงพอ

ถาม: เหตุใดการถ่ายเทความร้อนจึงล้มเหลวเมื่อขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์แบบกวน

ตอบ: เนื่องจากการสร้างความร้อนจะปรับขนาดตามปริมาตร ในขณะที่การกำจัดความร้อนจะปรับขนาดตามพื้นที่ผิว และอัตราส่วนจะแย่ลงเมื่อถังมีขนาดใหญ่ขึ้น ในระดับห้องปฏิบัติการ อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรจะสูง ดังนั้นแจ็คเก็ตจึงสามารถขจัดความร้อนจากปฏิกิริยาได้อย่างง่ายดาย เมื่อเต็มสเกล เคมีชนิดเดียวกันจะทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ผนัง และหากเครื่องกวนไม่สามารถเติมของเหลวที่ผนังได้ ค่าสัมประสิทธิ์จะลดลงอีก ความล้มเหลวแบบคลาสสิกคือการออกแบบการถ่ายเทความร้อนจากภาชนะขนาดเล็ก และพบว่าเครื่องปฏิกรณ์การผลิตมีความร้อนสูงเกินไปหรือวิ่งหนี วิธีแก้ไขคือระบุเครื่องกวนสำหรับค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน 200-1500 W/m2K ขึ้นอยู่กับความหนืดและความเร็ว มักใช้ใบพัดขูดผนังสำหรับงานที่มีความหนืดหรือเพิ่มขดลวดหรือวงรอบภายนอก และเพื่อขยายขนาดตามแรงเฉือนของผนังหรือกำลังต่อปริมาตร แทนที่จะใช้ความเร็วทิปเพียงอย่างเดียว

ถาม: เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนระบุไว้สำหรับสารแขวนลอยที่เป็นของแข็งอย่างไร

ตอบ: โดยกำลังที่จำเป็นในการกันของแข็งให้ลอยจากพื้นและกระจายอย่างสม่ำเสมอ โดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 10-40 วัตต์ต่อลูกบาศก์เมตรของสารแขวนลอย รวมกับใบพัดไหลตามแนวแกนที่สร้างการไหลขึ้นด้านบนใกล้กับผนังเพื่อต้านความเร็วการตกตะกอนของอนุภาค มีการเลือกเส้นผ่านศูนย์กลาง ความเร็ว และจำนวนระดับของใบพัด เพื่อให้สภาวะที่เพิ่งแขวนลอยโดยไม่มีอนุภาคอยู่ด้านล่างเป็นเวลานานกว่าชั่วครู่จะเป็นไปตามช่วงการทำงาน ไม่ใช่แค่ที่การออกแบบเท่านั้น สำหรับของแข็งที่มีความหนาแน่นหรือหยาบ ระยะห่างจากด้านล่างและทิศทางการสูบมีความสำคัญพอๆ กับกำลัง ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์จึงต้องกำหนดขนาดตามเกณฑ์สารแขวนลอยก่อน จากนั้นจึงตรวจสอบการผสม การถ่ายเทความร้อน และการกระจายตัวของก๊าซใดๆ เนื่องจากเครื่องกวนที่ผสมได้ดีแต่ปล่อยให้ตัวเร่งปฏิกิริยาตกตะกอนไม่มีประโยชน์สำหรับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาต่างกัน