תפקיד השפעות מתח פנימי בתגובות Cstr מרובות-שלבים

מבוא: Surface Tension in Multi-Phase CSTR Responses

כורי טנק מתגרים (CSTRs) הם מעשי כפיים של התעשייה הכימית, המשמשים למגוון רחב של תהליכים מכימיקלים דקים ל- petrochemicals ותרופות.כאשר תגובות כרוכות בשני שלבים בלתי אפשריים או יותר - כגון נוזלי-liquid, גז-li-lied, או אפילו מערכות גז נוזלי-סול-סול-הג - ההתנהגות בין השלבים הופכת לגורם קריטי, אך לעתים קרובות, הפחתת השפעות על פני השטח, אך ורקמות, אך ורק על פני השטח, הוא משקף, הוא משקף, ומשפיע על גודל זה, הוא משקף את ההשפעות של הממשקים, אך ורק על גודל זה, אך ורק על פני השטח, הוא משקף, משקף, אך ורק על פני השטח, הוא משקף, הוא משקף, אך ורק על ידי ירידה חלקית, או אפילו על ידי ירידה חלקית, או אפילו על ידי ירידה חלקית, אך ורק על ידי תאים קינטית, הוא, אך ורק על ידי תאים, אך ורק על ידי ירידה חלקית, או אפילו , הוא, הוא, אך ורקמות, ואפקטים, אך ורק על ידי לחץ דם, הוא, או אפילו טמפרטורות, הוא, משקף, הוא משקף, לעתים קרובות, משקף, אך ורק על ידי ירידה

ב- Multi-phase CSTR, התכונות הפיזיות של הממשק קובעות כמה טוב השלבים ליצור קשר זה.מתח על פני השטח העליון יכול להוביל טיפות גדולות ויציבות המתנגדים לפרוץ, צמצום אזור בין-גזעי ואט העברת המונים. versely, מתח משטח נמוך מקדם היווצרות דקת ירידה ושוויון מהיר, אבל עלול לגרום גם לפירוק לא רצוי או בשלב ההבנה של מהנדסים אלה מאפשר התאמה אופטימלית לתנאי הפעלה אופטימלית.

מאמר זה מספק בדיקה מקיפה של השפעות מתח פני השטח ב- Multi-phase CSTRs, כיסוי עקרונות יסוד, השפעות על פרמטרים תגובה, אסטרטגיות בקרה ושיקולים עיצוביים מעשיים.המטרה היא לתת מהנדסים כימיים ומעבדים את התובנות הדרושות כדי למנף מתח פני השטח כפרמטר טוטלי ולא נכס קבוע.

יסודות של צומת פני השטח

מקור מולקולרי ומדכא

מתח פני השטח נובע מחוסר איזון של כוחות בלתי-חליליים בממשק שלב. Molecules במרבית החוויה הנוזלית כוחות אטרקטיביים באותה מידה בכל הכיוונים, אבל אלה על פני השטח חווים משיכה פנימית נטו.זה יוצר מתח דמוי עור שמתנגד לעלייה באזור פני השטח.התוצאה היא אורך כוח ליחידה (בדרך כלל נמדד במ"ם/m) שגורם להפחתה של קשקשים וגורמים למזעריים למזער את פני השטח שלהם.

שיטות נפוצות למדידת מתח פני השטח כוללות את הצלחת וילהלם, טבעת דו-ימי, טיפות חודרות טניאומטריה, וטכניקות לחץ בועות.עבור תגובות מרובות-phase, מתח פני השטח דינמי - איך הערך משתנה לאורך זמן כמו מודעות גולשים - הוא לעתים קרובות יותר רלוונטי מערכי שיווי משקל, כי ממשק הוא כל הזמן מחודש על ידי ערבוב.

ראשי תיבות של Interfacial Tension, Contact Angel ו- Wetting

בעוד מתח פני השטח מתייחס לממשק נוזלי-אוויר, FLT:0interfacialמתי מתח 1FigpLT (R) הוא הנכס האנלוגי בין שני נוזלים בלתי אפשריים.ב CSTR נוזלי-הטווח, ההבדל במתח בין-גזעי קובע גודל טיפות ותפקוד של כרייה. לדוגמה, מערכות של מים עם מתח בין-גזעי גבוה (למשל, 30-N) יכולות להיות חלשות יותר, אך לא יציבות, אך הן בעלות לחץ גבוה יותר, אם כי אם הן בעלות לחץ גבוה יותר, אם כי אם כי אם הן בעלות לחץ אווירי, אם הן יכולות להיות נמוכה יותר, אם הן פחות או יותר, אם הן פחות או יותר, אם הן בעלות מערכת בין כדוריות (fstream) עם מתח גבוה יותר, אם הן פחות יציבות (frium) עם מתח נמוך יותר, אם כן, בין- 5.

ה-FLT:0 ,L-BSamsual ZoveFLT:1 מתאר כיצד טיפות של שלב אחד מתפשט על משטח מוצק בנוכחות של השלב השני. in CSTRs עם זרז מוצק או baffles, את ההשפעה הרטובה שבו התגובות מתרחשות וכיצד מגיבים מועברים. a High Contactזווית מגע גבוהה (או רטוב) יכול להוביל לזרז רטוב, בעוד זווית מגע נמוכה מעודד יצירת קשר משופרת.

משחק עם נכסים פיזיים אחרים

מתח פני השטח אינו פועל בבידוד.זה אינטראקציה עם מולטי (הפחתת הניפולנס ופחם), צפיפות (השפעת הפרדת שלב), ואת נוכחות של תרכובות על פני השטח-אקטיביות.במקלעים, הכוחות הסוערים שהצינו בשלב החשש חייבים להתגבר על מתח פני השטח כדי לשבור את מספר האינטרנט (We= ⁇ N2 D3 / ⁇ ) הוא ממד חסר משקל זה, כי כוחות מאימתים יותר, כי הם תופסים את המספרים המובילים יותר גבוה יותר.

השפעה על פני השטח Tension על ביצועים Multi-Phase CSTR

גודל טיפת שטח ושטח בין-גזעי

ההשפעה המיידית ביותר של מתח פני השטח ב CSTR נוזלי הוא על חלוקת גודל טיפות.בפיזור סוער, טיפות שבורות כאשר אדיים להתגבר על הכוח השביר של מתח פני השטח.הקוטר הטיפה היציב המקסימלי (ד מקס) הוא משוער על ידי תורת Kolmogorov-Hinze:

(ב) ⁇ ( ⁇ / ⁇ c) ⁇ ( ⁇ / ⁇ c)

כאשר ⁇ הוא מתח בין-גזעי, ⁇ c הוא צפיפות מתמשכת, ו ε הוא קצב הניתוק באנרגיה סוערת.מערכת יחסים זו מראה כי ירידה בלחץ פני השטח בחצי מובילה לירידה ב d max על ידי גורם של כ-0.66, להגדיל באופן דרמטי את השטח הספציפי.עבור תגובות מוגבלות העברה המונית, זה מתורגם ישירות המרה מהירה יותר.

מהנדסים יכולים להשתמש בעיקרון זה כדי להתאים את גודל הניחת על ידי התאמת ריכוז או טמפרטורה.לדוגמה, בחנק של תרכובות ארומטיות (תגובה נוזלי קלאסי), הוספת כמות קטנה של גולש מתאים יכול להפחית את גודל הנפתח מ - 1 מ"מ ל - 100 מיקרומטר, להגדיל את אזור interfacial פי עשרה ו חיתוך זמן תגובה משמעותי.

שיפור העברת המונים

תגובות מרובות-phase לעתים קרובות מסתמכות על העברת ההמונים בין-phase של מגיבים.השימוש במסה (k L) במיכל מעורר זעזוע תלוי בתנאי הידרודינמיקה והמאפיינים הפיזיים של השלבים.מתח על פני השטח משפיע על k L באמצעות השפעתה על גודל הניחת (וכך אזור העברת המונים, A) ועל עובי הסרט בממשק.קטן יותר, אבל הם נוטים גם לתפוצה פנימית מהירה יותר, אם הם יכולים להיות איטי יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, ירידה מהירה יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, ירידה מהירה יותר, עם זאת, עם זאת, ירידה מהירה יותר, אם כיפות נמוכה יותר, אם כימות, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, ירידה קטנה יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם ירידה קטנה מאוד, עם זאת, עם זאת, ירידה קטנה מאוד, עם זאת, עם זאת, עם ירידה קטנה מאוד, עם זאת, עם ירידה על עובי על פני השטח, עם ירידה קטנה מאוד, עם זאת, אם כימות על עובי על פני השטח, אם כי

עבור מערכות דלק גז, מתח פני השטח שולט בגודל בועה.מתח על פני השטח נמוך מקדם בועות קטנות יותר עם שטח בין-גזעי גדול יותר, אבל גם מגביר את מהירות הבועה עקב גרור מופחת? (למעשה, בועות קטנות יותר עולות לאט יותר במשטר מולקונוס) ההשפעה נטו על קוגניציה מסה נפח (k L) היא בדרך כלל חיובית.

יכולת הגשמה וקוגיליות

בתהליכים CSTR רבים, גולגולת יציבה היא רוצה לשמור על שטח בין-גזעי גבוה.מתח פני השטח משחק תפקיד כפול: בעוד מתח בין-גזעי נמוך מקדם היווצרות של טיפות קטנות, זה גם מפחית את הכוח המניע למחזור פחם. יעילות Coalescence תלויה ביכולת של הסרט הנוזלי בין טיפות מתקרבות ל ניקוז וקרע.

לדוגמה, בייצור פולימרים באמצעות השעיה או פולימריזציה, שליטה ביציבות הנפיל היא קריטית.יותר מדי פחם מוביל חלקיקים גדולים, לא מבוקרים; מעט מדי יכול למנוע הפרדה נאותה בשלב של התאוששות המוצר.מתאים את המתח על פני השטח עם קולונואידים מגן (למשל, פוליוויני אלכוהול) או גולשים איטוניים נותן את השליטה על גודל החלקיק הסופי.

תגובה על Kinetics ו- Selectivity

מתח פני השטח יכול לשנות את הקינטיקה לכאורה של תגובה. במערכות נוזליות-liquid, מגיבים לעתים קרובות החלוקה בין השלבים, והממשק עצמו עשוי לזרז תגובות מסוימות.לדוגמה, שיתוק בשלב זה מסתמכ על העברת תגובה לשלב ההפוך באמצעות זרז מתאים של גלימה-כמו זרז.המתח הבין-גזעי משפיע כמה מודעות אופוחיות בממשק, המשפיע על קצב התגובה של דלקת פני השטח (Ricase) אך ורקמת-a-a-rena-a-rezza) עם לחץ חיצוני עשוי להגביר את הפעילות הבין-מסוגית (Ricrena-מסוגרטית של חומר נפץ).

גם את הסלקטיביות ניתן להשפיע.בתגובה תחרותית שבו מסלול אחד מתרחש בעיקר בממשק ועוד בחלק הגדול, שינויים בגודל הנפתח או מתח בין-גזעי יכולים לשנות את חלוקת המוצר.דוגמה ידועה היא הכלור של בנזאן, שבו ממשק נוזלי-שקיד משפיע על היווצרות של מונוכרוזן מול dichlorenzenes.

שליטה על פני השטח 10sion בביצועים CSTR

תוצאות ובחירתם

השיטה הנפוצה ביותר לשינוי מתח פני השטח בכור היא הוספת גולשים. מולקולות אמפיפיליות אלה מודעות בממשקים, צמצום מתח בין-גזעי ושינוי התנהגות טיפות.בחירת הגולש הנכון דורש שיקול של המטען שלה (קטנטות כימיות, קביות, לא דתיות, זרוטיניות), ריכוז העכברים הקריטיים שלה (CMC), והיכולת שלה עם הפחתת הזיהומים הביולוגיים, אולי היא לעתים קרובות עם למערכות אלקטרוליטיות.

ריכוז מיוצר חייב להיות מותאם: מעט מדי נותן השפעה לא מספקת, בעוד יותר מדי יכול להוביל עכברים כי quester מגיבים או לגרום התגלמות לא רצויה כי מסבך את ההפרדה הזרם. עבור מוצרים בעלי ערך גבוה, העלות וההסרה של גולשים צריך גם להיות מופקד לתוך תהליך הכלכלה.

טמפרטורה, לחץ והזדקנות

מתח פני השטח יורד עם טמפרטורה מוגברת עבור רוב הנוזלים (מלבד כמה מתכות נוזליות) ב CSTR, העלאת הטמפרטורה בסוע קבוע יהיה נמוך יותר מתח פני השטח, קידום טיפות קטנות יותר ועברה המונית מהירה יותר. עם זאת, זה חייב להיות מאוזן נגד ההידרדרות תרמית של מגיבים או מוצרים.לחץ יש השפעה ישירה פחות על פני השטח אבל יכול להשפיע באופן משמעותי על מנת יתרת גזים, אשר בתורם תכונות בין-גזעיות עבור גזים, לחץ על פני השטח (למשל, לחץ על פני השטח מוגברת).

מהירות הזינוק היא השליטה המכנית העיקרית.המספר העליון מגביר את האנרגיה הסוערת, שובר טיפות ובועות בצורה יעילה יותר.אבל יש גבול: הרהר מוגזם יכול להוביל לשלב בסתירה (שם החלפת השלבים המתפזרים והמתמשכים), או להפחתה מוגזמת שקשה להפוך את ההתנגשות בין זעזוע למתח פני השטח נתפסה על ידי ה-LTF: 1.

תוספות: אלקטרוליטים ופולימרים

בנוסף לגולשים, תוספים אחרים יכולים לשנות את המתח על פני השטח.אלקטרוליטים (אלים) להגביר את המתח פני השטח של פתרונות אקוויאליים על ידי חיזוק רשת מימן-הקודד - תופעה המכונה FLT:0) אפקט ההמולה של שלב ההמולה של השלב הראשון עבור מערכות מים פחם, הוספת מלח יכולה להפחית את השפע של גולשים, להפחית את הפולימרים שלהם, כגון ייצוב של תרופות, או יותר, כמו גם נגד תרופות נגד תאים, כמו גם נגד תאים, או יותר, כמו גם על פני השטח.

המונחים: design Considerations

« בחירת רבי-הצדק וקונפדרציה

עבור רב-phase CSTRs, עיצוב לאלר חייב לאזן תערובת גדולה עם הצורך ליצור אזור בין-גזעי. מזהמים גבוהים-שזאר כמו טורבינות Rushton או יותר מאיצים זרימה מודרנית עם מהירויות גבוהות יותר הם יעילים עבור שבר טיפות בשלב מסוים ב קלטות חשמל בינוני.Forcous או מתחים בין-גזעיים גבוהים, שילוב של מתפזר גבוה- Shear ופיזור נמוך עשוי להיות גם כן יכול להיות מתאים של אזורי זרימה.

אתגרים בקנה מידה

(הדגשה על כמות גדולה של CSTR ממעבדה לייצור קשה לשמצה כי תופעות תלויות פני השטח אינן בקנה מידה ליניארי עם גודל טנק.שיעור הפיזור האנרגיה (ε) יורד עם נפח טנק גדל במהירות של טיפ מלוטש קבוע, המוביל לירידה גדולה יותר וירידה חדה יותר של רמות הפחתת משקל (Factup) הוא לעתים קרובות יותר ויותר כוח אדם אחד (אך LT) עם אפקט חד-פעמי (Factupal) הוא לעתים קרובות יותר ויותר יעיל יותר ויותר:

Baffling ו- Draft tubes

Baffles למנוע מערבולת ולהבטיח שילוב העליון-to- ⁇ טוב, אבל הם יכולים לשמש גם משטחים עבור צנרת פחמימה או שלב הדבקה.שינוי אסטרטגי של משטחים baffle (למשל, באמצעות ציפוי הידרופובי עבור מערכות חוצות שמן) יכול להפחית רטובה. צינורות Draft יכול לשמש כדי לבסס דפוס מבוקר כי מפיץ פיזור אחיד למנוע פיזור צינורות פחמן קרוב לקירות.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

ניטור בזמן אמת של מתח פני השטח ב CSTR פועל יכול לספק משוב יקר עבור בקרת תהליכים. שיטות מסורתיות דורשות הדגימה וניתוח מחוץ לקו, אשר איטי ולא יכול ללכוד תנאים transient.טכניקות מתפתחות כוללים FLT:0capillary לחץ יישמו שיטות גלאומטר 1 באמצעות בדיקות מיקרו-השפעה מוכנס ישירות לתוך הטנק, או שיטות אופטיות המבוססות על ניתוח צורה ממהירות גבוהה עבור בועות מהירות אופטימלית של 3F2, אפילו כדי לשמור על שיטות בקרה אופטית של לחץ דינמיות.

מחקרים ויישומים

אנזימים הידרוליזה של שמנים

בייצור חומצות שומן או ביודיוזל באמצעות הידרוליזה של triglycerides, ממשק שמן שמן שמן הוא אתר התגובה. מחקרים הראו כי הפחתת המתח בין-גזעי מ - 20 mN / m ל - 5 m / N / m באמצעות גלישה לא אחידה מגביר את קצב התגובה הראשוני על ידי יותר מ -400%, עם זאת, הגולש גם מעכב את הלחץ הבין-גזעי על ידי אופטימיזציה באיכות גבוהה יותר.

גז-ליקוויד הידרוגנס ב CSTR

מימן קטליטי של שמנים לא רוויים הוא תגובה קלאסית של גז-ליקול-סולידי כאן, מתח פני השטח משפיע על גודל בועה ואת הרטט של זרז מוצק.בדוגמה תעשייתית אחת, הוספת כמות של מעקב של סיליקון מבוסס סיליקון גולש הפחית את הבועה הממוצעת מ 3 מ"מ ל 0.8 מ"מ, הגדלת האזור הבין-גזעי על ידי יותר מעשר פעמים.

Emulsion Polymerization of Styrene

בתמצית פולימריזציה, טיפות מונומר (בדרך כלל 1-10 μm) מייצבים על ידי גולשים.מתח פני השטח של ממשק מים מונומר קובע את מספר החלקיקים שנוצרו ואת הצמיחה שלהם. גבוה מדי מתח פני השטח מוביל טיפות גדולות כי לא יכול לספוג מספיק רדיקלים, וכתוצאה מכך המרה נמוכה.מערכת המשפטB משמש כדי לבחור תערובת של קטרקט זה נותן את הניקור חוץ מטווח של 100 מנועים מודרניים ללא שימוש יעיל של חלקיקים.

מסקנה: Integrating Surface Tension into CSTR Design and Operation

מתח פני השטח הוא רחוק מפרטי פרטים קטנים בתגובות מרובות-phase CSTR; זה פרמטר מרכזי השולט בגודל הנפתח, אזור בין-גזעי, העברה המונית, וקנטינות התגובה. על ידי הבנת המנגנונים המולקולריים והמשחקים שלהם עם הידרודינמיקה, מהנדסים יכולים לשלוט באופן יזום מתח פני השטח באמצעות בחירת גלישה, התאמה טמפרטורה ואופטימיזציה של טמפרטורות מתקדמות מודלים בקנה מידה הם המאפשרים לשמור על תנאים בין-גזעיים גדולים אפילו כורים תעשייתיים גדולים.

ההתפתחויות העתידיות במיקרו-קלידיקים ובחישה בזמן אמת יאפשרו אפילו שליטה נוחה יותר, ומאפשרות ל- CSTR לבצע התאמה על-פני-הפנית עבור תוספי מזון שונים או דרישות מוצר.עבור עכשיו, ה- לוקח העיקרי הוא כי מתח פני השטח צריך להיות מטופל כמשתנה עיצוב - לא לאחר עבודה עם מערכות מרובות-phase. משלב מתחים פני השטח למודלים, סימולציות ואסטרטגיות אנרגיה חזקות, סימולציה של תהליכים, סימולציה, סימולציה, סימולציה, סימולציה סימולציה , סימולציה סימולציה סימולציה , סימולציה סימולציה , , סימולציה סימולציה סימולציה , , סימולציה סימולציה סימולציה , , סימולציה , , סימולציה , , , סימולציה של תהליכים יעיל , סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה , , , סימולציה סימולציה , , סימולציה , , סימולציה , סימולציה סימולציה סימולציה , סימולציה , , סימולציה של תהליכים יעיל סימולציה סימולציה סימולציה , לא סימולציה , , סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה , לא ,

(בקריאה נוספת, שקול לחקור את עקרונות המדע הבין-גזעי בספרי לימוד כגון:0.10.2011: סקירה של מתח פני השטח בהנדסה כימית הנדסת חשמל 1, או את ההנחיות המעשיות על בחירת גלישה מ-FLT:2 The Engineering ToolboxFLT 3: עבור אלה מעמיקים יותר, מאמר הביקורת "FLT:4" (Interfacial Phenomena in a Multiphasified Chemistry) מספק מחקר טכני מעולה ו-FLT5sified Engineering.