Giriş: Multi-Phase CSTR Reactions'te Yüzey Gerilme

Sürekli karıştırılmış tank reaktörleri (CSTR) kimyasal endüstrinin iş arkadaşlarıdır, bu aşamalar arasındaki geniş bir işlem için kullanılan iyi kimyasallardan petrokimya ve farmasötiklere kadar. Bu arayüzleri yöneten mallar genellikle iki veya daha fazla taklit edici, sıvı-liquid, gaz-liquid, hatta sıvı-solid-gas sistemleri gibi - sonuçta tepki veren bir faktör haline gelir.

Çok fazlı CSTR'de, arayüzin fiziksel özellikleri, aşamaların birbiriyle nasıl iyi bağlantı kurabileceğini belirler. Yüksek yüzey gerilimi, kırılmaya direnen büyük, istikrarlı bir düşüşe yol açabilir, interfacial alanı azaltır ve yavaş yavaşlayın. Tersine, düşük yüzey gerilimi iyi bir düşüş ve hızlı equilibrasyonu teşvik eder, ancak aynı zamanda istenmeyen kömür veya fazı da bu dinamikleri en iyi performans için reaktör tasarımını ve işletim koşullarını düzeltmeye olanak sağlar.

Bu makale, sabit bir mülk olarak yüzey gerilimi etkilerini kapsamlı bir inceleme sağlar.Bu makale, temel ilkeleri kapsar, reaksiyon parametreleri, kontrol stratejileri ve pratik tasarım göz önünde bulundurun. Hedef, kimyasal mühendislere ve süreç geliştiricilerine sabit bir mülk olarak yüzey geriliminden faydalanması gereken öngörüleri vermektir.

Yüzey Gerilmelerinin Temelleri

Moleküler Origins ve Ölçme

Yüzey gerilimi, bir faz arayüzünde intermolecular kuvvetlerin dengesizliğinden ortaya çıkar. Sonuç, tüm yönlerde aynı derecede çekici bir şekilde ölçülebilen bir sıvı deneyimin miktarında bir miktar gibi bir gerginlik yaratır.Bu, yüzey deneyimini en aza indirmek için sıvıları azaltır.

Yüzey gerilimi ölçme yöntemleri, Wilhelmy plakasını, du Noüy ringini, pendant drop oniometriyi ve balon baskı tekniklerini içerir.Çok-faz reaksiyonları için dinamik yüzey gerilimi - en yüksek basınç yöntemi gibi değer değişiklikleri - genellikle CSTR benzeri koşullar altında karakterizasyon sistemleri için değerlidir.

Anahtar Parametreleri: Interfacial Ger, İletişim

Yüzey gerilimi sıvı hava arayüzüne atıfta bulunurken, dışsal gerilimin uzunluğu ve kömürsel davranışı belirler. Örneğin, yüksek interfacial gerginlik (Dönetici gerilimi ile) daha istikrarlı bir özelliktir.

[FONT=0] Tematik açı[[Dönetici:0)[[Dönetici:0)))[Döneticiler, diğer fazın varlığında sağlam bir yüzeyde nasıl bir düşüşe yol açabileceğimizi açıklar. Düşük iletişim açısına sahip CSTR'lerde, katı katalizörler veya baffles ile, tepkilerin nerede gerçekleştiği ve nasıl tepki verdiğine dair özellikler.

Diğer Fiziksel Özelliklerle Interplay

Yüzey gerilimi izolasyonda hareket etmiyor.Vizyonlar ile etkileşime girer (gözlülük ve kömürlülüğün) yoğunluğu (kömürülme fazı ayrımı), yüzeysel bileşiklerin varlığı ve kümesülen tanklarda, yırtıcı güçler, kırıklıkların kırılması için yüzey geriliminin aşılması gerekir. Weber numarası (We = ⁇ N2 D3 / ⁇ ) bu dengeyi yakalayan bir boyutsız gruptur: yüksek Weber numaraları, yüksek teknolojide yüksek gerilime hükmedüğünü gösteriyor.

Multi-Phase CSTR Performansı Üzerine Yüzey Gerilme Etkisi

Droplet Boyutu ve Interfacial Alan

Yüzey geriliminin sıvı-liquid CSTR'deki en acil etkisi, kolmogorov-Hinze teorisi tarafından yaklaşık olarak ikiye ayrılır: Rebülanslar, yüzey geriliminin geri yükleme kuvvetlerini aşdığında kırılır.

[0]-max ⁇ ( ⁇ / ⁇ c) ^ ((43)[0]

⁇ 'nin interfacial gerginlik olduğu yerde, ⁇ c sürekli-fay yoğunluğudur ve ⁇ , bu doğrudan düşük kota hızlarda, yüzey geriliminde azalmanın yaklaşık 0.66'da bir azalmaya yol açtığını gösterir.

Mühendisler bu prensibi sörfçü konsantrasyon veya sıcaklık ayarlayarak azaltılabilir. Örneğin, aromatik bileşiklerin nitrata (bir klasik sıvı-liquid reaksiyona) katın miktarını ekleyerek, ~1 mm'den ~100 μm'ye kadar azaltılabilir ve reaksiyon süresini önemli ölçüde azaltır.

Mass Transfer Geliştirme

Multi-faz tepkileri genellikle reaktif kütle transferine bağlıdır. Bir parçalı tankta kütle transfer katsayısı (k L) daha yüksek bir şekilde yönlendirilir, ancak k L'yi artırabilir. ancak çok küçük damlacıklar yüzeysel olmayan boşluklar varsa sertleştirilebilir.

Gaz-liquid sistemleri için, yüzey gerilimi balon boyutunu yönetir. Low yüzey gerilimi daha büyük interfacial alanı ile daha küçük balonları teşvik eder, ancak ayrıca sürüklenme oranları nedeniyle balon artış hız artırır - daha küçük balonlar zarar verici hücrelerin riskine rağmen.

Emulsion Stability and Coalescence

Birçok CSTR sürecinde, istikrarlı bir emulsion yüksek interfacial alanı korumak için arzu edilir. Yüzey gerilimi iki rol oynar: düşük yüzey gerilimi ve küçük damlacıkların oluşumu teşvik ederken, aynı zamanda kömürleşme verimliliğini stabilize eden bir bariyer yaratır.

Örneğin, süspansiyon veya emulsion polimerizasyon yoluyla polimerlerin üretiminde, kontrol damlais stabilitesi kritiktir. Çok fazla kömürlülük büyük, kontrol edilmemiş partiküllere yol açar; çok az ürün kurtarma için uygun faz ayırmasını engelleyebilir.)[tr|effiyonelleştirici sistemlerle yüzey gerilimi ayarlaması genellikle uygun şekilde kullanılır.

Reaksiyon Kinetics ve Seçici

Yüzey gerilimi, bir reaksiyonun belirgin kinetiğini değiştirebilir. Sıvı-liquid sistemlerde, sık sık sık sık fazlar arasındaki tepkileri etkiler ve arayüzin kendisi, enzim-katalyzed reaksiyonları (örneğin, kataliz) ile ters bir faza bağlıdır, çünkü interfacial gerilimler, yağ bazlı basıncın içindeki reaksiyon reaksiyon reaksiyonlarını etkiler.

Seçicilik de etkilenebilir. Bir yol kenarındaki rekabetçi tepkiler, yüzeysel veya geçici gerginlikteki değişiklikler ürün dağıtımını değiştirebilir. İyi bilinen bir örnek, sıvı-liquid arayüzünün oluşumuna neden olan monokobenne'nin dikobenzenlere karşı etkileridir.

CSTR Operasyonlarında Yüzey Gerilme

Surfactants ve onların seçim

Bir reaktörde yüzey gerilimi değiştirmek için en yaygın yöntem, sörfçüleri ekliyor. Bu amphilic molekülleri arayüzlerde reklamverenb, interfacial gerginlikleri azaltmak ve damlacık davranışını değiştirmek. Doğru sörfçü seçmek (anonik, katonik, nonploptik olmayan, zwitter), eleştirel farelersel konsantrasyon (CMC) ve reaksiyon kimyası ile uyumluluk.

Surfactant konsantrasyon optimize edilmelidir: çok az yetersiz etki verir, çok fazla sayıda sequester tepki veren veya istenmeyen emulsification that complicates downstream ayrılık.For high-value products, the cost and remove of surfactants also need to be faktöred into the process economic.

Sıcaklık, Baskı ve Agitation

Yüzey gerilimi, çoğu sıvı için artan sıcaklıkla azalır (bazı sıvı metaller hariç) CSTR'de, sürekli agATlardaki sıcaklık azalır, daha küçük damlacıklar ve daha hızlı toplu transferler teşvik eder. Ancak, bu, gazın yüzeysel bozulmasına karşı dengeli olmalıdır.

Agitation hızı birincil mekanik kontroldür. Yüksek impeller hızları, türbülanslı enerjiyi arttırır, kırışıklıkları ve balonları daha etkili bir şekilde arttırırlar, ancak sınır vardır: aşırı hear geri dönüşüm (toplantı ve sürekli faz değişimi) veya aşırı gerginlik ölçümlerine göre çalışır.

Katkılar: Elektrolytes ve Polimerler

Yüzey gerilimini artırmak için diğer katkı maddeleri yüzey gerilimini değiştirebilir. Elektrolytes (salts), yüzeysel çözümlerin hidrojen-bond ağı güçlendirerek yüzeysel çözümlerin yüzeysel gerginliklerini artırabilir - a fenomen olarak bilinen alginç etkisi).

Reaktör Tasarım Tahminleri

Impeller Selection ve Yapılandırma

Multi-faze CSTR'ler için, önbellek tasarımı, yüksek seviyeli bir alan oluşturmak için kafa karıştırmalıdır. Yüksek provaktör veya daha modern yel-kansız geçiş kovalamaları gibi yüksek uçlu hızlarda kırılabilir ve kömürlü vizüs sistemleri veya yüksek interfacial gerilimler meydana gelebilecek yüksek tavanlar için seçilmelidir.

Scale-Up Challenges

Laboratuardan üretime çok fazla fazlı CSTR'yi genişletmek zor çünkü yüzey gerilimine bağlı fenomenler tank büyüklüğüne göre doğrusal değildir. Enerji dağıtım oranı ( ⁇ ) sürekli olarak sert bir şekilde azalır, daha büyük damlacıklara yol açar ve kütle transferine yol açar.Aynı interfacial alanı korumak için, daha büyük tanklar genellikle yüksek çözünürlükte bir boyuta sahiptir, ki bu dinamik sınırları aşabilir veya aşırı derecede yüksek çözünürlükte aşırı derecede yüksek oranda azalır.

Baffling ve Taslafı

Baffles, vortexing'i önler ve iyi üst düzey-düşük sistemler için iyi bir karışım sağlar, ancak aynı zamanda, kömürün veya faz dağıtımını teşvik eden kontrollü bir dolaşım modeli oluşturabilirler.Sabalık yüzeylerin stratejik modifikasyonu (örneğin, hidrofobik kaplamaları kullanarak) tank duvarlarının yakınında.

Yüzey Gerilmeleri

Yüzey geriliminin bir işletim CSTR'de gerçek zamanlı izleme, işlem kontrolü için değerli geri bildirimler sağlayabilir. Geleneksel yöntemler örnekleme ve doğrusal analiz gerektirir, bu yavaştır ve geçici koşullar yakalamayabilir. Gelişen teknikler arasında [[Dönem:0)kapillary basınç yöntemleri[Döneticileri doğrudan tanka eklenmiş veya optik yöntemler yüksek hızda yapılan bir geometri ölçümlerine dayanan bir frekansla uygulanabilir.

Vaka Çalışmaları ve Uygulamaları

Yağların Enzymatik Hidrolysis

Yağ asitlerin veya biyodiesel'in dudakase-catalyzed hidrolysis of triglycerides, petrol-su arayüzü, enzimleri daha yüksek konsantrasyonlarda engellemeye ihtiyaç duyduğunu göstermiştir. -20 mN /m için geçici bir geçici gerginlik kullanarak, geri bildirim kontrolüne giden ilk tepki oranını% 400'den fazla artırdı.

Gaz-Liquid Hidrojenation in a CSTR

Doymamış yağların Catalytic hidrojenasyonu klasik bir gaz-liquid-solid reaksiyonudur. İşte, yüzey gerilimi kabarcık büyüklüğü ve sağlam katalizör kullanımı göz önüne alındığında, silikon bazlı sörfçülerin ortalama balon çapını 3 mm'ye kadar azaltan bir miktarını kullanarak, gaz-li interfacial alanını on kata kadar artırmasına izin verdi.Bu, tepki zamanında% 30 azaltımı ve gelişmiş katalizör kullanımında% 30 azaltımı sağladı.

Styrene'nin Emülsion Polimerizasyonu

Emülsion polimerizasyonda, monomer damlacıklar (tipik olarak 1-10 μm) sörfçüler tarafından stabilize edilir. Monomer-water arayüzünün yüzey gerilimi, oluşturulan ve büyümelerini belirler. Çok yüksek bir yüzey gerilimi, düşük dönüşümde yeterince radikalleri absorbe edemez. HLB sistemi, istenen damlacıkları engellemeden istenen damlazlık stabilitesini seçmek için kullanılır.

Sonuç: Yüzey Gerçeği CSTR Tasarım ve Operasyona Bütünleme

Yüzey gerilimi çok fazlı CSTR reaksiyonlarında küçük bir detaydan uzaktır; bu, yüzeysel olmayan bir parametredir, kütle transferi ve reaksiyon kinetiği. Moleküler mekanizmaları ve onların hidrodinamik ile etkileşim, mühendisler yüzey gerilimini aktif bir şekilde kontrol edebilir, sıcaklık ayarlaması ve agitation optimizasyonu. Gelişmiş ölçüm teknikleri ve ölçeklendirme modelleri, büyük endüstriyel reaktörlerde bile optimal içebilir.

Mikrofluidics ve gerçek zamanlı algılamadaki gelecek gelişmeler muhtemelen iyi kontrol sağlar, CSTR operasyonlarının farklı yemler veya ürün gereksinimleri için ayarlanmasına izin verir. Şimdilik, anahtar çekme, yüzey geriliminin bir tasarım değişkeni olarak tedavi edilmesi gerekir - çok fazlı sistemlerle çalışırken.

Daha fazla okuma için, ders kitaplarının ilkelerini inceler:0) FenDirect'un kimyasal mühendislikte yüzey gerilimine genel bakışı) veya Endüstriyel ve Mühendislik Kimyası Araştırması)Mühendislik Aracıbox).