Lankide:Yeraywiki/Erreaktore etena

Erreaktore etena.

Erreaktore etena, Batch erreaktore ere deitua, industria-prozesuetan erabiltzen den edozein edukiontzi motaren adierazpen generikoa da . Erreaktore hauek prozesu-eragiketa sorta konkretuetarako erabiltzen dira, hala nola solidoak diluitzeko, produktuen nahasketarako, erreakzio kimikoetarako, destilazio etenetarako, kristalizaziorako, likido-likido nahasketen erauzketarako eta polimerizaziorako. Zenbait kasutan, prozesu hauek ez dira erreaktore gisa definitzen, haien funtzioa adierazten duten izenekin baizik, esaterako, kristalizatzaile edo bioerreaktoreak.

Ohiko erreaktore eten bat, irabiagailu bat eta hozte-berotze sistema integrala duen biltegiratzeko tanga bat da. Ontzi hauen edukiera oso aldakorra da, litro bat eta 15.000 litro artean dagoena. Normalean, altzairua, altzairu herdoilgaitza, beira edo aleazio exotikoak erabiltzen dira erreaktore hauek fabrikatzeko .

Batch erreaktoreen funtzionamendua ondorengoa da: lehenik, erreaktibo solido eta likidoak erreaktorearen goiko estalkitik elikatzen dira. Lurrunak eta gasak, aldiz, goiko estalkian eraikitzen diren konexio batzuen bidez irabiatzen dira eta erreakzionatzen uzten da. Azkenik, erreakzioa gertatu ostean, produktuak erreaktorearen hondotik deskargatzen dira.

Aldakortasunari dagokionez, gainerako erreaktoreekin alderatuz, Batch erreaktoreek abantaila gehiago dituzte. Izan ere, ingurugirora hondakinik kanporatu gabe erreakzio-sekuentziak egiteko gai dira. Azken hau, bereziki erabilgarria da konposatu toxikoak edo oso indartsuak prozesatzerakoan.

Irabiatzea

Irabiagailuak erreaktoreen goiko aldean transmisio-ardatz baten bidez muntatzen dira normalean. Erabiltzen diren helizeen diseinu posibleak asko dira, baina ohikoena da helizeek erreaktorearen diametroaren bi heren estaltzea. Produktu likatsuak erabiltzen direnean, aingura formako paletak erabiltzen dira, leku txikia izateko helizeen eta edukiontziko hormen artean.

Erreaktore eten gehienetan deflektoreak ere erabiltzen dira, irabiagailuaren ondorioz sortutako fluxua murrizteko. Deflektoreak erreaktorearen estalkian finkatuta edo alboko barruko hormetan muntatuta egon daitezke.

Helize eta deflektoreen diseinua kontuan hartzeko parametro garrantzitsuenetariko bat da, erreaktoreak kontsumitutako energia-kantitatean eragin handia duelako. Erreaktore handietan, litro bakoitzeko gehienez bost watteko potentzia-karga kontsumitzea gomendatzen da, erreakzioa errentagarria izateko. Gainera, irabiaketa-ardatzen gainean eragindako karga altuek arazoak sor ditzakete ardatzaren egonkortasunean. Nahastea parametro kritikoa den kasuetan, erreaktore etenak ez dira irtenbiderik onena, horregatik kasu hauetan beste erreaktore batzuk erabiltzea gomendatzen da. Nahaste-tasa handiagoak lortzeko, abiadura handiko irabiagailuak, nahasgailu ultrasonikoak edo nahasgailu estatikoak erabil daitezke, baina hauen kostua askoz altuagoa da, irabiagailu sinpleekin alderatuz.

Berotze eta hozte sistemak

Erreaktore barnean gertatzen diren erreakzioak exotermikoak ala endotermikoak izan daitezke eta izaera horren arabera, beroa askatu edo xurgatu egingo dute erreaktorearen tenperatura aldatuz. Gainera, bildutako likidoak mugitzeak ere beroa sortzen du. Erreaktorea nahi den tenperaturan mantentzeko, beroa transferitu behar da atorren edo hozte-hodien bidez. Beroa transferitzeko fluidoak atorratik edo bobinetatik pasatzen dira beroa gehitzeko edo kentzeko.

Industria kimiko eta farmazeutikoak nahiago du kanpoko hozte-atorrak erabiltzea, edukiontzien garbiketa errazten dutelako. Atorren errendimendu termikoa hiru parametroren bidez zehaz daiteke:

• Tenperatura aldatzeko erantzun-denbora.
• Tenperaturaren uniformetasuna.
• Tenperaturaren egonkortasuna.

Tamaina handiko erreaktoreek kanpo-atorrekin beroa transferitzeko arazoak izan ohi dituzte, hauen diseinua nahiko zaila baita. Nahiko arraroa izaten da litroko 100 watt baino gehiagoko hozte-ahalmena duten Batch-erreaktoreak aurkitzea.  Erreaktore jarraiek, ordea, litroko 10.000 wattetik gora hozteko gaitasuna izan dezakete. Bero-karga handiak behar dituzten prozesuetarako, erreaktore etenak baino erreaktore askoz eraginkorragoak existitzen dira.

Kristalizazio-prozesuetarako edo tenperaturarekiko oso sentikorrak diren erreakzioetarako, oso garrantzitsua da atorrek modu azkar eta uniformean funtzionatzea. Erreaktore etenen kasuan, hainbat atorra mota existitzen dira:

Kanpoko atorra

Kanpoko atorra duen erreaktore etena.

Kanpo-atorrek erreaktorearen kanpo-gainazala edo ingurumenarekin kontaktuan dagoen gainazala inguratzen dute. Atorraren barnealdera, bero-trukaketa burutzeko gai den jariakin bat abiadura handian injektatzen da piten bidez. Atorrari esker, erreaktore barneko tenperatura erregula daiteke bero-transferentziari esker.

Kanpo-atorra erreaktoreetan erabiltzen den hozte-berotze sistema zaharrena da. Asko erabili den diseinua izan arren, zenbait eragozpen ditu beste atorrekin alderatuta. Erreaktore handiek denbora-tarte bat behar dute barne-jariakinaren tenperatura doitzeko. Horren ondorioz, tenperaturaren kontrola geldoa, atzeratua eta irregularra izaten da hasieran. Gainera, tenperatura ezberdina izaten da alboko hormen eta edukiontziaren hondoaren artean, horregatik, beroaren transferentzia ez da uniformea izaten. Kontuan hartu beharreko beste parametro bat jariakinaren sarrerako tenperatura da, oso aldakorra delako eta horrek atorraren sarreran puntu beroak edo hotzak eragiten dituelako.

Bobina erdiko atorra

Bobina erdiko atorra duen erreaktore etena.

Bobina erdiko atorra hodi erdia edukiontziaren kanpoaldean soldatuz egiten da, fluxu erdizirkularreko kanal bat sortzeko. Beroa transferitzeko jariakina kanaletik pasatzen da pistoi-fluxu baten moduan. Erreaktore handiek hainbat bobina erabiltzen dituzte normalean, bero-transferentzia hobetzeko. Ohiko atorretan bezala, tenperatura erregulatu egiten da, berotzea edo hoztea kontrolatzeko.

Bobina erdiko atorraren pistoi-fluxuak beroaren transferentzia-fluxua azkarrago mugitzeko aukera ematen du. Horrela, tenperatura hobeto kontrola daiteke. Diseinu honi esker, ator barneko jariakina ondo banatzen da, pareten eta edukiontziaren hondoaren artean sor daitezkeen hozte-uniformetasunak eragindako arazoak saihestuz. Ohiko atorretan bezala, tenperatura kontrolatzeko balbularen eraginez, jariakinen sarrerako tenperaturak oszilazio handiak jasan ditzakete.

Fluxu konstanteko atorra

Fluxu konstanteko hozte-atorra duen erreaktore etena.

Fluxu konstanteko atorra duela gutxi asmatu zen. Ator mota hau, hainbat ator txikiz osatuta dago (normalean 20 edo gehiagoz). Tenperatura kontrolatzeko balbulak atorren arteko kanalak irekitzen eta ixten ditu, beroaren kontrola eta sakabanaketa hobetuz. Beroa transferitzeko eremua aldatzen denez, prozesuaren tenperatura erregula daiteke, atorraren tenperatura aldatu gabe.

Fluxu konstanteko atorrek, fluxu-kanalen distantzia laburragatik eta beroa transferitzeko fluidoen abiadura handiagatik, tenperatura kontrolatzeko oso erantzun azkarra dute (normalean, bost segundo baino gutxiago). Bobina erdiko atorran bezala, bero-fluxua uniformea da. Aurreko diseinuetan ez bezala, ez da sarrera-tenperaturaren oszilaziorik gertatzen, atorrak tenperatura konstantean lan egiten duelako.

Ator-diseinu honetan, beroa modu zehatzean neur daiteke. Honi esker, erreakzio-tasa monitoriza daiteke, erreakzioaren azken puntuak detektatzeko, erreaktiboak gehitzeko tasak kontrolatzeko, kristalizazioa kontrolatzeko, etab.

Dimentsionamendua

Erreaktore jarraietan ez bezala, erreaktore etenen tamaina ez da erreakzio-denbora bezain garrantzitsua. Horregatik, erreaktore etena diseinatzean, egoitza-denbora zehaztu behar den parametrorik garrantzitsuena da.

Hurrengo erreakzioa kontuan hartzen badugu:

A → B

Beste erreaktoreetan bezala, materiaren balantzea honako hau da:

${\rm {Metatua=Sarrera-Irteera-Kontsumitua}}$

Erreaktore etenetan erreaktiboen sarrera eta produktuen irteerarik ez dagoenez, formula honela geratzen da:

$Metatua=-Kontsumitua$

beraz,

${\frac {dN_{A}}{dt}}=-(-r_{A})V$

$N_{A}$ erreaktorearen barnean dagoen A erreaktiboaren mol kopurua, t erreakzio denbora, $r_{A}$ A-ren erreakzio abiadura eta V erreakzio bolumena izakin.

A-ren konbertsio molarra honela defini daiteke:

$X_{A}={\frac {N_{A0}-N_{A}}{N_{A0}}}$

$N_{A}$ isolatuz eta ${\frac {dN_{A}}{dt}}$ ordezkatuz, hurrengo ekuazioa lortzen da

${\frac {d[N_{A0}(1-X_{A})]}{dt}}=-(-r_{A})V\rightarrow N_{A0}{\frac {dX_{A}}{dt}}=(-r_{A})V$

non $N_{A0}$ A-ren hasierako mol kopurua den. Ekuazioa integratuz hau lortzen da:

$t=N_{A0}\int _{0}^{X}{\frac {dX_{A}}{(-r_{A})V}}$

Ekuazioak erreaktore eten ideal batean, egoitza-denbora zehazten du.

Dentsitate-aldaketa esanguratsurik ez dagoen egoeretan ($V=V_{0}$), egoitza-denboraren ekuazioa aldatu egiten da:

$t={\frac {N_{A0}}{V_{0}}}\int _{0}^{X}{\frac {dX_{A}}{-r_{A}}}\rightarrow t=C_{A0}\int _{0}^{X}{\frac {dX_{A}}{-r_{A}}}$

$C_{A0}$ (A erreaktiboaren hasierako kontzentrazioa), $X_{A}$-rekin (A-ren frakzio molarra) erlazionatu daiteke, hurrengo ekuazioaren bidez:

$C_{A}=C_{A0}*(1-X_{A})$

Erreakzio-bolumenaren dentsitatea nabarmen aldatzen denean, honela definitzen da $V$

$V=V_{0}(1+\varepsilon _{A}X_{A})$

Bertan, $V_{0}$ hasierako erreakzio-bolumena da eta $\varepsilon _{A}$ erreakzioaren hasieraren eta neurtzen den puntuaren arteko bolumen-aldaketa adierazten dituen terminoa. $\varepsilon _{A}$-k balio positiboak zein negatiboak izan ditzake. V egoitza-denboraren ekuazioan ordezkatuta, honako ekuazioa lortzen da:

$t=N_{A0}\int _{0}^{X}{\frac {dX_{A}}{(-r_{A})V_{0}(1+\varepsilon _{A}X_{A})}}\rightarrow t=C_{A0}\int _{0}^{X}{\frac {dX_{A}}{(-r_{A})(1+\varepsilon _{A}X_{A})}}$

Erabilerak

Erreaktore etenak sarritan prozesu industrialetan erabiltzen dira. Laborategietan ere hainbat aplikazio dituzte: materiala eskala txikian ekoiztea, esaterako. Erreaktore hauek sendagaien ekoizpenean ere erabiltzen dira. Esperimentuetan erreakzioen zinetika eta termodinamika zehazteko erabiltzen dira. Hondakin-uren tratamenduan ere asko erabiltzen dira, tratatu gabeko ibaiadarretako oxigeno-eskari biologikoa modu eraginkorrean murrizten baitute.

Ikus gainera

• Erreaktore jarraitua
• Erreaktore kimikoa

Bibliografia

• Perry, Robert; Green, Dow. W. (2007). Perry's Chemical Engineers' Handbook (8 edición). McGraw-Hill. ISBN 0-07-142294-3. 
• Levenspiel, Octave (1998). Chemical Reaction Engineering (3 edición). Wiley. ISBN 0-471-25424-X. 
• Fogler, H. Scott (2016). Elements of Chemical Reaction Engineering (5 edición). Prentice Hall. ISBN 0133887510.