نقل الكتلة ومعدل التفاعل

يعد الفهم الأساسي لعملية الخلط أمرًا ضروريًا لتوسيع النطاق في التطور الكيميائي. الخلط هو تقليل عدم تجانس المراحل القابلة للامتزاج أو غير القابلة للامتزاج أو القضاء عليه. ويتمثل الهدف في تقليل درجات الحرارة أو تدرجات التركيز أو التخلص منها، أو لضمان التشتت الجيد لمراحل متعددة. ويعد الخلط الجيد مرغوبًا فيه لعدة أسباب، تشمل تشكيل التفاعلات الجانبية أو الناتج الثانوي، أو تحسين نقل الكتلة في أنظمة متعددة المراحل، أو ضمان نقل الحرارة بسرعة. وتتأثر كفاءة الخلط بنوع المادة المراد خلطها، وتصميم المحراك والمفاعل، ونظام الخلط، ولكنها تتأثر أيضًا بموضع أنبوب التغذية وظروف التشغيل. [كتاب Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]. تتطلب التفاعلات الكيميائية في خزان مزود بخفاق، حيث قد توجد الكواشف في أكثر من مرحلة واحدة (السائلة أو الغازية أو الصلبة)، اتصالاً بينيًا مكثفًا لتسهيل نقل الكتلة بشكل أمثل. قد يؤدي الخلط غير الصحيح أو الضعيف إلى انخفاض معدل التفاعل أو انخفاض الناتج أو ضعف الانتقائية أو زيادة تركيز الشوائب، مما يزيد من تكاليف التصنيع بشكل كبير. يمكن أن يتنافس نقل الكتلة والخواص الحركية ويساهما في معدل التفاعل الكلي. يتطلب تحسين وتطوير العملية أن يكون تأثير الخلط على معدل التفاعل كميًا. يجب تشغيل المفاعلات المخبرية في ظروف تسمح بتوصيف عملية هادفة وتوسيع نطاقها.

كثيرًا ما يكون تطوير عملية كيميائية وتوسيع نطاقها أمرًا صعبًا. ومن الصعب مطابقة الأداء والخلط بين المفاعلات الصغيرة والكبيرة عند الاعتماد فقط على القياسات الميكانيكية مثل معدل التحريض والهندسة وتصميم المحرض. وهناك نهج أكثر اتساقًا لدراسة ديناميات العملية في المفاعلات الصغيرة، ويتمثل في قياس معامل نقل الكتلة مباشرة في نظام التفاعل الفعلي. ويمكن تشغيل التجارب الآلية الخاضعة للتحكم بالتوازي في نظام مفاعلات مخبرية لإنشاء ارتباط نقل الكتلة، وتوفير وسيلة لضبط منطقة واجهة الغاز/السائل وحجم المفاعل بسرعة، وتحقيق الظروف المطلوبة لتوسيع نطاق عملية أو تضييقه. 

في الأنظمة متعددة المراحل، يعد نقل الكتلة بين المراحل هو المفتاح لأداء توسيع النطاق والمفاعل، وتعد الطاقة الميكانيكية المنقولة بفعل التفاعل الدافع من خلال السائل أمرًا بالغ الأهمية. فهي تؤثر على درجة تشتت المراحل المختلفة وما يقابلها من نقل الكتلة بينها. في عملية المرحلة السائلة الأحادية، التي قد يؤدي فيها التفاعل السريع إلى إنتاج منافسة بين تشكيل الناتج والناتج الثانوي، يمكن أن يؤثر مستوى اضطراب السائل على الانتقائية وناتج العملية الكيميائية الشاملة.

وفي هذه الأنظمة، تفرض القدرة الميكانيكية لكل وحدة حجم مستوى الاضطراب، وأداء العملية. في دفاع محدد وهندسة مفاعل خزان مزود بخفاق محددة، يمكن الحصول على منحنى أداء الدفاع العام. ويؤدي هذا إلى تمييز قوة الدفاع المطبقة على المرحلة السائلة.

إن منحنيات أداء الطاقة النموذجية (رقم رينولدز (Re) مقابل عدد القدرة (Np)، كما هو موضح على الجانب الأيمن) مستقلة عن حجم المفاعل، وهي بالتالي تسهل توسيع النطاق وتوصيف النظام. يشير رقم رينولدز عديم الحدود إلى ما إذا كان سائل المفاعل يتدفق في نظام صفائحي أو اضطرابي. فهو يمثل نسبة قوى القصور الذاتي (قوى الدفاع على السائل)، مقارنة بقوى اللزوجة المتأصلة في سائل العملية. عندما تهيمن قوى اللزوجة ويكون Re < 10، ثم يتم التحكم في تدفق السائل بواسطة لزوجة السائل، ويكون نمط التدفق هو الصفائحي. عندما تكون قوى الدفاع هي المهيمنة ويكون Re> 2,000-10,000، فإن تدفق السائل يكون مستقلاً عن اللزوجة ومتناسبًا مع الكثافة، وبالتالي يكون اضطرابيًا. وتتوقف نقطة التحول الدقيقة في النظام الاضطرابي على هندسة المفاعل، ووجود "اضطراب" يدعم العناصر في المفاعل، مثل العوارض. توفر المفاعلات المخبرية وسائل سريعة لاختبار كل إعداد من السوائل ودفاع المفاعل. 

في مثال من الندوة عبر الويب، أهمية الخلط، تحسن Ray Machado PhD وrm2 Technologies LLC وAir Products and Chemicals عملية الخلط للحصول على تفاعلات سريعة في مفاعل تخليق أوتوماتيكي. باستخدام تفاعل S₂O₃^-2 وI₂ في وجود مادة النشا، يوضح تأثير الخلط على توزيع الكاشف من خلال إظهار مكان حدوث التفاعلات الكيميائية السريعة مع تفاعلات الناتج الثانوي التنافسية. في هذا الفيديو، يكون الزفيف الأسود هو الناتج الثانوي لتفاعل اليود مع النشا. ومع ذلك، فعند تفاعل مركب النشا واليود مع محلول ثيوسلفات، فإن ذلك يتضح مرة أخرى. يؤثر الخلط ومعدل التغذية وموقع التغذية على معدل التفاعل الأساسي. فكلما كان أنبوب التغذية أقرب إلى الدفاع، أو كلما زادت سرعة التحريك، انخفض معدل تشكيل الناتج الثانوي. وعلى النقيض، عند زيادة سرعة التحريك، تقل كمية الناتج الثانوي بسرعة.

إن عملية المعدل الأساسي والأكثر أهمية التي يجب أن توصف عند إجراء أي تفاعل غاز-سائل هي نقل كتلة الغاز إلى مرحلة التفاعل السائل. تختص إستراتيجية توسيع النطاق بمطابقة معاملات نقل الكتلة، kla، من الأحجام الصغيرة إلى الكبيرة، بدلاً من محاولة مطابقة الهندسة أو معدلات التحريض أو غيرها من خصائص الخلط. يلخص المستند، أساسيات نقل الكتلة والخواص الحركية لهدرجة النيتروبنزين إلى الأنيلين،خطوات حساب معامل نقل الكتلة، وتحذيرات الحث حول المعلومات المضللة في دراسات التحريض في الهدرجة الحفازة. 

في الندوة عبر الويب، أهمية الخلط: مقارنة المختبر والنطاق الكبير، يناقش Ray Machado تأثير الخلط على الخواص الحركية ونقل الحرارة والديناميكا الحرارية ونقل الكتلة بين المراحل وتحسين خلط المواد الصلبة أو الغازات. ويمكن أن يؤثر الخلط على الناتج والانتقائية وتشكيل الناتج الثانوي. فهو يقدم المشورة بشأن كيفية قياس العوامل الأساسية وحسابها لتوسيع النطاق.

تمد محطات عمل تطوير العملية والتحديث العلماء بالقدرة على دراسة الخلط ونقل الكتلة وتحسينهما بشكل فوري. يمكن أتمتة التحكم في الخلط وبرمجته مسبقًا، لذلك يمكن تنفيذ التجارب بأمان مع تسجيل جميع عوامل التفاعل، على مدار 24 ساعة في اليوم. بفضل القياس والتحكم اللذين يتسمان بالأمان والدقة العالية والصحة، ينخفض عدد التجارب المطلوبة إلى حد كبير، مما يجعل عملية توسيع النطاق تتسم بالكفاءة.

• نقل الحرارة وتوسيع النطاق
• تأثير الخلط على التبلور
• الخواص الحركية للتفاعل الكيميائي

درس David Ford من شركة Nalas Engineering، تفاعل نترجة تأكسدية مع خطوة أكسدة سريعة وطاردة للحرارة بدرجة كبيرة، وذلك باستخدام التفاعل الكالوريمتري والتقنية التحليلية. تم تطوير التفاعل في البداية كعملية دفعية، ولكن لمعالجة الخلط، والناتج، ونقل الحرارة، تم تطوير عملية مستمرة باستخدام مفاعلات التدفق في سلسلة مكونة من اثنين من مفاعلات الخزان المزود بخفاق (CSTR).