Массоперенос и скорость реакции

Понимание принципов перемешивания имеет важное значение для масштабирования в разработке химической технологии. Перемешивание представляет собой процесс уменьшения или устранения неоднородности фаз, которые могут быть смешивающимися или несмешивающимися. Целью является снижение или устранение градиентов температуры или концентрации, а также обеспечение хорошей дисперсии многокомпонентных фаз. Хорошее перемешивание желательно по нескольким причинам: оно влияет на побочные реакции или образование побочных продуктов, улучшение массопереноса в многофазных системах или обеспечение интенсивной теплопередачи. Эффективность перемешивания зависит от типа перемешиваемого материала, конструкции мешалки и реактора, режима перемешивания, а также от положения подающей трубки и условий эксплуатации (см. «Справочник по процессам перемешивания в промышленности, наука и практика» [Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley, 2004]). Химические реакции в реакторе с мешалкой, где реагенты могут присутствовать в разных фазах (жидкой, газообразной или твердой), требуют интенсивного межфазного взаимодействия для обеспечения оптимальных условий массопереноса. Плохое перемешивание может привести к низкой скорости реакции, низкому выходу продукта, плохой селективности или повышенной концентрации примесей, что значительно увеличивает себестоимость производства. Массоперенос и кинетика могут как замедлять, так и увеличивать общую скорость реакции. Масштабирование и оптимизация технологического процесса требуют количественной оценки воздействия перемешивания на скорость реакции. Лабораторные реакторы должны работать в условиях, обеспечивающих глубокое исследование и масштабирование процесса.

Разработка и масштабирование химического процесса часто представляют сложности. Согласование параметров работы, включая перемешивание, между малыми и полномасштабными реакторами затруднительно, если опираться только на исследования механических характеристик, таких как скорость перемешивания, геометрия и конструкция мешалки. Более последовательным подходом к изучению динамики процессов в малых реакторах является измерение коэффициента массопереноса непосредственно в исследуемой реакционной системе. Автоматизированные, контролируемые эксперименты могут выполняться параллельно в лабораторной реакторной установке для установления зависимости массопереноса и допускают быструю настройку таких параметров, как объем реактора или поверхность раздела между газовой и жидкой фазами. Таким образом можно создать условия, необходимые для увеличения или уменьшения масштаба технологического процесса. 

В многофазных системах массоперенос между фазами имеет ключевое значение для масштабирования и производительности реактора, а механическая энергия, передаваемая рабочим органом мешалки при взаимодействии с жидкой средой, имеет решающее значение. Это влияет на степень дисперсии различных фаз и соответствующие процессы массопереноса между ними. В технологическом процессе с одной жидкой фазой, где высокая скорость реакции может приводить к образованию конкурирующих и побочных продуктов, уровень турбулентности жидкости может повлиять на избирательность и производительность химической технологии в целом.

В таких системах механическая мощность на единицу объема определяет уровень турбулентности и производительность процесса. Зная геометрию реактора и тип мешалки, можно построить кривую, отражающую эффективность перемешивания. Кривая характеризует энергию рабочего органа мешалки, приложенную к жидкой фазе.

Типичные зависимости между критериями энергии и производительности (число Рейнольдса (Re) в зависимости от значения мощности (Np), как показано справа) не связаны с объемом реактора и, таким образом, облегчают масштабирование и описание системы. Безразмерное число Рейнольдса характеризует режим течения жидкости в реакторе — ламинарный или турбулентный. Оно представляет собой отношение инерционных сил (силы рабочего органа мешалки, приложенной к жидкой фазе) к силам вязкого сопротивления, присущим технологической жидкости. Если силы вязкого сопротивления больше (Re < 10), то поток регулируется вязкостью жидкости и характер течения ламинарный. Если преобладают силы, прилагаемые рабочим органом мешалки и Re> 2000–10000, то режим течения жидкости не зависит от соотношения плотности и вязкости и поэтому является турбулентным. Условия перехода к турбулентному режиму зависят от геометрии реактора и наличия в нем элементов, способствующих турбулентности, например, перегородок. Лабораторные реакторы позволяют провести быстрое тестирование любой жидкости и конфигурации реактора с мешалкой. 

В примере из вебинара «О важности перемешивания», проведенного доктором Рэем Мачадо (Ray Machado, PhD), показано, как компании RM2 Technologies LLC и Air Products and Chemicals оптимизируют перемешивание для повышения скоростей реакций в автоматизированной рабочей станции синтеза. С помощью реакции S₂O₃^-2 и I₂ в присутствии крахмала д-р Мачадо демонстрирует влияние перемешивания на распределение реагента, указывая области быстрого протекания химических реакций с образованием побочных продуктов конкурирующих реакций. На видео​черный шлейф является побочным продуктом реакции йода с крахмалом. Однако как только комплекс крахмал — йод реагирует с раствором тиосульфата, он снова становится прозрачным. Перемешивание, скорость и расположение подающей трубки влияют на скорость первичной реакции. Чем ближе расположена подающая трубка к рабочему органу мешалки или чем выше скорость перемешивания, тем меньше образуется побочного продукта. С другой стороны, при увеличении скорости перемешивания количество побочного продукта быстро снижается.

Основным и самым важным показателем процесса, который следует проанализировать при проведении любой реакции между газовой и жидкой фазами, является межфазный массоперенос. Стратегия масштабирования заключается в установлении соответствия объемных коэффициентов массопереноса (kla) между небольшими и крупными объемами, а не в поиске соответствий геометрических параметров, скоростей или других характеристик перемешивания. В работе «Основы массопереноса и кинетики гидрирования нитробензола в анилин»описывается алгоритм расчета коэффициента массопереноса и отмечается опасность неверной интерпретации данных, полученных из исследований перемешивания при каталитическом гидрировании. 

В ходе вебинара «О важности перемешивания: сравнение лабораторного и промышленного масштабов», Рэй Мачадо (Ray Machado) обсуждает влияние перемешивания на кинетику, передачу тепла, термодинамику, массоперенос между фазами и оптимизацию перемешивания твердых веществ или газов. Перемешивание может повлиять на производительность, селективность и образование побочных продуктов. Д-р Мачадо дает советы о том, как измерить и рассчитать основные параметры масштабирования.

Рабочие станции для разработки и масштабирования химических процессов помогают ученым исследовать и оптимизировать процессы перемешивания и массопереноса в режиме реального времени. Управление перемешиванием может выполняться автоматически по предварительно заданной программе, поэтому эксперименты можно безопасно проводить 24 часа в сутки с записью всех параметров реакции. Благодаря безопасности, высокой точности, прецизионному измерению и управлению количество необходимых экспериментов существенно снижается, делая масштабирование эффективным.

• Теплопередача и масштабирование​
• Влияние перемешивания на процесс кристаллизации
• Кинетика химической реакции

Дэвид Форд (David Ford), компания Nalas Engineering, исследовал реакции окислительного азотирования, имеющие стадию быстрого и высокоэкзотермического окисления, используя реакционную калориметрию и процессно-аналитическую технологию. Реакция была первоначально разработана как периодический процесс, а для решения проблем перемешивания, производительности и теплопередачи был разработан непрерывный технологический процесс с использованием реакторов проточного типа в комплексе с двумя реакторами непрерывного действия с мешалками.