Blandning och massöverföring

Den grundläggande förståelsen för blandningsprocessen är avgörande för uppskalning i den kemiska utvecklingen. Blandning är minskning eller eliminering av inhomogenitet hos faser som antingen är blandbara eller oblandbara. Målet är att antingen minska eller eliminera temperatur- eller koncentrationsgradienter, eller att säkerställa god spridning av flera faser. Bra blandning är önskvärd av flera skäl, inklusive sidoreaktioner eller biproduktbildning, för att förbättra massöverföringen i flerfassystem eller för att säkerställa snabb värmeöverföring. Blandningseffektiviteten påverkas av vilken typ av material som ska blandas, utformningen av omröraren och reaktorn, blandningsregimen, men också matarrörets position och driftsförhållandena. [Handbok i industriell blandning, vetenskap och praktik. Paul, E. Wiley (2004)]. Kemiska reaktioner i en omrörd tank, där reagenserna kan finnas i mer än en fas (flytande, gasformig eller fast), kräver intensiv gränssnittskontakt för att underlätta optimal massöverföring. Felaktig eller dålig blandning kan resultera i en låg reaktionshastighet, lågt utbyte, dålig selektivitet eller ökad koncentration av föroreningar, vilket ökar tillverkningskostnaderna avsevärt. Massöverföring och kinetik kan konkurrera och bidra till den totala reaktionshastigheten. Uppskalning och optimering av processer kräver att blandningens inverkan på reaktionshastigheten kvantifieras. Laboratoriereaktorer måste drivas under förhållanden som möjliggör meningsfull processkarakterisering och uppskalning.

Utveckling och uppskalning av en kemisk process är ofta utmanande. Att matcha prestanda och blandning mellan små och stora reaktorer är svårt när man bara förlitar sig på mekaniska mätningar som omrörningshastighet, geometri och omrörardesign. Ett mer konsekvent tillvägagångssätt för att studera processdynamik i små reaktorer är att mäta masstransportkoefficienten direkt i själva reaktionssystemet. Automatiserade, kontrollerade experiment kan köras parallellt i ett laboratoriereaktorsystem för att fastställa en korrelation för massöverföring och ge ett sätt att snabbt justera gas/vätska-gränssnittsarean och reaktorvolymen, för att uppnå de önskade förhållanden som krävs för upp- eller nedskalning av en process. 

I flerfassystem är massöverföringen mellan faserna nyckeln till uppskalning och reaktorprestanda, och den mekaniska kraften som överförs av pumphjulets interaktion med vätskan är kritisk. Det påverkar graden av dispersion av de olika faserna och den motsvarande massöverföringen mellan dem. I en process i en enda vätskefas, där en snabb reaktion kan producera konkurrerande produkt- och biproduktbildning, kan nivån av vätsketurbulens påverka selektiviteten och utbytet av den övergripande kemiska processen.

I sådana system dikterar den mekaniska effekten per volymenhet turbulensnivån och processens prestanda. För ett givet pumphjul och en specifik geometri för omrörd tankreaktor kan den universella prestandakurvan för pumphjulet erhållas. Detta kännetecknar pumphjulets effekt som appliceras på vätskefasen.

Typiska effektprestandakurvor (Reynoldstal (Re) kontra effekttal (Np), som visas till höger) är oberoende av reaktorvolymen och underlättar därför uppskalning och systemkarakterisering. Det dimensionslösa Reynolds-talet indikerar om reaktorvätskan flödar i laminär eller turbulent regim. Den representerar förhållandet mellan tröghetskrafterna (pumphjulets krafter på vätskan) jämfört med de viskösa krafterna som är inneboende i processvätskan. När viskösa krafter dominerar och Re < 10, styrs vätskeflödet av vätskans viskositet, och flödesmönstret är laminärt. När pumphjulskrafterna dominerar och Re > 2 000-10 000, är vätskeflödet oberoende av viskositeten, proportionellt mot densiteten och därför turbulent. Den exakta övergångspunkten till den turbulenta regimen beror på reaktorns geometri och närvaron av "turbulens"-främjande element i reaktorn, såsom bafflar. Laboratoriereaktorer ger snabba sätt att testa varje vätske- och reaktorpumphjulsuppsättning. 

I ett exempel från webbinariet, The Importance of Mixing, optimerar Ray Machado PhD, rm2 Technologies LLC och Air Products and Chemicals, blandningen för snabba reaktioner i en automatiserad syntesreaktor. Med hjälp av reaktionen mellan S₂O ^3-2 och I₂ i närvaro av stärkelse demonstrerar han effekten av blandning på reagensfördelningen genom att visa var snabba kemiska reaktioner med konkurrerande biproduktreaktioner sker.I videon är den svarta plymen en biprodukt av reaktionen mellan jod och stärkelse. Men så snart stärkelse-jodkomplexet reagerar med tiosulfat lösningen blir det klart igen. Blandning, matningshastighet och matningsplats påverkar alla den primära reaktionshastigheten. Ju närmare matarröret är pumphjulet, eller ju högre omrörningshastighet, desto mindre biprodukt bildas. Tvärtom, när omrörningshastigheten ökar minskar mängden biprodukter snabbt.

Den primära och mest grundläggande hastighetsprocessen som måste karakteriseras vid utförande av någon gas-vätskereaktion är massöverföringen av gas till vätskereaktionsfasen. Uppskalningsstrategin är att matcha massöverföringskoefficienter, kla, från små till stora volymer, snarare än att försöka matcha geometri, omrörningshastigheter eller andra blandningsegenskaper. Artikeln, Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline,beskriver stegen för att beräkna massöverföringskoefficienten och varnar för vilseledande information i agitationsstudier inom katalytisk hydrogenering. 

I webbinariet, The Importance of Mixing: Comparing Lab and Large Scale, diskuterar Ray Machado effekten av blandning på kinetik, värmeöverföring, termodynamik, massöverföring mellan faser och optimering av blandning av fasta ämnen eller gaser. Blandning kan påverka avkastning, selektivitet och biproduktbildning. Han ger råd om hur man mäter och beräknar grundläggande parametrar för uppskalning.

Arbetsstationer för processutveckling och uppskalning ger forskare möjlighet att studera och optimera blandning och massöverföring i realtid. Kontroll av blandningen kan automatiseras och förprogrammeras, så att experiment kan köras på ett säkert sätt samtidigt som alla reaktionsparametrar registreras, 24 timmar om dygnet. På grund av den säkra, mycket exakta och exakta mätningen och kontrollen minskar antalet experiment som krävs avsevärt, vilket gör uppskalningen effektiv.

Genom att använda in situ FTIR-spektroskopi ger kemiska reaktionskinetikstudier en förbättrad förståelse för reaktionsväg och mekanism genom att tillhandahålla koncentrationsberoenden av reagerande komponenter i realtid. Under en reaktions gång möjliggör kontinuerliga data beräkning av hastighetslagar med färre experiment på grund av datans omfattande karaktär. In situ FTIR-spektroskopi används för komplementär ortogonal information med traditionella offline-analytiska tekniker, såsom NMR och HPLC, vilket ofta ger den saknade biten som kompletterar reaktionsförståelsen.

• Värmeöverföring och uppskalning
• Effekten av blandning på kristallisation
• Kinetik för kemiska reaktioner
• Reaktorer med kontinuerlig omrörd tank (CSTR)