Кіріспе
Химиялық реактордың түрі – үздіксіз араластырылатын реактор (CSTR), сондай-ақ ыдыс, кері араластырылатын реактор, аралас ағынды реактор (MFR) немесе үздіксіз ағынды араластырылатын реактор (CFSTR) деп аталады. Бұл химиялық инженерия және экологиялық инженериядағы химиялық реакторлардың жиі қолданылатын моделі. CSTR көбінесе белгілі бір нәтижеге жету үшін үздіксіз араластырылатын реакторды қолданғанда, негізгі операциялық айнымалыларды есептеуге арналған модельді білдіреді. Математикалық модель барлық орталар үшін қолданылады: сұйықтықтар, газдар және суспензиялар. CSTR-дің қалыпты жұмысы идеалды CSTR-дің жұмысына жуықтап немесе модельделеді, ол толық араласуды болжайды. Толық араластырылған реакторда реагент кірген кезде бірден және біркелкі араласады. Осының салдарынан, реактордан шығатын заттың құрамы реактор ішіндегі материалдың құрамымен бірдей болады, бұл реакция уақыты мен реакция жылдамдығына байланысты. CSTR реактор дизайнында толық араласудың идеалды шегі болып табылады, бұл тоғыс ағынды реактордың (PFR) толық қарсысы. Іс жүзінде, ешбір реактор идеалды түрде жұмыс істемейді, олар идеалды CSTR мен PFR арасындағы араласу шектерінде орналасады.
The continuous stirred tank reactor (CSTR), also known as vat or backmix reactor, mixed flow reactor (MFR), or a continuous flow stirred tank reactor (CFSTR), is a common model for a chemical reactor in chemical engineering and environmental engineering. A CSTR often refers to a model used to estimate the key unit operation variables when using a continuous agitated tank reactor to reach a specified output. The mathematical model works for all fluids: liquids, gases, and slurries. The behavior of a CSTR is often approximated or modeled by that of an ideal CSTR, which assumes perfect mixing. In a perfectly mixed reactor, reagent is instantaneously and uniformly mixed throughout the reactor upon entry. Consequently, the output composition is identical to composition of the material inside the reactor, which is a function of residence time and reaction rate. The CSTR is the ideal limit of complete mixing in reactor design, which is the complete opposite of a plug flow reactor (PFR). In practice, no reactors behave ideally but instead fall somewhere in between the mixing limits of an ideal CSTR and PFR.
Идеалдық емес CSTR
Идеалдық CSTR моделі химиялық немесе биологиялық процестегі компоненттердің өзгеруін болжауға көмектессе де, CSTR-лер нақты жағдайда идеалды түрде жұмыс істемейді. Бірақ, инженерлік мақсаттар үшін, егер тұрақтандыру уақыты араласу уақытынан 5-10 есе артық болса, толық араласу шарты көбінесе орындалады. Идеалды емес гидравликалық мінез-құлық көбінесе өлі кеңістік немесе тікелей ағын арқылы жіктеледі. Бұл құбылыстар сұйықтың бір бөлігі реакторда теориялық тұру уақытынан кем уақыт өткізгенде пайда болады. Реактордағы бұрыштар немесе араластырғыштардың болуы нашар араласатын өлі кеңістіктердің пайда болуына себеп болуы мүмкін. Тұрақты температура және бір ғана реакция шартына бағынбайтын жүйелерді модельдеу үшін қосымша тәуелді айнымалыларды қарастыру қажет. Егер жүйе тұрақсыз жағдайда деп есептелсе, дифференциалдық теңдеу немесе байланысқан дифференциалдық теңдеулер жүйесін шешу қажет. CSTR мінез-құлқының ауытқуларын тарату моделі арқылы қарастыруға болады. CSTR-лер тұрақты күйдегі көптеген шешімдер, лимит циклдары және хаос сияқты күрделі мінез-құлықтарды көрсететін жүйелердің бірі болып табылады.
CSTR каскадтары
CSTR каскадтары, сонымен қатар CSTR тізбегі деп те аталады, жүйенің көлемін кеміту үшін пайдаланылады.
Көлемді азайту
Графикте бір CSTR көрсетілгендей, кері жылдамдық фракциялық түрленуге тәуелділік ретінде келтірілгенде, қораптың ішіндегі аудан V реактордың жалпы көлеміне және қоректің мольдік ағынына тең болады. Үш CSTR-дің графигінде көрсетілгендей, CSTR каскады үшін де осы процесс қолданылса, әрбір реактордың көлемі әрбір кіріс және шығыс фракциялық түрлену бойынша есептеледі, соның салдарынан реактордың жалпы көлемі азаяды. Оптималды көлемге, бұрын бір CSTR-мен жабылған, CSTR тізбегінен шыққан тіктөртбұрыштардың үстіндегі аумақ ең көп болғанда қол жеткізіледі. Бірінші реттік реакция үшін екі CSTR қолданғанда, көлемдері тең болу керек. Идеалды CSTR-дің саны (n) шексіздікке жақындағанда, реактордың жалпы көлемі сол реакция мен фракциялық түрлену үшін идеалды PFR көлеміне жақындайды.
Құны
CSTR сериясының құнын анықтағанда капиталдық және операциялық шығындар ескерілуі керек. Жоғарыда көрсетілгендей, CSTR санын арттыру реактордың жалпы көлемін азайтады. Құн көлеммен байланысты болғандықтан, капиталдық шығындар CSTR санын көбейту арқылы төмендейді. Құнның және, демек, көлемнің ең үлкен азаюы бір CSTR мен екі CSTR-дің тізбектелуі арасында байқалады. Операциялық шығындарды қарастырғанда, олар үлкен тізбектерге тән сорғылар мен басқару құрылғыларының санымен, сондай-ақ құрылыс, орнату және техникалық қызмет көрсетумен пропорционалды. Сондықтан CSTR саны артқан сайын операциялық шығындар да артады. Осылайша, CSTR тізбегі үшін ең төменгі шығын бар.
Нөлдік реттік реакциялар
Нөлдік ретті реакцияны жүзеге асыратын бірдей изотермиялық CSTR үшін берілген теңдеуді қайта құру арқылы: , әрбір жеке CSTR-дің көлемі пропорционалды түрде өседі. Сондықтан, нөлдік ретті реакция үшін реактордың жалпы көлемі CSTR-лердің санына тәуелді емес. Осылайша, нөлдік ретті реакция үшін шығын реакторлардың санына байланысты емес және CSTR-лердің саны артқан сайын азаймайды.
Паралель реакциялардың селективтілігі
Параллель реакцияларды қарастырғанда, CSTR каскадын пайдалану қажетті өнімге таңдаулылықты арттырады. Берілген параллель реакция үшін A > B және A > C, сәйкесінше тұрақтылары мен жылдамдық теңдеулері және болатын жағдайда, екеуінің арасындағы қатынасты бөліп алу арқылы табуға болады. Сондықтан, . Егер және B қажетті өнім болса, A концентрациясын барынша арттыру үшін A-ның қосымша ағынымен CSTR каскады тиімді.
For a parallel reaction with two or more reactants such as A + D > B and A + D > C with constants and and rate equations and , respectively, we can obtain a relationship between the two by dividing by Therefore In the case where and and B is the desired product, a cascade of CSTRs with an inlet stream of high [A] and [D] is favored. In the case where and and B is the desired product, a cascade of CSTRs with a high concentration of A in the feed and small secondary streams of D is favored. Series reactions such as A > B > C also have selectivity between B and C but CSTRs in general are typically not chosen when the desired product is B as the back mixing from the CSTR favors C Typically a batch reactor or PFR is chosen for these reactions.
Екі немесе одан көп реагенттер қатысатын параллель реакция үшін, мысалы, A + D > B және A + D > C, сәйкесінше тұрақтылары мен жылдамдық теңдеулері және болатын жағдайда, екеуінің арасындағы қатынасты бөліп алу арқылы табуға болады. Сондықтан, . Егер және B қажетті өнім болса, жоғары [A] және [D] концентрациясы бар кіріс ағынымен CSTR каскады тиімді. Егер және B қажетті өнім болса, жемде А жоғары концентрациялы және D-ның шағын қосымша ағындары бар CSTR каскады артықшылыққа ие. A > B > C тізбекті реакциялар да B және C арасында таңдаулылыққа ие, бірақ CSTR-лер әдетте қалаған өнім B болған кезде таңдалмайды, себебі CSTR-дегі кері араласу C түзілуіне жағдай жасайды. Мұндай реакциялар үшін әдетте үзіліссіз реактор немесе PFR таңдалады.
For a parallel reaction with two or more reactants such as A + D > B and A + D > C with constants and and rate equations and , respectively, we can obtain a relationship between the two by dividing by Therefore In the case where and and B is the desired product, a cascade of CSTRs with an inlet stream of high [A] and [D] is favored. In the case where and and B is the desired product, a cascade of CSTRs with a high concentration of A in the feed and small secondary streams of D is favored. Series reactions such as A > B > C also have selectivity between B and C but CSTRs in general are typically not chosen when the desired product is B as the back mixing from the CSTR favors C Typically a batch reactor or PFR is chosen for these reactions.