Кіріспе
Партиялық реактор – үздіксіз емес реакция жүргізілетін химиялық реактор, яғни реакция кезінде реагенттер, өнімдер және еріткіш мақсатты реакция конверсиясына қол жеткенге дейін ыдысқа кірмей не шықпайды. Бұған қоса, бұл термин химиялық реакцияны қажет етпейтін басқа партиялық сұйық өңдеу операциялары үшін де қолданылады, мысалы, қатты заттарды еріту, өнімді араластыру, партиялық дистилляция, кристалдану және сұйық/сұйық экстракция. Алайда, мұндай жағдайларда оларды реактор деп атамай, атқаратын функциясына сәйкес келетін терминмен (мысалы, кристалдауыш, биореактор және т.б.) атайды. Көптеген партиялық процестер зертханадан масштабты арттыру негізінде жобаланады, әсіресе арнайы химиялық заттар мен фармацевтикалық өнімдерді өндіру үшін. Егер осылай болса, өндіріс процесіне арналған рецепт жасалады, ол тағам дайындау рецептіне ұқсас. Типик партиялық реакторда қысымға төтеп беретін ыдыс, араластырғыш және біріктірілген жылыту/салқындату жүйесі болады. Ыдыстардың көлемі 1 литрден 15 000 литрге дейін өзгеруі мүмкін. Олар әдетте болаттан, тот баспайтын болаттан, шынымен қапталған болаттан, шыныдан немесе экзотикалық қорытпалардан жасалады. Сұйықтықтар мен қатты заттар әдетте реактордың үстіңгі жағындағы қосылыстар арқылы салынады. Булар мен газдар да үстіңгі жағындағы қосылыстар арқылы шығарылады. Сұйықтықтар көбінесе төменгі жағынан шығарылады. Партиялық реактордың артықшылығы оның әмбебаптығында. Бір ыдыс оқшаулауды бұзбастан әртүрлі операцияларды тізбектеп орындай алады. Бұл әсіресе улы немесе жоғары қуатты қосылыстарды өңдеу кезінде пайдалы.
Агитация
Көбінесе агитатордың орналасуы – жоғары орналасқан жетек блогы бар орталықтан орнатылған жетек білігі. Импеллер қақпақтары білікке бекітіледі. Қақпақтардың алуан түрлі дизайндары қолданылады, әдетте қақпақтар реактор диаметрінің шамамен екі бөлігін құрайды. Жұтты өнімдермен жұмыс істегенде, көбінесе зәкір тәрізді қайырмалар қолданылады, олардың қақпақтары мен ыдыс қабырғалары арасында тығыз аралық болады. Көптеген партиялық реакторларда сондай-ақ баффлдар қолданылады. Бұл айналмалы агитатордың ағынын бұзатын жылжымайтын қақпақтар. Олар ыдыс қақпағына немесе бүйір қабырғаларының ішкі бетіне орнатылуы мүмкін. Агитатор қақпақтары мен баффлдардың дизайнында маңызды жетістіктерге қол жеткізілгеніне қарамастан, ірі партиялық реакторларда араластыру, ақырында, қолданылатын энергия мөлшерімен шектеледі. Үлкен ыдыстарда 5 Вт/л-ден жоғары араластыру энергиясы салқындату жүйесіне қабылдамауға болатын жүктеме түсіруі мүмкін. Агитатордың жоғары жүктемелері білік тұрақтылығымен байланысты проблемаларды тудыруы мүмкін. Егер араластыру маңызды параметр болса, партиялық реактор – ең қолайлы шешім емес. Кішкентай ағын жүйелерін, жоғары жылдамдықты агитаторларды, ультрадыбыстық араластыруды немесе статикалық араластырғыштарды пайдалану арқылы араластыру жылдамдығын едәуір арттыруға болады.
Жылу және салқындату жүйелері
Топтық реакторлардағы өнімдер өңдеу кезінде жылуды бөліп шығарады немесе сіңіреді. Тіпті сақталған сұйықтықты араластыру да жылу тудырады. Реактордың ішіндегі температураны қажетті деңгейде ұстау үшін салқындатқыш жапқыш немесе салқындатқыш құбыр арқылы жылу қосу немесе алу қажет. Жылыту/салқындату спиральдары немесе сыртқы жамылғылар топтық реакторларды жылыту және салқындату үшін қолданылады. Жылу тасымалдау сұйықтығы жапқыш немесе спиральдар арқылы өтіп, жылуды қосуға немесе алуға мүмкіндік береді. Химия және фармацевтика салаларында сыртқы салқындату жапқыштары әдетте артықшылыққа ие, себебі олар ыдысты тазалауды жеңілдетеді. Бұл жапқыштардың тиімділігі үш параметрмен сипатталады: жапқыш температурасын өзгертуге жауап беру уақыты, жапқыш температурасының біркелкілігі және жапқыш температурасының тұрақтылығы. Жылу беру коэффициенті де маңызды параметр болып табылады деуге болады. Дегенмен, сыртқы салқындату жапқыштары бар үлкен реакторлар конструкциялық ерекшеліктеріне байланысты жылу беру бойынша шектеулерге тап болады. Тіпті жылу берудің идеалды жағдайларында да 100 Вт/л-ден жоғары нәтижеге қол жеткізу қиын. Ал үздіксіз реакторлар 10 000 Вт/л-ден астам салқындату қуатын қамтамасыз ете алады. Жылу жүктемесі өте жоғары процестер үшін топтық реакторлардан гөрі тиімді шешімдер бар. Кристалдану процестері немесе өнім немесе процесс температураға өте сезімтал болатын операциялар үшін температураны жылдам басқару және жапқышты біркелкі қыздыру мен салқындату ерекше маңызды. Реакторды салқындату үшін бірнеше типтегі жапқыштар бар, оларға бір сыртқы жапқыш, жартылай спиральды жапқыш және тұрақты ағынды жылу жапқышы жатады.
Response time to modify the jacket temperature. Uniformity of jacket temperature. Stability of jacket temperature. It can be argued that heat transfer coefficient is also an important parameter. It has to be recognized however that large batch reactors with external cooling jackets have severe heat transfer constraints by virtue of design. It is difficult to achieve better than 100 W/L even with ideal heat transfer conditions. By contrast, continuous reactors can deliver cooling capacities in excess of 10,000 W/L. For processes with very high heat loads, there are better solutions than batch reactors. Fast temperature control response and uniform jacket heating and cooling is particularly important for crystallization processes or operations where the product or process is very temperature sensitive. There are several types of batch reactor cooling jackets, including single external jacket, half coil jacket, and constant flux heat jacket.
Бір сыртқы жамылғы
Бір қабықшалы конструкция ыдысты қоршап тұратын сыртқы қабықшадан тұрады. Жылу тасымалдау сұйықтығы қабықшаның ішінде айналып өтеді және форсункалар арқылы жоғары жылдамдықпен жіберіледі. Қабықшадағы температураны реттеу арқылы қыздыру немесе салқындату бақыланады. Бір қабықшалы конструкция сыртқы салқындату қабықшаларының ең ерте түрі болып саналады. Бұл сынақтан өткен шешім болғанымен, оның кейбір шектеулері бар. Үлкен ыдыстарда салқындату қабықшасындағы сұйықтықтың температурасын реттеуге бірнеше минут уақыт қажет болуы мүмкін. Бұл температураны баяу басқаруға әкеледі. Жылу тасымалдау сұйықтығының таралуы да идеалды емес, ал қыздыру немесе салқындату қабықшаның қабырғалары мен төменгі бөлігі арасында әртүрлі болуы мүмкін. Тағы бір мәселе – жылу тасымалдау сұйықтығының кіретін температурасы, ол температураны реттеу клапанына жауап ретінде кең температура диапазонында құбылуы мүмкін, бұл қабықшаның кіретін жерлерінде ыстық немесе суық дақтардың пайда болуына себеп болады.
Жартылай орамды жамылғы
Жартылай орамды жамылғы, ыдыстың сыртына жартылай құбырды дәнекерлеу арқылы жасалады, бұл жартылай дөңгелек ағыс арнасын құрайды. Жылу тасымалдау сұйықтығы канал арқылы тығыз ағыс режимінде өтеді. Ірі реактор жылу тасымалдау сұйығын жеткізу үшін бірнеше орамды пайдалана алады. Бір жақтағы жамылғы сияқты, жамылғыдағы температураны қыздыру немесе салқындатуды басқару үшін реттеуге болады. Жартылай орамды жамылғының тығыз ағыс сипаттамасы, жамылғыдағы жылу тасымалдау сұйығының жылдам ауысуына мүмкіндік береді (әдетте 60 секундтан кем). Бұл температураны тиімді басқару үшін маңызды. Сондай-ақ, ол жылу тасымалдау сұйығының жақсы таралуын қамтамасыз етеді, бұл қабырғалар мен төменгі бөлік арасында біркелкі емес қызу немесе салқындату проблемаларын болдырмайды. Бір жақтаулы конструкция сияқты, кіретін жылу тасымалдау сұйығы да температураны реттеу клапанына реакция ретінде үлкен тербелістерге ұшырайды.
Тұрақты ағынды салқындату жилеті
Тұрақты ағынды салқындату жамылғысы салыстырмалы түрде жаңа өнім. Бұл бір жапқыш емес, 20 немесе одан да көп кішкентай жапқыш элементтерінен тұрады. Температураны реттеу клапаны осы арналарды қажеттілікке қарай ашып-жауып жұмыс істейді. Жылу беру ауданын осылайша өзгерту арқылы, жамылғы температурасын өзгертпей процесс температурасын реттеуге болады. Тұрақты ағынды жамылғының температураны бақылауға жауап беру жылдамдығы өте жоғары (әдетте 5 секундтан кем), себебі ағын арналарының ұзындығы қысқа және жылу беру сұйықтығының жылдамдығы жоғары. Жартылай орамды жамылғы сияқты, қыздыру/салқындату ағыны біркелкі. Бірақ, жамылғы тұрақты температурада жұмыс істейтіндіктен, басқа жамылғыларда байқалатын кіріс температурасының құбылуы болмайды. Осы типтегі жамылғының ерекшелігі – процесс кезіндегі жылуды өте сезімтал өлшеуге болады. Бұл пайдаланушыға реакция жылдамдығын бақылап, соңғы нүктелерді анықтауға, қосым жылдамдықтарын реттеуге, кристалдануды басқаруға және т.б. мүмкіндік береді.
Қолданбалар
Баталық реакторлар өндірістік салаларда жиі қолданылады; қалдық суларды тазартуда, себебі олар кіретін тазартылмаған судың биологиялық оттегіге деген қажеттілігін (BOD) тиімді түрде төмендетеді; фармацевтикалық өнеркәсіпте; зертханалық қолданыстарда, мысалы, шағын көлемде өндіріс, сусындар өнімдері үшін ферментацияны іске қосу, сондай-ақ реакция кинетикасы мен термодинамикасын зерттеу эксперименттері үшін; және тағы да басқалар. Баталық реакторлармен байланысты жиі кездесетін мәселелердің бірі – олардың салыстырмалы түрде жоғары құны және өнім сапасы тұрғысынан сенімсіздігі.