شبیه سازی راکتور نیمه پیوسته (Semi Batch) در متلب : پروژه متلب

پروژه متلب :

مفاهیم واکنش‌های شیمیایی

واکنش شیمیایی فرآیندی است که طی آن یک یا چند ماده به مواد دیگر تبدیل می‌شوند. مواد اولیه موادی با ارزش اقتصادی کمتر می‌باشند و در عوض محصولات موادی با ارزش بالاتر است. درک سینتیک و سازوکار واکنش یکی از نکات مهم در طراحی رآکتورهای صنعتی است. معادله سرعت، تعادلی بودن یا نبودن، فاز مواد درگیر در واکنش (جامد، مایع، گاز)، گرماگیر یا گرماده بودن و همچنین اثر کاتالیزور بر واکنش، از جمله مهم‌ترین نکاتی است که در طراحی رآکتور حائز اهمیت است.

سینتیک واکنش

پروژه متلب سینتیک واکنش شیمیایی عبارت است از بررسی سازوکار انجام یک واکنش شیمیایی. علم سینتیک شیمیایی به‌طور کامل به نحوه انجام واکنش، واکنش‌های جانبی، مواد واسط تولیدی و بسیاری از جزئیات یک واکنش می‌پردازد. سرعت واکنش و بستگی آن به غلظت گونه‌های درگیر در واکنش با استفاده از رابطه‌ای به نام معادله سرعت بیان می‌شود. به‌طور کلی تغییر غلظت گونه‌ای موجود در واکنش در واحد زمان را سرعت واکنش نسبت به آن ماده تعریف می‌کنند مثلاً برای واکنش ساده $A \to B$ معادله سرعت به صورت زیر است که واکنشی از نوع درجه اول محسوب می‌شود:

$r_{A}={\frac {d[A]}{dt}}$

معادله سرعت واکنش را می‌توان به شکل زیر هم بازنویسی کرد. باید توجه داشت که در معادله زیر علامت منفی به‌طور قرار دادی نشان دهنده مصرف گونه $A$ است. به همین ترتیب برای تولید گونه $B$ از علامت مثبت استفاده می‌شود.

$-r_{A}=k[A]^{n}$

در این معادله $k$ عددی ثابت است که به «ثابت سرعت واکنش» معروف است و عدد $k$ بزرگتر نشان‌دهنده واکنش سریع‌تر است. همچنین $n$ میزان بستگی سرعت واکنش به غلظت $A$ را نشان می‌دهد که به درجه واکنش نسبت به گونه $A$ معروف است. این پارامتر معمولاً عددی بین صفر تا ۳ است. همچنین اگر گونه‌های واکنش‌دهنده بیش از یکی باشد، از جمع توان‌های واکنش‌دهنده‌ها، درجه کلی واکنش حاصل می‌شود. روش‌های گوناگونی برای به دست آوردن این معادلات وجود دارد؛ اعم از روش‌های تئوری یا استفاده از داده‌های آزمایشگاهی.^[۳]

ترمودینامیک واکنش

پروژه متلب بررسی واکنش‌ها از نظر انرژی، در حوزه مباحث ترمودینامیک شیمیایی است. گرماگیر یا گرماده بودن واکنش و میزان انرژی تبادل شده در واکنش از نکات مهم در این علم است. اهمیت این مسئله از آن جهت است که برای رآکتورها می‌باید سیستم‌های گرمایش یا سرمایش طراحی شود تا تبادل انرژی به خوبی انجام شود. وجود هر نوع اشکال یا محاسبات نادرست در سیستم تبادل انرژی موجب اخلال در انجام واکنش، کیفیت محصول، مقدار محصول و حتی خطر جانی و مالی می‌شود. به عنوان نمونه در واکنش‌های گرماده شدید، در صورتی که گرمای تولید شده در واکنش به خوبی تبادل نشود، افزایش بی‌رویه دما داخل رآکتور می‌تواند منجر به افزایش حجم و بالارفتن فشار شود، همچنین در واکنش‌هایی که با تولید گاز شدید انجام می‌شوند، ممکن است موجب انفجار شود.

اثر کاتالیزورها و بازدارنده‌ها بر واکنش

پروژه متلب طرحی از یک فرایند کاتالیزوری سیال بستر. در سمت راست رآکتور شیمیایی و در سمت چپ واحد بازیابی کاتالیزور قرار دارد.

کاتالیزورها موادی هستند که با دخالت در واکنش و تغییر مسیر واکنش، سرعت واکنش را بالا می‌برند.از کاتالیزورها در واکنش‌هایی که در شرایط معمول با سرعت پایین انجام می‌شوند استفاده می‌شود. در نقطه مقابل مواد دیگری به نام بازدارنده‌ها وجود دارند که مانند کاتالیزور هستند با این تفاوت که افزودن آن به واکنش موجب کندی و حتی توقف واکنش می‌شود. بازدارنده‌ها به‌طور ویژه در صنایع پلیمر و برای کنترل فرآیندهای پلیمراسیون در رآکتور شیمیایی کاربرد دارد. کاتالیزورها و بازدارنده‌ها می‌توانند به صورت همگن با فاز مواد درگیر در واکنش مصرف شوند که به واکنش‌های کاتالیستی همگن معروف هستند. واکنش‌هایی که کاتالیزور و مواد درگیر در واکنش در یک فاز قرار ندارند به واکنش‌های کاتالیستی ناهمگن^{[واژه‌نامه ۶]} معروف هستند.

این مواد معمولاً با درصد بسیار پایین و به اشکال مختلف در فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرند.پروژه متلب ممکن است کاتالیزور یا بازدارنده به صورت ثابت در رآکتور شیمیایی قرار داشته باشد و مواد واکنش‌دهنده پس از تماس با آن خارج شوند. در نقطه مقابل ممکن است این مواد به صورت پودر یا اشکال دیگر به داخل رآکتور تزریق و سپس از آن خارج شوند. به عنوان نمونه در فرایند کراکینگ کاتالیزوری سیال بستر، کاتالیزور زئولیت به صورت پودر به داخل رآکتور تزریق می‌شود. پس از اشباع شدن کاتالیزور، همراه با فرآورده‌ها از فرایند خارج و پس از جداسازی و بازیابی مجدداً به داخل رآکتور تزریق می‌شود. به این ترتیب این چرخه پیوسته ادامه پیدا می‌کند و کاتالیزور در فرایند، همواره در گردش است.

انواع واکنش‌ها

پروژه متلب توجه به ماهیت و نوع واکنش نیز در طراحی رآکتور از اهمیت بالایی برخوردار است. مثلاً در واکنش‌های یک‌طرفه تقریباً تمام مواد واکنش‌دهنده با نسبت‌های استوکیومتری مشخص مصرف می‌شوند. اما در واکنش‌های تعادلی در یک سیستم بسته، در دما و فشار مشخص، مواد اولیه و مواد تولیدی پس از مدتی با یکدیگر به تعادل می‌رسند، یعنی با گذشت زمان، غلظت مواد دچار تغییر نشده و مقداری از مواد اولیه به صورت واکنش نداده در سیستم باقی می‌ماند.رفتار واکنش‌های تعادلی با اصلی به نام اصل لوشاتلیه بررسی می‌شود.

$A\leftrightharpoons B$

در واکنش‌های رقابتی یک یا چند واکنش جانبی، که منجر به تولید مواد بلااستفاده می‌شود، در کنار واکنش اصلی رخ می‌دهد. در این نوع واکنش‌ها باید پارامترهای فرایند طوری طراحی شود که بیشترین مقدار ممکن از ماده مطلوب تولید شود.

${\begin{cases}A\longrightarrow B\\A\longrightarrow C\end{cases}}$

همچنین در واکنش‌های سری چند واکنش پشت سر هم انجام می‌شود تا محصول نهایی تولید شود. به عبارتی واکنش کلی از ترکیب چند واکنش به وجود می‌آید. در این نوع واکنش‌ها، سرعت کلی واکنش به سرعت کندترین واکنش بستگی دارد.

${\begin{cases}A\longrightarrow B\\B\longrightarrow C\end{cases}}$

مفاهیم بنیادی راکتورها

یک رآکتور شیمیایی در ابعاد کوچک جهت تحقیقات آزمایشگاهی

پروژه متلب رآکتورهای شیمیایی محلی برای انجام یک واکنش شیمیایی هستند. رآکتورها می‌توانند جهت تولید انبوه مواد شیمیایی، دارویی و مواد پتروشیمی و در واحدهای صنعتی بزرگ به کار گرفته شوند یا جهت انجام مطالعات و تحقیقات و در ابعاد کوچک به کار بروند.

طراحی رآکتورها با توجه به مکانیسم واکنش و همچنین نوع واکنش و فاز مواد درگیر در واکنش متفاوت است. در طراحی رآکتورهای شیمیایی برخی از پارامترها مانند دما، فشار و دبی مواد ورودی و خروجی، توسط طراح قابل تغییر است. اما برخی پارامترها مانند ماهیت واکنش، گرماگیر یا گرماده بودن، ایجاد گاز یا تغییر در حجم مواد، از جمله مواردی است که به طبیعت واکنش مربوط بوده و در اختیار طراح قرار ندارد. از مجموع این موارد می‌توان نتیجه گرفت که رآکتورها در اشکال پیوسته یا بسته، بستر ثابت یا بستر متلاطم، تحت فشار یا در فشار اتمسفری یا با اثر کاتالیزور یا بدون اثر کاتالیزور طراحی می‌شوند.برخی از پارامترهایی که تقریباً در تمام راکتورها مطرح بوده و حائز اهمیت به جهت شناخت راکتور و عملکرد آن است، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

معادله رآکتور

معادله رآکتور رابطه ریاضیاتی است که پارامترهای مربوط به رآکتور مانند زمان اقامت و حجم رآکتور را به سرعت واکنش، نشان می‌دهند. این معادلات می‌توانند به صورت عمومی برای دسته‌ای خاصی رآکتورها مطرح شوند یا به صورت تجربی برای گونه خاصی از رآکتور به دست بیایند.

راكتورهاي نيمه پيوسته (Semi Batch)

پروژه متلب راكتورهاي نيمه پيوسته نيز همان محدوديت هاي راكتور ناپيوسته را دارد. از امتيازات راكتور هاي نيمه پيوسته كنترل خوب حرارت و كنترل واكنش هاي نامطلوب و محدود كردن توليد محصولات ناخواسته مي باشد . اين عمل از طريق وارد كردن تدريجي يكي از اجزاء تركيب شونده با غلظت كم ميسر مي گردد . راكتور هاي نيمه پيوسته اغلب براي واكنش هاي دوفازي كه يكي از اجزاء تركيب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار مي گيرد و جزء گازي به صورت حباب به داخل فاز مايع درون راكتور تغذيه مي گردد.