Keerulisemad reaktorid

Mitmereaktori süsteemid

Mõnikord kasutatakse mitu reaktorit selleks, et läbi viia reaktsiooni. Üheks põhjuseks on, et mitme väiksema reaktori kasutamine võib olla odavam, kui üks suur reaktor.

Näiteks, tihti reaktsiooni kiirus langeb, kui konversiooniaste läheneb ühele. Kuid pidev segureaktoris reaktsiooni kiirus on sama igal pool reaktoris. Kui tahetakse saavutada kõrget konversiooniastet, siis oleks vaja ehitada palju suuremat reaktorit kuna reaktsioon ainult toimub selles väiksemas kiiruses. Seda võib näidata Levenspieli joonisega.

Aga, kui kasutada kaks pidev segureaktorit järjest, siis esimene võib olla oluliselt väiksem kuna töötab kõrgema reaktsiooni kiirusega. Teine reaktor peab ikkagi töötama madalama kiiruse juures, aga nüüd produkti kontsentratsioon sisenevas voos on juba suhteliselt suur ja ei ole vaja nii suurt mahtu selleks, et viia reaktsiooni lõpuni.

Ühte segureaktorit võib ka asendada torureaktoriga. Kuna koostis torureaktoris muutub koos mahuga siis torureaktori maht on alati väiksem kui segureaktori maht, kui reaktsiooni järk on suurem kui null.

Kokkuvõttes, kasutades kaks reaktorit järjest reaktorite kogumaht võib olla väiksem, kui ühe reaktori maht. Kui reaktorite kogumaht on väiksem, siis on tavaliselt odavam ehitada.1

Isegi kui on tegelikult ainult üks reaktor, mõnikord tingimused reaktoris võivad varieeruda asukohaga. Üks lihtne viis modelleerida seda on jagada reaktorit väiksemateks osadeks ja käsitleda osi kui eraldi pidev segureaktoreid. Näiteks, torureaktorit saab ka ligikaudselt kirjeldada, kui mitu pidev segureaktorit järjestikus. Lõplike mahtude meetod kasutab sisuliselt samasugust lähenemist.

Kui on mitu reaktorit süsteemis, siis igal reaktoril on oma valemid ja üldine reaktori süsteemi mudel on keerulisem.

Muutused ajas

Kuigi tihti eeldame ja soovime, et reaktor töötaks statsionaarses režiimis, mõnikord reaktori parameetrid muutuvad ajas. Vahest reaktorit disainitakse selliselt, et parameetrid reaktoris muutuvad ajas. Mõnikord sellised muudatused tulevad häirete tõttu või kui reaktor töötab erirežiimis (näiteks käivitamisel või seiskamisel). Ja isegi reaktoris, mis töötab nö statisonaarselt, esineb loomulik varieerumine.

Mudelis me peame lisama valemeid, mis kirjeldavad nende parameetrite muutused ajas. Kui mudelis aja dimensioon on ka tähtis, siis mõnede parameetrite arvutamiseks peame integreerima mudeli valemeid aja suhtes. Tihti parameetrite väärtused on omavahel seotud ja ei ole võimalik analüütiliselt lahendada mudelit.

Muutused ruumalas

Reaalsetes reaktorites toimub massi- ja soojuseülekanne nii, et sageli kontsentratsioonid ja energiatase ei ole sama kõikjal reaktoris. Kui on lihtne algebraaline valem, mis kirjeldab parameetrite muutus ruumalas, siis võib lisada seda valemit ja lahendada valemi süsteemi analüütiliselt. Me oleme teinud seda torureaktoriga. Torureaktoris kontsentratsioon muutub sõltuvalt läbitud mahust ja muutust saab arvutada reaktsiooni kiiruse valemist. Kui aga muutused on keerulisemad, siis mõnikord kasutatakse arvutusvedeliku dünaamika tarkvara parameetrite arvutamiseks sõltuvalt asukohast.

Katalüsaatorid ja bioreaktorid

Sageli reaktsioonid sõltuvad katalüsaatoritest. Katalüsaatorid võivad olla anorgaanilised (nt metallid, happed või mineraalid), orgaanilised ühendid või ensüümid. Katalüsaatoritega kiirusevalemid võivad muutuda keerulisemaks kuna reagendid peavad tihti ühendama katalüsaatoriga enne, kui reaktsioon toimub. See lisa samm võib mõjutada kiirust.

Ensüümid on võimsad katalüsaatorid. Mõnikord kasutatakse lihtsalt ensüüme, aga tehakse ka reaktsioone otse mikroobide sees bioreaktorites. Bioreaktorisse pannakse valitud mikroobe, mis suudavad oma elutegevuse käigus toota soovitud molekuli. Bioreaktoris on vaja siis arvesse ka võtta rakkude kasvu ja muid faktoreid, mis võivad mõjutada mikroobe ja nende eluprotsesse.

Mitmefaasilised reaktorid

Mõnikord reaktoris esineb mitu faasi. Näiteks, kui on tahke katalüsaator, siis reagendid peavad esiteks jõudma katalüsaatori pinnale selleks, et reaktsioon toimuks. Teine näide on CO2 püüdmine absorbendiga. CO2 on gaas, aga absorbent on vedelik, siis esiteks CO2 gaasifaasis peab kokku puutuma vedelikuga selleks, et reaktsioon võib toimuda.

Kui on mitu faasi, faasitasakaal ja massivahetus faaside vahel muutuvad oluliseks ja mudelis on vaja neid arvesse võtta.

Viited

  1. H. S. Fogler, Essentials of Chemical Reaction Engineering. Pearson Education, 2010.