isotermo

SARRERA DESBERDINA:

Nahaste perfektuko erreaktore jarrai

Nahaste Perfektuko Erreaktore Jarraitua jario etengabea duen eta ingeniaritza kimikoan sarritan erabiltzen den erreaktorea da. Erreaktore hau CSTR ere deritzona, hots, ingelesezko Continuously Stirred Tank Reactor, ondo irabiaturiko ontzia da eta fase likidoan egiten diren erreakzio homogeneotarako erabiltzen da batez ere, biskositate txikiko likidoekin erraz lortzen baita ia nahaste perfektua. Pantailak edo bafleak ere erraz sar daitezke nahasketa hobea izan dadin eta jariakinak zorizko ibilbidea izan dezan. Erreaktore honen diseinurako nahaste perfektuaren hipotesia onartu behar da.
Nahaste perfektuko erreaktoreak propietate uniformeak ditu erreaktorearen barruko puntu guztietan. Hau da, kontzentrazioak balio bera du edozein puntutan, eta gauza bera gertatzen da tenperaturaren kasuan. Gainera, egoera egonkorrean ez dira tenperaturaren eta kontzentrazioaren balioak aldatzen denboran zehar.
Erregimen ideal honetan honako berezitasun hauek betetzen dira:
Kontzentrazioak jauzia egiten du sarreratik erreaktore barrurantz, sarrerako balioa C_Ae izatetik erreaktorekoa C_Ai izatera pasatzen baita. Kontuan hartu behar da nahaste perfektua denean barruko kontzentrazioa eta irteerako (C_Ai) kontzentrazioa berdinak direla.
Elementu fluidoen Egoitza denboraren banaketari dagokionez, nahaste perfektuko erreaktorean τ=V/Q denbora espazialak elementuen batez besteko egoitza-denbora adierazten du^[1].
Erreaktorearen barruko tenperatura sarrerako eta irteerako emarietan berdina da. Kasu honetan, diseinua A osagaiaren materia-balantzea erreaktore osoari egitean datza, barruko propietateak uniformeak baitira. Horrela, nahaste perfektuzko erreaktore isotermo jarraituaren diseinu-ekuazioa lortzen da:
Metaketa-abiadura= Sarrerako emaria - Irteerako emaria - Desagerpen-abiadura
${\displaystyle 0=F_{A0}-F_{As}+(-r_{A})V}$
${\displaystyle F_{As}=F_{A0}+(-r_{A})V}$
${\displaystyle QC_{A0}(1-X_{As})=QC_{A0}+(-r_{A})V}$
${\displaystyle \tau ={\frac {V}{Q}}={\frac {C_{A0}X_{A}}{(-r_{A})}}={\frac {C_{A0}-C_{As}}{(-r_{A})}}}$.
Eraginkortasuna hobetzeko, erreaktorea isolatu egiten da, eta orduan, erreaktorea adiabatikoa dela esaten da. Erreakzioa exotermikoa bada, erreaktoreko T tenperatura sarrerako emariaren T₀ baino handiagoa izango da. Haatik, endotermikoa bada, alderantziz gertatuko da.
Materia-balantzea aplikatzeko, erreaktoreko tenperatura kalkulatu behar da. Horretarako, A osagaiaren energia-balantzea egin eta bertan materia-balantzea sartuz hurrengo adierazpena lortzen da.
${\displaystyle T=T_{0}+{\frac {F_{A0}(X_{As}-X_{Ae})(-\Delta H)}{Q\varrho C_{p}}}}$.
Ekuazio honetan onartzen da jariakinaren dentsitatea konstante mantentzen dela. Hori horrela da ia likido guztietan. Gasetan berriz, tenperatura-aldaketa bortitzik ez badago edo erreakzioko molak konstante mantentzen badira, jariakinaren dentsitatea konstante mantentzen da.
Erreaktore hauetan bero-transferentzia atorren edo hodibihurren bidez egin daiteke. Kasu honetan egoera egonkorrean operatzen denez, erreaktoreko tenperatura konstante mantentzen da. Kasu honetan, bero- eta energia-balantzeak eginez, erreaktorearen tenperatura lortzen da:
${\displaystyle T={\frac {Q\rho {\tilde {C_{p}}}T_{0}+F_{A0}(X_{As}-X_{Ae})(-\Delta H)+UAT_{Ator}}{Q\rho C_{p}+UA}}}$.
Nahaste perfektuko erreaktoreak pistoi-jariokoak baino bolumen handiagoa behar du konbertsio bera lortzeko. Horren zergatia elementu fluidoen egoitza-denboren banaketan datza. Gainera, nahaste perfektuko erreaktorea fase likidoan erabiltzen da batez ere.
Hala ere, erreakzio geldoetan egoitza-denbora altua lortzeko aukera ona eta merkea da nahaste perfektuko erreaktorea. Arazorik handiena tenperatura uniformea lortzea da, batez ere erreakzio beroa handia denean edota tenperatura tarte estuan mantendu behar denean erreakzio paraleloak ekiditeko. Kasu horietan, seriean jarritako erreaktoreen bateria da aukerarik onena, nahaste perfektuko erreaktore bakoitzean tenperaturaren eta konbertsioaren baliorik egokienak ezar daitezkeelako.
Erreaktore horren desabantaila da gainazal/bolumen erlazioa txikia dela. Haatik, gehienetan ez da arazo, abantaila baizik, erreakzioa era autotermikoan egin daitekeelako, erreaktorea era adiabatikoan jarduten duelako^[2].
Kasu honetan, nahaste perfektuko hainbat erreaktore bata bestearen segidan jartzen dira. Aurreko atalean aipatutako desabantailak ekiditeko erabiltzen da estrategia hau, besteak beste, konbertsio altuagoa lortzeko, bero-transferentziarako gainazal/bolumen erlazio handiagoa lortzeko eta, selektibitatea hobetu nahi denean, tenperaturaren bilakaera egokia ezartzeko.
Seriean kokatutako erreaktoreen kopurua zenbat eta handiagoa izan, hurbilago egongo da sistema pistoi jarioaren eredutik. Bestalde, erreaktore askoko bateria garestia denez, normalean industrian ez da ohikoa lau baino gehiago erabiltzea.
Erreaktore-baterian gertatzen den erreakzioa lehen ordenakoa baino handiagoa bada, erreaktoreen bolumena gero eta handiagoa izan behar du erreaktore segida aurrera doan heinean, guztizko balioa minimizatzeko. Erreakzioaren ordena bat baino txikiagoa denean, ordea, erreaktoreen bolumena gero eta txikiagoa izan behar du erreaktore-segida aurrera doan heinean^[3].