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ChemCAD-ReACS 實例 |
| 批次反應器 |
| 之設計、開發、放大、改善及最適化 |
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| ◎ |
批次反應器運用於特化、製藥、生化、食品工業相當廣泛,
但其設計、開發、放大、控制、改善及最適化則不容易。為改善批次製程, 也許很多人想過這些問題: |
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如何縮短反應時間 |
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如何擴充產能 |
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是否有需要回流 |
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如何擬定控制策略 |
| ˙ |
如何操作才不會有安全顧慮 |
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改變加料順序或速率影響如何 |
| ˙ |
改變操作溫度或壓力控制影響如何... |
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以上問題均可因 ChemCAD-ReACS
之使用獲得解決。 |
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◎ |
實例說明 -- ChemCAD
在批次反應器放大之運用 |
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| ※ |
反應: |
A(s) + A(s) --> B(s) |
(副產物) |
△H1 = -80000 kJ/kmole (1) |
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A(s) --> C(s) |
(產物) |
△H2 = -10000 kJ/kmole (2) |
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C(s) --> D(s) |
(副產物) |
△H3 = -100000 kJ/kmole (3) |
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其中 s 表示溶劑 |
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反應速率式: r1 = k1 *
e(-E1/RT) * A2 |
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r2 = k2 * e(-E2/RT) * A |
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r3 = k3 * e(-E3/RT) * C |
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操作: |
2
公升之反應器置入反應物 |
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A 5 gmole + 溶劑 S 27 gmole
溫度20℃ |
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15 分鐘
> 60℃ (維持45分鐘) |
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結果: |
反應結果如圖
2 所示。 |
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討論: |
1. |
反應控制於 60℃, 如果溫度過高,
C 易轉化成副產物 D。 |
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2. |
反應是否進行至 1 hr,
視副產物 D是否有價值。如果沒有價值,
可於 0.5 hr 時停止反應,
保留未反應之反應物 A,
以便回收再用。 |
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3. |
預計以一樣之溫控操作進行放大。 |
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4. |
實驗室的反應可用來決定反應機構、反應速率及活化能。 |
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| 操作： |
9 m³ 之反應器(具 Jacket)置入反應物 A22.5 kmole +
溶劑 S 121.5 kmole, 同樣批次操作, 同樣起始溫度 20℃及溫控 60℃,
熱媒：130℃, 冷媒：20℃,
均以 PID 控制。 |
| 結果： |
反應結果如圖 3、4、5
所示。 |
| 討論： |
1. |
圖3所示,
產物C 生成後又全部轉變成 D。 |
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2. |
圖4
顯示反應器溫度、Jacket
溫度、及設定值。由圖中看出，反應器溫度無法控制在設定值(失控反應)。 |
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3. |
大量反應熱產生是溫度失控的原因，圖5
顯示反應熱產生之情形。 |
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說明: |
Lab
沒問題，放大後卻有問題。原因是反應熱太大，無法即時帶走。 |
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方案: |
1. |
修改設備:改變Jacket設計、增加Internal
Coil、或降低冷媒溫度。 |
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2. |
改成 Semi-Batch 操作。(此方案較經濟方便) |
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結果: |
採用方案 2
改變進料方式。反應物 A 以 90
kmole/hr 之速率進料15 分鐘(進料總量仍為22.5kmole)。反應進行結果如圖6
所示。由圖中顯示，生成產物C沒問題，且溫度控制於60℃良好。 |
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說明
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任何變數均可改變，以便評估造成之危害。 |
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案例
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攪拌器故障(設定轉速為
0)時，造成熱傳導不良之後果如圖 7 所示。 |
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結果
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1. |
雖然已採上述之Semi-Batch操作改善反應失控問題, 但因攪拌器故障, 影響熱傳效果,
使再度發生失控反應, 也因此溫度提高無法控制, 產物 C 均轉化成副產物 D。 |
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2. |
上述之反應器如為
Close System 壓力之改變情形亦可由 ChemCAD 算出。 |
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3. |
ChemCAD
亦可計算壓力因失控反應之變化情形，並可設計緊急排放系統(依DIERS
計算)，如未設計此安全系統則反應失控時可能造成反應器爆炸。 |
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※ |
結語： |
ChemCAD
之動態模擬功能充份掌握時間變數，達成動態模擬，提高產率、增加製程安全、節省成本、改善製程、最適化製程。 |
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※ |
附註： |
由於篇幅有限，未能將所有之數據與資料列出，有興趣之讀者可洽本公司。 |
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