維美通訊--批次反應器(1997.02)

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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:

如何縮短反應時間

如何擴充產能

是否有需要回流

如何擬定控制策略

如何操作才不會有安全顧慮

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...

以上問題均可因 ChemCAD-ReACS 之使用獲得解決。

◎	實例說明 -- ChemCAD 在批次反應器放大之運用

※

實驗室:

操作:	2 公升之反應器置入反應物
	A 5 gmole + 溶劑 S 27 gmole 溫度20℃
	15 分鐘 > 60℃ (維持45分鐘)
結果:	反應結果如圖 2 所示。
討論:	1.	反應控制於 60℃, 如果溫度過高, C 易轉化成副產物 D。
	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。
	3.	預計以一樣之溫控操作進行放大。
	4.	實驗室的反應可用來決定反應機構、反應速率及活化能。

※	放大: ( 放大 4500 倍)

操作：	9 m^³ 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。
	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)。
	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。

※	製程改善: (改變進料方式)

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。
方案:	1.	修改設備:改變Jacket設計、增加Internal Coil、或降低冷媒溫度。
	2.	改成 Semi-Batch 操作。(此方案較經濟方便)
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。

※	危害分析： (攪拌器故障)

說明 :	任何變數均可改變，以便評估造成之危害。
案例 :	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。
結果 :	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。
	2.	上述之反應器如為 Close System 壓力之改變情形亦可由 ChemCAD 算出。
	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。

※

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。

※

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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