مفاعل دفعي

المفاعل الدفعي هو مفاعل كيميائي تُجرى فيه تفاعلات غير مستمرة، أي لا تتدفق فيه المواد المتفاعلة والناتجة والمذيب إلى داخل الوعاء أو خارجه أثناء التفاعل حتى يتم الوصول إلى نسبة التحويل المطلوبة. وبالتالي، يُستخدم هذا المصطلح أحيانًا بشكل غير دقيق لوصف عمليات معالجة السوائل الدفعية الأخرى التي لا تتضمن تفاعلًا كيميائيًا، مثل إذابة المواد الصلبة ، وخلط المنتجات ، والتقطير الدفعي ، والتبلور ، واستخلاص السوائل . في هذه الحالات، قد لا يُشار إليها بالمفاعلات ، بل بمصطلح خاص بالوظيفة التي تؤديها (مثل المُبلور ، والمفاعل الحيوي ، إلخ). ^{[ 1 ]}

تُصمَّم العديد من عمليات الإنتاج الدفعي بناءً على توسيع نطاق الإنتاج من المختبر ، لا سيما في تصنيع المواد الكيميائية المتخصصة والمستحضرات الصيدلانية . في هذه الحالة، يُنتج تطوير العملية وصفةً لعملية التصنيع، تشبه إلى حد كبير وصفةً تُستخدم في الطبخ . ^{[ 2 ]} يتكون مفاعل الدفعات النموذجي من وعاء ضغط مزود بمحرك تقليب ونظام تسخين/تبريد متكامل. قد تختلف أحجام الأوعية من أقل من لتر واحد إلى أكثر من 15000 لتر. وعادةً ما تُصنع من الفولاذ ، أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، أو الفولاذ المُبطَّن بالزجاج ، أو الزجاج ، أو سبائك خاصة . تُضخ السوائل والمواد الصلبة عادةً عبر وصلات في الغطاء العلوي للمفاعل. كما تُصرَّف الأبخرة والغازات عبر وصلات في الأعلى. أما السوائل، فتُصرَّف عادةً من الأسفل.

تكمن مزايا المفاعل الدفعي في تعدد استخداماته. إذ يمكن لوعاء واحد تنفيذ سلسلة من العمليات المختلفة دون الحاجة إلى كسر نظام الاحتواء. وهذا مفيد بشكل خاص عند معالجة المركبات السامة أو شديدة الفعالية .

يتكون نظام التحريك المعتاد من عمود إدارة مركزي مزود بوحدة قيادة علوية . تُركّب شفرات المروحة على العمود. وتُستخدم تصاميم متنوعة للشفرات، وعادةً ما تغطي الشفرات حوالي ثلثي قطر المفاعل. عند التعامل مع المنتجات اللزجة، تُستخدم غالبًا مجاديف على شكل مرساة، تتميز بوجود خلوص ضيق بين الشفرة وجدران الوعاء.

تستخدم معظم المفاعلات الدفعية أيضاً حواجز . وهي عبارة عن شفرات ثابتة تعمل على تفتيت التدفق الناتج عن المحرك الدوار. ويمكن تثبيت هذه الحواجز على غطاء الوعاء أو تركيبها على الجدران الجانبية الداخلية.

على الرغم من التحسينات الكبيرة في تصميم شفرات ومحاور التحريك، فإن عملية الخلط في المفاعلات الدفعية الكبيرة تبقى محدودة بكمية الطاقة المتاحة. ففي الأوعية الكبيرة، قد تُشكل طاقات الخلط التي تتجاوز 5 واط /لتر عبئًا كبيرًا على نظام التبريد. كما أن الأحمال العالية على محركات التحريك قد تُسبب مشاكل في استقرار العمود. وعندما يكون الخلط عاملًا حاسمًا، فإن المفاعل الدفعي ليس الحل الأمثل. إذ يُمكن تحقيق معدلات خلط أعلى بكثير باستخدام أنظمة تدفق أصغر مزودة بمحركات تحريك عالية السرعة، أو الخلط بالموجات فوق الصوتية ، أو الخلاطات الثابتة .

عادةً ما تُطلق المنتجات الموجودة داخل المفاعلات الدفعية الحرارة أو تمتصها أثناء المعالجة. حتى عملية تقليب السوائل المخزنة تُولّد حرارة. وللحفاظ على محتويات المفاعل عند درجة الحرارة المطلوبة ، يجب إضافة الحرارة أو إزالتها بواسطة غلاف تبريد أو أنبوب تبريد . تُستخدم ملفات التسخين/التبريد أو الأغلفة الخارجية لتسخين وتبريد المفاعلات الدفعية. يمر سائل نقل الحرارة عبر الغلاف أو الملفات لإضافة الحرارة أو إزالتها.

في الصناعات الكيميائية والصيدلانية ، يُفضّل عموماً استخدام أغلفة التبريد الخارجية لأنها تُسهّل تنظيف الوعاء. ويمكن تحديد أداء هذه الأغلفة من خلال ثلاثة معايير:

• زمن الاستجابة لتعديل درجة حرارة السترة.
• توحيد درجة حرارة السترة.
• ثبات درجة حرارة الغلاف.

يمكن القول إن معامل انتقال الحرارة يُعدّ أيضًا معيارًا مهمًا. مع ذلك، يجب الأخذ في الاعتبار أن المفاعلات الدفعية الكبيرة ذات أغلفة التبريد الخارجية تعاني من قيود شديدة في انتقال الحرارة بحكم تصميمها. من الصعب تحقيق معامل انتقال حرارة أفضل من 100 واط/لتر حتى في ظل ظروف مثالية. في المقابل، يمكن للمفاعلات المستمرة توفير قدرات تبريد تتجاوز 10000 واط/لتر. بالنسبة للعمليات ذات الأحمال الحرارية العالية جدًا، توجد حلول أفضل من المفاعلات الدفعية.

يُعدّ التحكم السريع في درجة الحرارة والتسخين والتبريد المنتظم للغلاف أمرًا بالغ الأهمية لعمليات التبلور أو العمليات التي يكون فيها المنتج أو العملية حساسة للغاية لدرجة الحرارة. توجد أنواع عديدة من أغلفة تبريد مفاعلات الدفعات، بما في ذلك الغلاف الخارجي الأحادي، وغلاف نصف الملف، وغلاف التسخين ذو التدفق الثابت.

سترة خارجية واحدة

يتكون تصميم الغلاف الأحادي من غلاف خارجي يحيط بالوعاء. يتدفق سائل نقل الحرارة حول الغلاف ويُحقن بسرعة عالية عبر فوهات. تُضبط درجة الحرارة داخل الغلاف للتحكم في التسخين أو التبريد.

يُعدّ الغلاف الأحادي على الأرجح أقدم تصميم لأغلفة التبريد الخارجية. ورغم كونه حلاً مجرباً وموثوقاً، إلا أنه يعاني من بعض القيود. ففي الأوعية الكبيرة، قد يستغرق ضبط درجة حرارة السائل داخل غلاف التبريد عدة دقائق، مما يؤدي إلى بطء التحكم في درجة الحرارة . كما أن توزيع سائل نقل الحرارة ليس مثالياً، ويميل التسخين أو التبريد إلى التفاوت بين الجدران الجانبية والقاع. ومن المشكلات الأخرى التي يجب مراعاتها درجة حرارة سائل نقل الحرارة الداخل، والتي قد تتذبذب (استجابةً لصمام التحكم في درجة الحرارة) ضمن نطاق واسع، مما يُسبب بقعاً ساخنة أو باردة عند نقاط دخول الغلاف.

غلاف نصف ملفوف

يُصنع الغلاف نصف الملفي عن طريق لحام نصف أنبوب حول الجزء الخارجي من الوعاء لتكوين قناة تدفق نصف دائرية. يمر سائل نقل الحرارة عبر القناة بتدفق منتظم . قد يستخدم المفاعل الكبير عدة ملفات لتوصيل سائل نقل الحرارة. وكما هو الحال في الغلاف الأحادي، تُضبط درجة الحرارة داخل الغلاف للتحكم في التسخين أو التبريد.

تسمح خصائص التدفق المكبسي لغلاف نصف الملف بإزاحة أسرع لسائل نقل الحرارة داخل الغلاف (عادةً أقل من 60 ثانية ). وهذا أمر مرغوب فيه للتحكم الجيد في درجة الحرارة. كما أنه يوفر توزيعًا جيدًا لسائل نقل الحرارة، مما يتجنب مشاكل التسخين أو التبريد غير المنتظم بين الجدران الجانبية والطبق السفلي. ومع ذلك، وكما هو الحال في تصميم الغلاف الأحادي، فإن سائل نقل الحرارة الداخل يكون أيضًا عرضةً لتقلبات كبيرة في درجة الحرارة (استجابةً لصمام التحكم في درجة الحرارة).

غلاف تبريد ذو تدفق ثابت

يُعد غلاف التبريد ذو التدفق الثابت تطورًا حديثًا نسبيًا. وهو ليس غلافًا واحدًا، بل يتكون من سلسلة تضم 20 عنصرًا صغيرًا أو أكثر. يعمل صمام التحكم في درجة الحرارة عن طريق فتح وإغلاق هذه القنوات حسب الحاجة. ومن خلال تغيير مساحة نقل الحرارة بهذه الطريقة، يمكن تنظيم درجة حرارة العملية دون تغيير درجة حرارة الغلاف.

يتميز الغلاف ذو التدفق الثابت باستجابة سريعة جدًا للتحكم في درجة الحرارة (عادةً أقل من 5 ثوانٍ) نظرًا لقصر قنوات التدفق وسرعة سائل نقل الحرارة العالية. وكما هو الحال في الغلاف ذي الملف النصفي، يكون تدفق التسخين/التبريد منتظمًا. ونظرًا لأن الغلاف يعمل عند درجة حرارة ثابتة تقريبًا، فإنه يخلو من تذبذبات درجة حرارة المدخل التي تُلاحظ في الأغلفة الأخرى. ومن الميزات الفريدة لهذا النوع من الأغلفة إمكانية قياس حرارة العملية بدقة عالية جدًا. وهذا يسمح للمستخدم بمراقبة معدل التفاعل للكشف عن نقاط النهاية، والتحكم في معدلات الإضافة، والتحكم في التبلور، وما إلى ذلك.

تُستخدم المفاعلات الدفعية بشكل شائع في الصناعات التحويلية ؛ وفي معالجة مياه الصرف الصحي ، نظرًا لفعاليتها في تقليل الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) في المياه الواردة غير المعالجة؛ ^{[ 3 ]} وفي صناعة الأدوية ؛ وفي التطبيقات المختبرية ، مثل الإنتاج على نطاق صغير، وتحفيز التخمر لمنتجات المشروبات، ولتجارب حركية التفاعلات والديناميكا الحرارية ؛ إلخ. ومن المشكلات الشائعة المنسوبة إلى المفاعلات الدفعية تكلفتها العالية نسبيًا وعدم موثوقيتها من حيث جودة المنتج.

• مفاعل مستمر

• مفاعل دفعي
• تصميم السفن ذات الغلاف