เครื่องปฏิกรณ์แบบกะ

( Batch Reactor )

Batch Reactor เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่สารตั้งต้นทั้งหมดจะถูกนำใส่เครื่องปฏิกรณ์ในขั้นตอนแรก จากนั้นเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปิดเป็นระบบปิดจนกระทั่งปฏิกิริยาเสร็จสิ้น

อย่างไรก็ตามได้มีการพัฒนา batch reactor ให้มีประสิทธิภาพในการทำงานให้เป็นไปตามความต้องการมากที่สุด และเพื่อทำให้เป็นเทคโนโลยีสะอาด จึงได้มีการผลิต Buss reactor ขึ้น ดังรูป

รูปที่ 1 แสดง Buss reactor

โดยปกติแล้ว เครื่องปฏิกรณ์จะมีเครื่องกวน ( Stirrer ) อยู่ด้วย โดยการเลือกชนิดของเครื่องกวนนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของสารที่จะทำการผสม ซึ่งชนิดของใบพัดและ agitator ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ batch ดังแสดงในรูปที่ 2 , 3 และ 4

รูปที่ 2 แสดงใบพัดชนิดต่างๆ

รูปที่ 3 แสดง agitators แบบต่างๆ

รูปที่ 4 แสดงลักษณะการหมุนของเครื่องกวนแบบต่างๆ ใน batch reactor

รูปที่ 5 แสดง batch reactor แบบต่างๆ

(a) batch reactor ที่มี double jacket (b) batch reactor ที่มี double jacket และ coil อยู่ภายใน

(c ) batch reactor ที่มี external heat exchanger และ (d ) batch reactor ที่มีเครื่องทำความเย็น

สมการสมดุลมวลสารสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบกะ

การเขียนสมดุลมวลสารสำหรับสารตั้งต้น A และปริมาตรของสารที่อยู่ภายในเครื่องปฏิกรณ์หรือภายในระบบสามารถเขียนได้ดังนี้

อัตราการไหลเข้าของสาร A = อัตราการไหลออกของสาร A + อัตราการหายไปของสาร A

(ต่อหนึ่งหน่วยเวลา) (ต่อหนึ่งหน่วยเวลา) (ต่อหนึ่งหน่วยเวลา)

+ อัตราการสะสมของสาร A

(ต่อหนึ่งหน่วยเวลา)

Input = Output + Consumption + Accumulation (1)

(1) (2) (3) (4)

ถ้าสาร A ถูกสร้างขึ้นโดยการเกิดปฏิกิริยา เทอม consumption จะมีค่าเป็นลบ

สมการสมดุลความร้อนก็คล้ายกับการสมดุลมวลสาร แต่ไม่ต้องคำนึงถึงถ้าเป็นปฏิกิริยา Isothermal ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่า ถ้าใช้สารตั้งต้น Aเป็น limiting reactant จะทำได้สะดวกที่สุด เนื่องจากเป็นสารตั้งต้นที่ถูกใช้ก่อนเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้

เครื่องปฏิกรณ์แบบ batch ในอุดมคติจะเป็นแบบที่มีการผสมแบบสมบูรณ์ ( perfectly mixed ) ซึ่งก็คือความเข้มข้นขององค์ประกอบต่างๆ ภายในเครื่องปฏิกรณ์จะมีค่าเท่ากัน ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากไม่มีสารเข้าและออกจากเครื่องปฏิกรณ์ระหว่างเกิดปฏิกิริยา การเขียนสมดุลมวลสารสำหรับองค์ประกอบต่างๆ ซึ่งใช้ได้กับเครื่องปฏิกรณ์ทุกชนิด โดยการสมดุลมวลสารของสาร A ดังสมการที่ (1) จะได้ว่า

อัตราการไหลเข้า (1) = อัตราการไหลออก (2) = 0

อัตราการหายไปของสาร A (3) = -อัตราการสะสมของสาร A (4)

จะได้ว่า

อัตราการหายไปของสารตั้งต้น = (-r_A)V_r kmols^-1

เมื่อ

(-r_A) = อัตราการเกิดปฏิกิริยาของสาร A (kmolm^-3 s^-1 )

V_r = ปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ ( m³ )

ในกรณีของเครื่องปฏิกรณ์แบบ batch ที่อยู่ในวัฎภาคแก๊ส ปริมาตรที่แท้จริงของเครื่องปฏิกรณ์และปริมาตรของสารตั้งต้นจะมีค่าเท่ากัน แต่สำหรับปฏิกิริยาที่อยู่ในวัฏภาคที่เป็นของเหลว จะมีช่องว่างอยู่เหนือพื้นที่ผิวของของเหลว จะได้ว่า

V_r < V_t

เมื่อ

V_t เป็นปริมาตรรวมทั้งหมดภายในเครื่องปฏิกรณ์

เทอมของอัตราการสะสมของสารตั้งต้นกำหนดโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงโมลของสาร A ต่อหนึ่งหน่วยเวลา ดังสมการ

อัตราการสะสมของสาร A = dN_A/dt ( kmols^-1 )

จะได้ว่า

.dN_A/dt = -(-r_A)V_r

หรือ

-d(C_A.V_r)/dt = (-r_A).V_r

เมื่อ

-r_A เป็นอัตราการหายไปของสาร A ต่อหนึ่งหน่วยเวลาของปฏิกิริยาการผสม

C_A เป็นความเข้มข้นของสาร A ( kmolm_-3 ) , ( C_A = n_A/V_r )

โดยปกติแล้ว ปริมาตรที่เปลี่ยนแปลงไปของปฏิกิริยาแบบกะจะมีค่าน้อยมาก ระบบจึงมีปริมาตรคงที่ สำหรับระบบที่มีปริมาตรคงที่

-dC_A/dt = ( -r_A ) (2)

เพื่อให้ง่ายยิ่งขึ้น สามารถเขียนสมการที่ (2) ในเทอมของ fractional conversion (X_A) ขององค์ประกอบ A สำหรับระบบที่มีปริมาตรคงที่ จะได้ว่า

C_A = C_A0 ( 1-X_A ) และ dC_A = -C_A0dX_A

เมื่อรวมเข้ากับสมการ (2) จะได้ว่า

C_A0dX_A/dt = (-r_A )

และ

.dt = C_A0dX_A/( -r_A ) (3)

เมื่ออินทิเกรตสมการ (3) ตั้งแต่เวลา =0 ถึงที่เวลา t จะได้

.t = CA0ò₀^XAf (dX_A/( -r_A ) ) (4)

เมื่อ

-r_A = kf(C)

โดยที่

.k = ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา

.f(C) = ฟังก์ชั่นของความเข้มข้นของสารที่เข้าทำปฏิกิริยา และสำหรับระบบที่ผันกลับได้จะ

เป็นฟังก์ชั่นของความเข้มข้นของสารตั้งต้นของปฏิกิริยาย้อนกลับ

ซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ปริมาตรคงที่เมื่อเวลาเปลี่ยนไป สามารถแสดงได้ดังกราฟ

รูปที่ 6 แสดงปฏิกิริยาภายใน batch reactor ที่มีปริมาตรคงที่

ซึ่งเป็นการเปรียบเทียบระหว่างปฏิกิริยาอันดับศูนย์ , อันดับหนึ่ง และอันดับสอง

ข้อดี

1. Batch reactor เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่สำคัญที่ใช้ในกระบวนการผลิตเวชภัณฑ์ และอาหาร เนื่องจากสามารถกำหนดตัวแปรต่างๆ ได้

2. สามารถดัดแปลงให้เหมาะสมกับการผลิตผลิตภัณฑ์รูปแบบต่างๆ เนื่องจากมีหลักการทำงานอย่างง่ายในการเปลี่ยนสารชนิดหนึ่งไปเป็นสารอีกชนิดหนึ่ง และไม่มีการสูญเสียขณะเกิดปฏิกิริยา

3. การดำเนินงานหรือควบคุมดูแลอย่างทั่วถึงสามารถทำได้ง่าย

4. สามารถกำหนดเวลาในการดำเนินงานแต่ละครั้งให้เท่ากันได้

5. ลงทุนต่ำ

6. ประกอบและทำความสะอาดได้ง่าย

7. มักใช้กับผลิตผลที่มีราคาแพง เนื่องจากผลิตผลที่มีราคาแพงทำให้ไม่สามารถใช้วิธีการแบบต่อเนื่องได้

ข้อเสีย

1. ค่าใช้จ่ายด้านแรงงานสูง

2. วิธีที่ใช้ในการควบคุมเป็นแบบพื้นฐาน ทำให้เกิดปัญหาอยู่บ่อยๆ เนื่องจากการออกแบบไม่สามารถตอบสนองต่อกระบวนการที่เป็น unsteady-state ของสารต่างๆ ได้ทั้งหมด

3. ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพที่แตกต่างกันมากกว่าการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง