Panosreaktori

Panosreaktori on yksi ideaalireaktorityypeistä. Reaktion lähtöaineet syötetään panosreaktoriin ennen reaktion käynnistämistä ja tyhjennetään reaktion loputtua. Panosreaktori vaatii hyvän sekoituksen, jotta reaktoriin ei muodostu lämpötila- tai konsentraatiogradientteja. Panosreaktori vaatii myös tyypillisesti lämmitys- tai viilennysvaipan.

Malli panosreaktorista, jota ympäröi lämmönsiirtovaippa.

Panosreaktorin mitoitus

Panosreaktoreissa lähtöaineen konversion määrä tuotteeksi riippuu reaktioajan pituudesta. Mitä kauemmin reaktio on käynnissä sitä suurempi konversio saavutetaan. Konversio panosreaktorissa ajan t jälkeen on lähtöaineelle A

$X={\frac {n_{A}(0)-n_{A}(t)}{n_{A}(0)}}$

missä n_A(0) on lähtöaineen A ainemäärä alussa ja n_A(t) lähtöaineen A ainemäärä hetkellä t reaktion käynnistämisestä.

Tällöin lähtöaineen A kulumisnopeus reaktiossa on

$-{\frac {dn_{A}}{dt}}=(-r_{A})V=0-n_{A}(0){\frac {dX}{dt}}$

missä r_A on reaktion nopeusvakio ja V on panosreaktorin tilavuus.

Nyt saadaan panosreaktorin mitoitusyhtälö, joka on differentiaalimuodossa

$n_{A}(0){\frac {dX}{dt}}=(-r_{A})V$

Kun panosreaktorin mitoitusyhtälön muuttujat erotetaan ja yhtälö integroidaan ajan suhteen saadaan laskettua viipymäaika, joka vaaditaan konversion X saavuttamiseksi reaktorissa, jonka tilavuus on V

$t=n_{A}(0)\int _{0}^{X}\ {\frac {dX}{(-r_{A})V}}$

Nämä yhtälöt pätevät vain, jos reaktori on ideaalisesti sekoitettu. Ideaalinen sekoitus toteutuu laboratoriomittakaavassa ja pienessä mittakaavassa, mutta teollisuudessa sen saavuttaminen on vaikeampaa.

Panosreaktorien etuja ja huonoja puolia

Panosreaktorit soveltuvat hyvin suhteellisen pieniä määriä tuotettavien arvokkaiden hienokemikaalien, kuten lääkeaineiden tuotantoon, tai jos prosessi on erittäin vaarallinen kuten räjähdysaineteollisuudessa, tai siihen liittyy korkeita lämpötiloja tai vaarallisia olosuhteita, kuten terästeollisuudessa. Sama reaktori soveltuu hyvin erilaisien tuotteiden valmistamiseen ja erilaisten tuotelaatujen valmistamiseen. Panosreaktorit ovat jatkuvatoimisiin reaktoreihin nähden helpompia puhdistaa ja steriloida ja ne soveltuvat myös hyvin viskooseille nesteille, minkä vuoksi ne soveltuvat hyvin bioteknisiin prosesseihin sekä maaliteollisuuteen. Panosreaktiot ovat hankintakustannuksiltaan suhteellisen alhaisia. Monet uunimaiset reaktorit, kuten LD-konvertteri tai Siemens-Martin -uuni, ovat panosreaktoreita.

Panosreaktorin huonoja puolia ovat, että siirryttäessä tuotteesta toiseen on valmistuksessa kuollutta aikaa, joka johtuu reaktorin tyhjentämisestä, puhdistamisesta ja uudelleentäytöstä. Tuotannon laatu saattaa myös vaihdella panoksittain. Panosreaktorit vaativat enemmän työvoimaa ja niiden käyttökustannukset ovat suuremmat kuin jatkuvatoimisilla putkivirtaus- tai sekoitussäiliöreaktoreilla.