Second-order isothermal reaction in a semi-batch reactor: modeling, exact analytical solution, and experimental verification

文献情報

出版日 2019-08-01
DOI 10.1039/C9RE00174C
インパクトファクター 4.239
著者

Mana Kord, Ali Nematollahzadeh, Behruz Mirzayi


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要旨

Mathematical modeling of semi-batch reactors (SBRs) can help to control the reaction conditions and product properties through tuning the concentration or flow rate of the external feed of reactants. In the present work, an isothermal SBR behavior with irreversible bimolecular type second-order reactions was investigated both mathematically and experimentally. The governing non-linear differential equation was solved analytically using hypergeometric Whittaker functions. The obtained analytical results were compared with numerical and approximate solutions to verify the correctness and accuracy of the exact solution. In order to determine the validity of the mathematical model, a set of experiments were performed in the reactor and the results were compared with the mathematical solution over a wide range of operating conditions by varying the model parameters. It was observed that the analytical solutions are in good agreement with the experimental data. The relative error between the experimental data and the exact analytical solution in the calculation of the reactant concentration inside the reactor was 0.1–0.3% and that for the feed solution was in the range of 0.7–15%. The obtained exact solution can be beneficial to chemical reactor design and control.

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掲載誌

Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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