رآکتورهای شیمیایی چیست؟ انواع رآکتورهای شیمیایی

واکنش شیمیایی یک فرآیند است که منجر به تحول واکنش می شود. این تغییرات را مشخص می کند که در نتیجه یک یا چند محصول متفاوت از موارد اصلی هستند. واکنش های شیمیایی طبیعت متفاوتی دارند. این بستگی به نوع واکنش دهنده ها دارد، ماده به دست آمده، شرایط و زمان سنتز، تجزیه، جابجایی، ایزومریز، اسید قلیایی، کاهش اکسایش، فرایندهای آلی و غیره.

راکتورهای شیمیایی ظروف طراحی شده برای انجام واکنش هستند تا محصول نهایی تولید کنند. طراحی آنها بستگی به عوامل مختلف دارد و باید حداکثر عملکرد را با هزینه ای موثر ارائه دهد.

انواع

سه مدل پایه اساسی راکتورهای شیمیایی وجود دارد:

• اقدام دوره ای
• پیوسته با همزن (HPM).
• راکتور با جریان پیستون (PFR).

این مدل های پایه را می توان مطابق با الزامات فرایند شیمیایی اصلاح کرد.

راکتور بچ

ترکیبات شیمیایی این نوع در فرایندهای دسته ای با حجم کم تولید، زمان واکنش طولانی یا جایی که در بعضی از فرایندهای پلیمریزاسیون بهتر است، استفاده می شود.

برای مثال، از ظروف استیل ضد زنگ استفاده می شود، محتویات آن با تیغه داخلی کار، حباب های گاز یا پمپ ها مخلوط شده است. کنترل دما با استفاده از مبدلهای حرارتی، کولرهای خنک کننده یا پمپاژ از طریق مبدل حرارتی انجام می شود.

در حال حاضر در صنایع شیمیایی و مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرند. اتوماسیون و بهینه سازی آنها مشکلات را ایجاد می کند، زیرا لازم است که فرایندهای پیوسته و گسسته ترکیب شوند.

رآکتورهای شیمیایی نیمههادی، عملیات را در حالت های مداوم و دوره ای ترکیب می کنند. برای مثال bioreactor بارگیری شده و به طور مداوم دی اکسید کربن آزاد می شود که باید به طور مداوم حذف شود. به طور مشابه، در واکنش کلر، زمانی که یکی از واکنش دهنده ها گاز کلر است، اگر آن را به طور مداوم معرفی نشده است، اکثر آنها تبخیر می شود.

برای اطمینان از حجم زیادی از تولید، راکتورهای شیمیایی تداخل مداوم یا مخازن فلزی با یک همزن یا با جریان مداوم به طور عمده استفاده می شود.

راکتور مخزن پیوسته مخلوط شده

مخازن فولادی ضد زنگ با واکنش های مایع عرضه می شوند. برای اطمینان از تعامل مناسب، آنها با تیغه های کاری مخلوط می شوند. بنابراین، در راکتورهای این نوع، واکنش دهنده ها به طور مداوم به مخزن اول (عمودی، فولادی) تغذیه می شوند، سپس آنها در کنار یکدیگر قرار می گیرند، در حالی که با دقت مخلوط شدن در هر مخزن. اگر چه ترکیب مخلوط در هر مخزن یکنواخت است ، غلظت در سیستم به طور کلی از ظرفیت به ظرفیت متفاوت است.

مقدار میانگین زمانی که یک مقدار گسسته واکنش دهنده در مخزن (زمان اقامت) صرف می شود، می توان به سادگی تقسیم حجم مخزن را با میانگین جریان حجمی از طریق آن محاسبه کرد. درصد مورد انتظار از اتمام واکنش با استفاده از سینتیک شیمیایی محاسبه می شود.

ظروف از فولاد ضد زنگ یا آلیاژها و همچنین پوشش مینای دندان ساخته شده است.

برخی از جنبه های مهم HPM

تمام محاسبات انجام می شود با توجه به مخلوط ایده آل. واکنش با سرعت همراه با غلظت نهایی انجام می شود. در حالت تعادل، سرعت جریان باید برابر با جریان جریان باشد، در غیر این صورت مخزن سرریز یا خالی خواهد شد.

اغلب مقرون به صرفه است با چندین HPM متوالی یا موازی کار کند. مخازن استنلس است که در یک آبشار پنج یا شش واحد جمع شده اند می توانند مانند یک رآکتور با جریان پیستون رفتار کنند. این اجازه می دهد که واحد اول با غلظت بالاتر از واکنش ها کار کند و در نتیجه میزان واکنش بالاتر باشد. همچنین، چند مرحله HPM را می توان در مخزن فولادی عمودی قرار داد، به جای فرآیندهای موجود در ظرفیت های مختلف.

در نسخه افقی، واحد چند مرحله ای توسط پارتیشن های عمودی از ارتفاع های مختلف تقسیم می شود که از طریق آن مخلوط وارد آبشارها می شود.

هنگامی که این واکنش ها به شدت مخلوط شده یا در تراکم قابل توجهی متفاوت هستند، یک رآکتور چند مرحله ای عمودی (فولاد ضد زنگ یا فولاد ضد زنگ) در حالت ضد جریان استفاده می شود. این برای انجام واکنش برگشت پذیر موثر است.

یک لایه شبه مایع کوچک کاملا مخلوط شده است. یک رآکتور بزرگ بستر فریزر مایع با دمای تقریبا یکنواخت، اما ترکیبی از جریان مخلوط و جابه جایی و حالت های گذار بین آنها است.

رآکتور شیمیایی جابجایی ایده آل

یک PFR یک راکتور (ضدزنگ) است که در آن یک یا چند واکنش مایع از طریق یک لوله یا لوله ها پمپ می شود. آنها همچنین جریان لوله ای نامیده می شوند. این می تواند لوله ها یا لوله های مختلف داشته باشد. واکنشگرها به طور مداوم از یک طرف عرضه می شوند و محصولات از طرف دیگر خارج می شوند. فرایندهای شیمیایی همچنان ادامه می یابد.

در RPP سرعت واکنش گرادیان است: در ورودی آن بسیار زیاد است، اما با کاهش غلظت معرف ها و افزایش مقدار محصولات خروجی، میزان آن کاهش می یابد. معمولا حالت تعادل پویا به دست می آید.

هر دو جهت افقی و عمودی راکتور مشترک هستند.

هنگامی که انتقال حرارت لازم است، لوله های فردی در یک کت یا یک مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می شود. در مورد دوم، مواد شیمیایی را می توان در پوشش و لوله یافت.

مخازن فلزی با قطر فلزی با نازل یا حمام شبیه به PFR هستند و به طور گسترده ای استفاده می شوند. در برخی از تنظیمات، جریان محوری و شعاعی استفاده می شود، پوسته های متعدد با مبدل های حرارتی ساخته شده، موقعیت افقی یا عمودی راکتور و غیره.

ظرفیت واکنش را می توان با ذرات جامد کاتالیزوری یا غیر مستقیم پر کرد تا ارتباط میان فازی در واکنش های ناهمگن بهبود یابد .

یک عامل مهم در RFP این است که اختلاط عمودی یا افقی در محاسبات در نظر گرفته نشده است، که به معنای واژه «جریان پیستون» است. رآکتورها را می توان در راکتور نه تنها در ورودی قرار داد. بنابراین، امکان دستیابی به کارایی بالاتری از PFR یا کاهش اندازه و هزینه آن امکان پذیر است. عملکرد PFR معمولا بالاتر از HPM همان حجم است. با مقدار مساوی حجم و زمان در راکتورهای متقاطع، واکنش درصد بیشتری از واحدهای مخلوط را داشته باشد.

تعادل دینامیک

برای اکثر فرآیندهای شیمیایی، تکمیل 100٪ امکان پذیر نیست. سرعت آنها با رشد این شاخص کاهش می یابد تا زمانی که سیستم به یک تعادل دینامیکی (زمانی که واکنش کل یا تغییر ترکیب رخ نمی دهد) می رسد. نقطه تعادل برای اکثر سیستم ها زیر 100٪ تکمیل روند است. به همین دلیل یک فرایند جداسازی مانند تقطیر لازم است تا واکنش های باقیمانده یا محصولات جانبی را از هدف جدا کنید. این رآکتورها گاهی اوقات می توانند در ابتدای فرآیند، به عنوان مثال، مانند فرایند هابر، دوباره استفاده شوند.

کاربرد PPP

راکتورهای جریان پیستون برای انجام تغییرات شیمیایی ترکیبات در طی حرکت آنها از طریق یک سیستم شبیه به لوله ها به منظور واکنش های بزرگ، سریع، همگن یا ناهمگن، تولید مستمر و فرآیندهای با انتشار مقدار زیادی از حرارت استفاده می شود.

RPP ایده آل دارای زمان اقامت ثابت است، یعنی هر مایع (پیستون) که در زمان t وارد می شود، در زمان t + τ باقی می ماند، در حالی که τ زمان اقامت در تسهیلات است.

رآکتورهای شیمیایی این نوع برای مدت طولانی کارایی بالایی دارند و همچنین انتقال حرارت عالی. معایب PPP دشواری نظارت بر دمای فرآیند است که می تواند منجر به تغییرات دمای نامطلوب و نیز هزینه های بالاتر شود.

راکتورهای کاتالیزوری

اگر چه aggregates این نوع اغلب در قالب یک PPP اجرا می شود، اما نیاز به نگهداری پیچیده تر دارند. میزان واکنش کاتالیزوری متناسب با مقدار کاتالیزور در تماس با مواد شیمیایی است. در مورد کاتالیزور جامد و واکنش های مایع، میزان فرآیندها متناسب با منطقه موجود، ورود مواد شیمیایی و انتخاب محصولات است و بستگی به وجود مخلوط آشفته دارد.

واکنش کاتالیتیک در واقع اغلب یک واکنش چند مرحله ای است. نه تنها واکنش های اولیه با کاتالیزور ارتباط برقرار می کنند. برخی از محصولات میانی با آن واکنش نشان می دهند.

رفتار کاتالیزورها نیز در سینتیک این فرایند، به ویژه در واکنشهای پتروشیمی با درجه حرارت بالا، اهمیت دارد، زیرا آنها توسط سایش، کوکسیون و سایر فرآیندهای غیرفعال می شوند.

کاربرد فناوری های جدید

PFR ها برای تبدیل زیست توده استفاده می شود. در آزمایشات، راکتورهای با فشار بالا استفاده می شود. فشار در آنها می تواند به 35 MPa برسد. استفاده از چندین اندازه می تواند زمان اقامت را از 0.5 تا 600 ثانیه تغییر دهد. برای رسیدن به درجه حرارت بالاتر از 300 درجه سانتیگراد، راکتورهای با گرمایش الکتریکی استفاده می شود. عرضه زیست توده با استفاده از پمپ های HPLC انجام می شود.

RPP نانوذرات آئروسل

علاقه زیادی به سنتز و استفاده از ذرات نانوساختار برای اهداف مختلف، از جمله آلیاژهای بالا آلیاژ و ضخامت فیلم برای صنعت الکترونیک وجود دارد. کاربردهای دیگری شامل اندازه گیری حساسیت مغناطیسی، انتقال مادون قرمز و رزونانس مغناطیسی هسته ای است. برای این سیستم ها، لازم است ذرات اندازه ی کنترل شده تولید شود. قطر آنها، به طور معمول، در محدوده 10 تا 500 نانومتر است.

با توجه به اندازه، شکل و سطح خاصی از سطح خاص، این ذرات می توانند برای تولید رنگدانه های لوازم آرایشی، غشاء، کاتالیزورها، سرامیک، کاتالیزورها و راکتورهای فتوکاتالیتی استفاده شوند. نمونه هایی از برنامه های نانو ذرات شامل SnO ₂ برای سنسورهای مونوکسید کربن، TiO ₂ برای راهنماهای نور، SiO ₂ برای دی اکسید سیلیکون کلوئیدی و فیبرهای نوری، C برای پرکننده های کربن در لاستیک، Fe برای ضبط مواد، Ni برای باتری ها و در حجم های کمتر پالادیوم، منیزیم و بیسموت تمام این مواد در راکتورهای آئروسل تولید می شوند. در پزشکی، نانوذرات برای پیشگیری و درمان عفونت زخم، در ایمپلنت استخوان مصنوعی و همچنین برای تجسم مغز استفاده می شود.

مثال تولید

برای به دست آوردن ذرات آلومینیوم، جریان آرگون اشباع شده با بخارهای فلزی در PFD با قطر 18 میلیمتر و 0.5 متر طول از 1600 درجه سانتیگراد با نرخ 1000 درجه سانتیگراد / ثانیه خنک می شود. همانطور که گاز از طریق راکتور عبور می کند، تشکیل و رشد ذرات آلومینیوم رخ می دهد. جریان جریان 2 dm ³ / min است و فشار 1 atm (1013 Pa) است. با حرکت گاز، گاز سرد می شود و اشباع می شود، که منجر به ایجاد هسته ذرات در نتیجه برخورد و تبخیر مولکول ها می شود، تا زمانی که ذرات به اندازه بحرانی برسد. وقتی که آنها از طریق گاز بیش از حد حرکت می کنند، مولکول های آلومینیوم روی ذرات کنسانتره می کنند و اندازه آنها افزایش می یابد.