راکتورهای شیمیایی چیست؟ انواع راکتورهای شیمیایی

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

واکنش شیمیایی فرآیندی است که منجر به تبدیل واکنش دهنده ها می شود. مشخصه آن تغییراتی است که منجر به ایجاد یک یا چند محصول متفاوت از اصلی می شود. واکنش های شیمیایی ماهیت متفاوتی دارند. بستگی به نوع معرف، ماده به دست آمده، شرایط و زمان سنتز، تجزیه، جابجایی، ایزومریزاسیون، اسید-باز، ردوکس، فرآیندهای آلی و غیره دارد.

راکتورهای شیمیایی ظروفی هستند که برای انجام واکنش ها به منظور تولید محصول نهایی طراحی شده اند. طراحی آنها به عوامل مختلفی بستگی دارد و باید حداکثر خروجی را به مقرون به صرفه ترین راه ارائه دهد.

بازدید

سه مدل اصلی اصلی از راکتورهای شیمیایی وجود دارد:

• دوره ای.
• همزن مداوم (CPM).
• راکتور جریان پلانجر (PFR).

این مدل‌های اساسی را می‌توان برای برآورده کردن الزامات فرآیند شیمیایی تغییر داد.

راکتور دسته ای

واحدهای شیمیایی از این نوع در فرآیندهای دسته ای با حجم تولید کم، زمان واکنش طولانی یا در جاهایی که گزینش پذیری بهتری حاصل می شود، مانند برخی از فرآیندهای پلیمریزاسیون استفاده می شود.

برای این کار مثلاً از ظروف فولادی ضد زنگ استفاده می شود که محتویات آنها با تیغه های کاری داخلی، حباب های گاز یا با استفاده از پمپ مخلوط می شود. کنترل دما با استفاده از ژاکت های تبادل حرارت، کولرهای آبیاری یا پمپاژ از طریق مبدل حرارتی انجام می شود.

راکتورهای دسته ای در حال حاضر در صنایع شیمیایی و صنایع غذایی استفاده می شوند. اتوماسیون و بهینه سازی آنها مشکلاتی را ایجاد می کند، زیرا لازم است فرآیندهای پیوسته و گسسته ترکیب شوند.

راکتورهای شیمیایی نیمه دسته ای عملکرد پیوسته و دسته ای را ترکیب می کنند. به عنوان مثال، یک بیوراکتور به صورت دوره ای بارگذاری می شود و دائماً دی اکسید کربن منتشر می کند که باید به طور مداوم حذف شود. به طور مشابه، در واکنش کلر، زمانی که گاز کلر یکی از واکنش دهنده ها باشد، اگر به طور مداوم وارد نشود، بیشتر آن تبخیر می شود.

برای اطمینان از حجم بالای تولید، عمدتاً از راکتورهای شیمیایی پیوسته یا مخازن فلزی با همزن یا جریان مداوم استفاده می شود.

راکتور همزن پیوسته

معرفهای مایع به مخازن فولاد ضد زنگ وارد می شوند. برای اطمینان از تعامل مناسب، آنها توسط تیغه های کار مخلوط می شوند. بنابراین، دردر راکتورهای این نوع، واکنش دهنده ها به طور مداوم به مخزن اول (عمودی، فولادی) وارد می شوند، سپس وارد مخزن بعدی می شوند، در حالی که در هر مخزن کاملاً مخلوط می شوند. اگرچه ترکیب مخلوط در هر مخزن منفرد همگن است، اما در کل سیستم غلظت از مخزن به مخزن دیگر متفاوت است.

متوسط مدت زمانی که یک مقدار گسسته از معرف در یک مخزن (زمان اقامت) صرف می کند را می توان با تقسیم حجم مخزن بر متوسط دبی حجمی از طریق آن محاسبه کرد. درصد تکمیل واکنش مورد انتظار با استفاده از سینتیک شیمیایی محاسبه می‌شود.

مخازن از فولاد یا آلیاژهای ضد زنگ و همچنین با پوشش لعابی ساخته شده اند.

برخی از جنبه های مهم NPM

همه محاسبات بر اساس اختلاط کامل است. واکنش با سرعتی مرتبط با غلظت نهایی پیش می رود. در حالت تعادل، دبی باید برابر با دبی باشد، در غیر این صورت مخزن سرریز یا خالی می شود.

اغلب کار با HPM های متعدد سریال یا موازی مقرون به صرفه است. مخازن فولاد ضد زنگ که در یک آبشار پنج یا شش واحدی مونتاژ می شوند می توانند مانند یک راکتور جریان برق عمل کنند. این به اولین واحد اجازه می دهد تا با غلظت واکنش دهنده بالاتر و در نتیجه سرعت واکنش سریع تر عمل کند. همچنین، چندین مرحله HPM را می توان در یک مخزن فولادی عمودی قرار داد، به جای اینکه فرآیندها در ظروف مختلف انجام شوند.

در نسخه افقی، واحد چند مرحله‌ای توسط پارتیشن‌های عمودی با ارتفاع‌های مختلف تقسیم می‌شود که مخلوط به‌صورت آبشاری از میان آن‌ها جریان می‌یابد.

هنگامی که واکنش‌دهنده‌ها به‌طور ضعیفی مخلوط می‌شوند یا از نظر چگالی تفاوت قابل‌توجهی دارند، از یک راکتور چند مرحله‌ای عمودی (آشت‌کشی یا فولاد ضد زنگ) در حالت جریان مخالف استفاده می‌شود. این برای انجام واکنش های برگشت پذیر موثر است.

لایه شبه مایع کوچک کاملاً مخلوط شده است. یک راکتور بزرگ تجاری بستر سیال دارای دمای کاملاً یکنواخت است، اما ترکیبی از جریان‌های امتزاج‌پذیر و جابجا شده و حالت‌های گذار بین آنها.

راکتور شیمیایی پلاگ فلو

RPP یک راکتور (ضد زنگ) است که در آن یک یا چند واکنش دهنده مایع از طریق یک لوله یا لوله ها پمپ می شود. به آنها جریان لوله ای نیز می گویند. ممکن است چندین لوله یا لوله داشته باشد. معرف ها دائماً از یک سر وارد می شوند و محصولات از سر دیگر خارج می شوند. فرآیندهای شیمیایی هنگام عبور مخلوط رخ می دهد.

در RPP، سرعت واکنش گرادیان است: در ورودی بسیار زیاد است، اما با کاهش غلظت معرف‌ها و افزایش محتوای محصولات خروجی، سرعت آن کاهش می‌یابد. معمولاً به حالت تعادل دینامیکی می رسد.

هر دو جهت راکتور افقی و عمودی رایج هستند.

هنگامی که نیاز به انتقال حرارت است، لوله‌های جداگانه روکش می‌شوند یا از مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌شود. در مورد دوم، ممکن است مواد شیمیایی باشدهم در پوسته و هم در لوله.

ظروف فلزی با قطر زیاد با نازل یا حمام مشابه RPP هستند و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از پیکربندی ها از جریان محوری و شعاعی، پوسته های متعدد با مبدل های حرارتی داخلی، موقعیت راکتور افقی یا عمودی و غیره استفاده می کنند.

ظرف معرف را می توان با مواد جامد کاتالیزوری یا بی اثر برای بهبود تماس سطحی در واکنش های ناهمگن پر کرد.

در RPP مهم است که محاسبات اختلاط عمودی یا افقی را در نظر نگیرد - این همان چیزی است که از اصطلاح "جریان برق" استفاده می شود. معرف ها را می توان نه تنها از طریق ورودی به راکتور وارد کرد. بنابراین، می توان به راندمان بالاتر RPP دست یافت یا اندازه و هزینه آن را کاهش داد. عملکرد RPP معمولاً بالاتر از HPP با همان حجم است. با مقادیر مساوی حجم و زمان در راکتورهای پیستونی، واکنش درصد تکمیل بالاتری نسبت به واحدهای اختلاط خواهد داشت.

Dynamic Balance

برای اکثر فرآیندهای شیمیایی، دستیابی به 100 درصد تکمیل غیرممکن است. سرعت آنها با رشد این شاخص تا لحظه ای که سیستم به تعادل دینامیکی می رسد (زمانی که واکنش کل یا تغییر در ترکیب رخ نمی دهد) کاهش می یابد. نقطه تعادل برای اکثر سیستم ها زیر 100٪ تکمیل فرآیند است. به همین دلیل، لازم است یک فرآیند جداسازی مانند تقطیر انجام شود تا واکنش دهنده ها یا محصولات جانبی باقی مانده از آنها جدا شود.هدف. گاهی اوقات می توان از این معرف ها در شروع فرآیندی مانند فرآیند هابر مجددا استفاده کرد.

کاربرد PFA

راکتورهای جریان پیستونی برای انجام تبدیل شیمیایی ترکیبات در حین حرکت در یک سیستم لوله مانند برای واکنش‌های مقیاس بزرگ، سریع، همگن یا ناهمگن، تولید مداوم و فرآیندهای تولید حرارت بالا استفاده می‌شوند.

یک RPP ایده آل دارای یک زمان ماندگاری ثابت است، یعنی هر مایع (پیستونی) که در زمان t وارد شود در زمان t + τ از آن خارج می شود، جایی که τ زمان ماند در نصب است.

راکتورهای شیمیایی از این نوع دارای عملکرد بالا در مدت زمان طولانی و همچنین انتقال حرارت عالی هستند. معایب RPP ها دشواری در کنترل دمای فرآیند است که می تواند منجر به نوسانات دمایی ناخواسته و هزینه بالاتر آنها شود.

راکتورهای کاتالیزوری

اگرچه این نوع واحدها اغلب به عنوان RPP پیاده سازی می شوند، اما به تعمیر و نگهداری پیچیده تری نیاز دارند. سرعت یک واکنش کاتالیزوری متناسب با مقدار کاتالیزور در تماس با مواد شیمیایی است. در مورد کاتالیزور جامد و واکنش دهنده های مایع، سرعت فرآیندها متناسب با سطح موجود، ورودی مواد شیمیایی و خروج محصولات است و به حضور اختلاط آشفته بستگی دارد.

یک واکنش کاتالیزوری در واقع اغلب چند مرحله ای است. نه فقطواکنش دهنده های اولیه با کاتالیزور برهمکنش می کنند. برخی از محصولات میانی نیز با آن واکنش نشان می دهند.

رفتار کاتالیزورها نیز در سینتیک این فرآیند، به ویژه در واکنش های پتروشیمی با دمای بالا، مهم است، زیرا آنها با پخت، کک کردن و فرآیندهای مشابه غیرفعال می شوند.

به کارگیری فناوری های جدید

RPP برای تبدیل زیست توده استفاده می شود. در این آزمایش از راکتورهای فشار بالا استفاده می شود. فشار در آنها می تواند به 35 مگاپاسکال برسد. استفاده از چندین اندازه باعث می شود زمان اقامت از 0.5 تا 600 ثانیه متغیر باشد. برای دستیابی به دمای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد، از راکتورهای گرمایش الکتریکی استفاده می شود. زیست توده توسط پمپ های HPLC تامین می شود.

آئروسل نانوذرات RPP

علاقه قابل توجهی به سنتز و کاربرد ذرات با اندازه نانو برای اهداف مختلف، از جمله آلیاژهای پر آلیاژ و هادی های لایه ضخیم برای صنعت الکترونیک وجود دارد. کاربردهای دیگر شامل اندازه گیری حساسیت مغناطیسی، انتقال مادون قرمز دور و تشدید مغناطیسی هسته ای است. برای این سیستم ها تولید ذرات با اندازه کنترل شده ضروری است. قطر آنها معمولاً در محدوده 10 تا 500 نانومتر است.

به دلیل اندازه، شکل و سطح ویژه بالا، این ذرات می توانند برای تولید رنگدانه های آرایشی، غشاها، کاتالیزورها، سرامیک ها، راکتورهای کاتالیزوری و فوتوکاتالیستی استفاده شوند. نمونه های کاربردی برای نانوذرات شامل SnO₂ برای حسگرهامونوکسید کربن، TiO₂ برای راهنماهای نور، SiO_{2 برای دی اکسید سیلیکون کلوئیدی و فیبرهای نوری، C برای پرکننده‌های کربن در لاستیک‌ها، آهن برای مواد ضبط نیکل برای باتری ها و تا حدی پالادیوم، منیزیم و بیسموت. تمام این مواد در راکتورهای آئروسل سنتز می شوند. در پزشکی، نانوذرات برای پیشگیری و درمان عفونت زخم، در ایمپلنت‌های استخوان مصنوعی و برای تصویربرداری مغز استفاده می‌شوند.}

نمونه تولید

برای به دست آوردن ذرات آلومینیوم، جریان آرگون اشباع شده با بخار فلز در یک RPP با قطر 18 میلی متر و طول 0.5 متر از دمای 1600 درجه سانتی گراد با سرعت 1000 درجه سانتی گراد بر ثانیه خنک می شود.. با عبور گاز از راکتور، هسته و رشد ذرات آلومینیوم رخ می دهد. سرعت جریان 2 dm3/min و فشار 1 atm (1013 Pa) است. با حرکت، گاز سرد می شود و فوق اشباع می شود که منجر به هسته شدن ذرات در نتیجه برخورد و تبخیر مولکول ها می شود و تا زمانی که ذره به اندازه بحرانی برسد تکرار می شود. با حرکت آنها در میان گاز فوق اشباع، مولکول های آلومینیوم روی ذرات متراکم می شوند و اندازه آنها افزایش می یابد.