Šta su hemijski reaktori? Vrste hemijskih reaktora

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Kemijska reakcija je proces koji dovodi do transformacije reaktanata. Karakteriziraju ga promjene koje rezultiraju jednim ili više proizvoda koji se razlikuju od originala. Hemijske reakcije su drugačije prirode. Zavisi od vrste reagensa, dobijene supstance, uslova i vremena sinteze, razgradnje, istiskivanja, izomerizacije, acidobazne, redoks, organskih procesa, itd.

Kemijski reaktori su kontejneri dizajnirani da provode reakcije u cilju proizvodnje konačnog proizvoda. Njihov dizajn zavisi od različitih faktora i treba da obezbedi maksimalan učinak na najisplativiji način.

Pregledi

Postoje tri osnovna modela hemijskih reaktora:

• Periodično.
• Kontinuirano miješanje (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Ovi osnovni modeli mogu se modificirati kako bi zadovoljili zahtjeve hemijskog procesa.

Batch reaktor

Kemijske jedinice ovog tipa koriste se u serijskim procesima sa malim obimom proizvodnje, dugim vremenom reakcije ili gdje se postiže bolja selektivnost, kao u nekim procesima polimerizacije.

Za to se, na primjer, koriste posude od nehrđajućeg čelika, čiji se sadržaj miješa sa unutrašnjim radnim noževima, plinskim mjehurićima ili pomoću pumpi. Kontrola temperature se vrši pomoću omotača za izmjenu topline, hladnjaka za navodnjavanje ili pumpanjem kroz izmjenjivač topline.

Serijalni reaktori se trenutno koriste u hemijskoj i prehrambenoj industriji. Njihova automatizacija i optimizacija stvara poteškoće, jer je potrebno kombinovati kontinuirane i diskretne procese.

Poluserijski hemijski reaktori kombinuju kontinuirani i serijski rad. Bioreaktor se, na primjer, periodično puni i stalno emituje ugljični dioksid, koji se mora kontinuirano uklanjati. Slično, u reakciji hloriranja, kada je plinoviti hlor jedan od reaktanata, ako se ne uvodi kontinuirano, većina će se ispariti.

Da bi se osigurale velike količine proizvodnje, uglavnom se koriste kontinuirani hemijski reaktori ili metalni rezervoari s miješalicom ili kontinuiranim protokom.

Reaktor s kontinuiranim miješanjem

Tečni reagensi se unose u rezervoare od nerđajućeg čelika. Da bi se osigurala pravilna interakcija, miješaju se pomoću radnih noževa. Dakle, uU reaktorima ovog tipa, reaktanti se kontinuirano dovode u prvi rezervoar (vertikalni, čelični), zatim ulaze u sledeće, dok se u svakom rezervoaru dobro mešaju. Iako je sastav smeše homogen u svakom pojedinačnom rezervoaru, u sistemu kao celini koncentracija varira od rezervoara do rezervoara.

Prosječna količina vremena koju diskretna količina reagensa provede u spremniku (vrijeme boravka) može se izračunati jednostavnim dijeljenjem volumena spremnika s prosječnim volumetrijskim protokom kroz njega. Očekivani postotak završetka reakcije izračunava se korištenjem kemijske kinetike.

Rezervoari su izrađeni od nerđajućeg čelika ili legura, kao i sa emajliranim premazom.

Neki važni aspekti NPM-a

Svi proračuni su zasnovani na savršenom miješanju. Reakcija se odvija brzinom koja je povezana s konačnom koncentracijom. U ravnoteži, brzina protoka mora biti jednaka protoku, inače će se rezervoar preliti ili isprazniti.

Često je isplativo raditi sa više serijskih ili paralelnih HPM-ova. Rezervoari od nerđajućeg čelika sastavljeni u kaskadi od pet ili šest jedinica mogu se ponašati kao reaktor sa čepom. Ovo omogućava prvoj jedinici da radi na višoj koncentraciji reaktanata i stoga bržoj brzini reakcije. Takođe, nekoliko faza HPM-a može se postaviti u vertikalni čelični rezervoar, umesto da se procesi odvijaju u različitim kontejnerima.

U horizontalnoj verziji, višestepena jedinica je podijeljena vertikalnim pregradama različitih visina kroz koje smjesa teče kaskadno.

Kada su reaktanti loše pomiješani ili se značajno razlikuju u gustini, vertikalni višestepeni reaktor (obložen ili nehrđajući čelik) se koristi u protustrujnom režimu. Ovo je efikasno za izvođenje reverzibilnih reakcija.

Mali sloj pseudo-tečnosti je potpuno izmiješan. Veliki komercijalni reaktor s fluidiziranim slojem ima suštinski ujednačenu temperaturu, ali mješavinu mješovitih i izmještenih strujanja i prelaznih stanja između njih.

Plug-flow hemijski reaktor

RPP je reaktor (nehrđajući) u kojem se jedan ili više tekućih reaktanata pumpa kroz cijev ili cijevi. Nazivaju se i cevasti protok. Može imati nekoliko cijevi ili cijevi. Reagensi stalno ulaze kroz jedan kraj, a proizvodi izlaze s drugog. Hemijski procesi se javljaju kako smjesa prolazi.

U RPP-u, brzina reakcije je gradijentna: na ulazu je vrlo visoka, ali sa smanjenjem koncentracije reagensa i povećanjem sadržaja izlaznih proizvoda, njena brzina se usporava. Obično se postiže stanje dinamičke ravnoteže.

I horizontalne i vertikalne orijentacije reaktora su uobičajene.

Kada je potreban prijenos topline, pojedinačne cijevi su omotane ili se koristi izmjenjivač topline s školjkom i cijevi. U potonjem slučaju, hemikalije mogu bitii u školjki iu tubi.

Metalni kontejneri velikog prečnika sa mlaznicama ili kupkama slični su RPP-u i široko se koriste. Neke konfiguracije koriste aksijalni i radijalni protok, više školjki sa ugrađenim izmjenjivačima topline, horizontalnu ili vertikalnu poziciju reaktora, itd.

Posuda za reagens se može napuniti katalitičkim ili inertnim čvrstim materijama kako bi se poboljšao međufazni kontakt u heterogenim reakcijama.

U RPP-u je važno da proračuni ne uzimaju u obzir vertikalno ili horizontalno miješanje - to je ono što se podrazumijeva pod pojmom "čepni protok". Reagensi se mogu unositi u reaktor ne samo kroz ulaz. Tako je moguće postići veću efikasnost RPP-a ili smanjiti njegovu veličinu i cijenu. Performanse RPP-a su obično veće od performansi HPP-a iste zapremine. Uz jednake vrijednosti zapremine i vremena u klipnim reaktorima, reakcija će imati veći postotak završetka nego u jedinicama za miješanje.

Dynamic Balance

Za većinu hemijskih procesa nemoguće je postići 100 posto završetak. Njihova brzina opada sa rastom ovog indikatora do trenutka kada sistem postigne dinamičku ravnotežu (kada ne dođe do ukupne reakcije ili promene sastava). Tačka ravnoteže za većinu sistema je ispod 100% završetka procesa. Iz tog razloga, potrebno je provesti proces odvajanja, kao što je destilacija, kako bi se odvojili preostali reaktanti ili nusproizvodi izcilj. Ovi reagensi se ponekad mogu ponovo koristiti na početku procesa kao što je Haberov proces.

Primjena PFA

Reaktori klipnog protoka se koriste za izvođenje hemijske transformacije jedinjenja dok se kreću kroz sistem nalik na cijev za velike, brze, homogene ili heterogene reakcije, kontinuiranu proizvodnju i procese velike toplote.

Idealni RPP ima fiksno vrijeme zadržavanja, tj. svaka tečnost (klip) koja uđe u vrijeme t će je napustiti u trenutku t + τ, gdje je τ vrijeme zadržavanja u instalaciji.

Kemijski reaktori ovog tipa imaju visoke performanse tokom dugih vremenskih perioda, kao i odličan prijenos topline. Nedostaci RPP-a su poteškoće u kontroli temperature procesa, što može dovesti do neželjenih temperaturnih fluktuacija i njihova veća cijena.

Katalitički reaktori

Iako se ove vrste jedinica često implementiraju kao RPP, zahtijevaju složenije održavanje. Brzina katalitičke reakcije je proporcionalna količini katalizatora u kontaktu sa hemikalijama. U slučaju čvrstog katalizatora i tečnih reaktanata, brzina procesa je proporcionalna raspoloživoj površini, unosu hemikalija i povlačenju proizvoda i zavisi od prisustva turbulentnog mešanja.

Katalitička reakcija je zapravo često višestepena. Ne samopočetni reaktanti stupaju u interakciju sa katalizatorom. Neki intermedijarni proizvodi također reaguju s njim.

Ponašanje katalizatora je takođe važno u kinetici ovog procesa, posebno u petrohemijskim reakcijama na visokim temperaturama, jer se oni deaktiviraju sinterovanjem, koksom i sličnim procesima.

Primjena novih tehnologija

RPP se koriste za konverziju biomase. U eksperimentima se koriste reaktori visokog pritiska. Pritisak u njima može doseći 35 MPa. Upotreba nekoliko veličina omogućava variranje vremena zadržavanja od 0,5 do 600 s. Za postizanje temperatura iznad 300 °C koriste se reaktori sa električnim grijanjem. Biomasa se snabdeva HPLC pumpama.

RPP aerosol nanočestice

Postoji značajan interes za sintezu i primjenu nanoveličinih čestica za različite svrhe, uključujući legure visoke legure i debeloslojne provodnike za elektronsku industriju. Druge primjene uključuju mjerenje magnetske osjetljivosti, daleko infracrveni prijenos i nuklearnu magnetnu rezonancu. Za ove sisteme potrebno je proizvesti čestice kontrolirane veličine. Njihov prečnik je obično u rasponu od 10 do 500 nm.

Zbog svoje veličine, oblika i visoke specifične površine, ove čestice se mogu koristiti za proizvodnju kozmetičkih pigmenata, membrana, katalizatora, keramike, katalitičkih i fotokatalitičkih reaktora. Primjeri primjene nanočestica uključuju SnO₂ za senzoreugljični monoksid, TiO₂ za svjetlosne vodiče, SiO_{2 za koloidni silicijum dioksid i optička vlakna, C za ugljična punila u gumama, Fe za materijale za snimanje, Ni za baterije i, u manjoj meri, paladijum, magnezijum i bizmut. Svi ovi materijali se sintetiziraju u aerosolnim reaktorima. U medicini, nanočestice se koriste za prevenciju i liječenje infekcija rana, u implantatima umjetne kosti i za snimanje mozga.}

Primjer proizvodnje

Da bi se dobile aluminijske čestice, tok argona zasićen metalnom parom se hladi u RPP-u prečnika 18 mm i dužine 0,5 m sa temperature od 1600 °C brzinom od 1000 °C/s. Kako plin prolazi kroz reaktor, dolazi do nukleacije i rasta aluminijskih čestica. Brzina protoka je 2 dm3/min, a pritisak je 1 atm (1013 Pa). Kako se kreće, plin se hladi i postaje prezasićen, što dovodi do nukleacije čestica kao rezultat sudara i isparavanja molekula, koje se ponavlja dok čestica ne dostigne kritičnu veličinu. Dok se kreću kroz prezasićeni gas, molekuli aluminijuma se kondenzuju na česticama, povećavajući njihovu veličinu.