Što su kemijski reaktori? Vrste kemijskih reaktora

Kemijska reakcija je proces koji dovodi do transformacije reagensa. Obilježava se promjenama koje rezultiraju u jednom ili više proizvoda različitim od originalnih. Kemijske reakcije su različite prirode. Ovisi o vrsti reagensa, dobivenoj supstanci, uvjetima i vremenu sinteze, raspadanju, pomicanju, izomerizaciji, kiselu alkalizmu, oksidacijskoj redukciji, organskim procesima itd.

Kemijski reaktori su spremnici dizajnirani za provođenje reakcija kako bi se dobio konačni proizvod. Njihov dizajn ovisi o različitim čimbenicima i trebao bi osigurati maksimalni prinos na najisplativiji način.

vrste

Postoje tri osnovna osnovna modela kemijskih reaktora:

• Periodična akcija.
• Neprekidno uz miješalicu (HPM).
• Reaktor s protokom klipova (PFR).

Ovi osnovni modeli mogu se modificirati u skladu sa zahtjevima kemijskog procesa.

Batch reaktor

Kemijski agregati ovog tipa koriste se u serijskim procesima s malim količinama proizvodnje, dugim vremenima reakcije ili postizanjem bolje selektivnosti, kao u nekim procesima polimerizacije.

Za to se, na primjer, koriste spremnici od nehrđajućeg čelika, čiji se sadržaj miješa s unutarnjim noževima, mjehurićima plina ili pumpama. Kontrola temperature provodi se pomoću izmjenjivača topline, rashladnih rashladnika ili pumpanja kroz izmjenjivač topline.

Batch reaktori se trenutno koriste u kemijskoj industriji i prehrambenoj industriji. Njihova automatizacija i optimizacija stvaraju poteškoće, budući da je potrebno kombinirati kontinuirane i diskretne procese.

Polu-periodični kemijski reaktori kombiniraju rad u kontinuiranim i periodičnim načinima rada. Na primjer, bioreaktor se periodički puni i stalno oslobađa ugljični dioksid, koji se mora kontinuirano ukloniti. Slično tome, u reakciji kloriranja, kada je jedan od reaktanata plin klor, ako se ne uvodi kontinuirano, većina isparava.

Da bi se osigurala velika količina proizvodnje, uglavnom se koriste kemijski reaktori kontinuiranog djelovanja ili metalnih spremnika s miješalicom ili kontinuiranim tokom.

Kontinuirano miješani reaktor spremnika

Spremnici od nehrđajućeg čelika se isporučuju s tekućim reagensima. Da bi se osigurala pravilna interakcija, one se miješaju s radnim noževima. Dakle, u reaktorima ovog tipa, reaktanti se kontinuirano dovode u prvi spremnik (vertikalni, čelični), zatim padaju u drugu, pažljivo miješaju u svakom spremniku. Iako je sastav smjese ujednačen u svakom pojedinom spremniku, koncentracija u sustavu u cjelini varira od kapaciteta do kapaciteta.

Prosječno vrijeme koje određena količina reagensa provede u spremniku (vrijeme zadržavanja) može se izračunati jednostavnim dijeljenjem volumena spremnika prosječnom volumetrijskom brzinom protoka kroz nju. Očekivani postotak dovršenja reakcije računa se korištenjem kemijske kinetike.

Spremnici su izrađeni od nehrđajućeg čelika ili legura, kao i s premazom cakline.

Neki važni aspekti HPM-a

Svi izračuni se izvode uzimajući u obzir idealno miješanje. Reakcija se odvija pri brzini povezanoj s konačnom koncentracijom. U stanju ravnoteže, brzina protoka mora biti jednaka brzini protoka, inače spremnik će prelijevati ili isprazniti.

Često je ekonomično raditi s nekoliko sekvencijalnih ili paralelnih HPM. Nehrđajući spremnici, sastavljeni u kaskadi od pet ili šest jedinica, mogu se ponašati poput reaktora s protjecanjem klipa. To omogućava prvoj jedinici da radi s većom koncentracijom reagensa i, prema tome, višom brzinom reakcije. Također, nekoliko HPM stadija može se postaviti u okomiti spremnik čelika, a ne procesi koji se odvijaju u različitim kapacitetima.

U vodoravnoj verziji višestupanjska jedinica je podijeljena okomitim pregradama raznih visina, kroz koje mješavina ulazi u kaskade.

Kada su reagensi slabo miješani ili značajno različiti u gustoći, vertikalni višestupanjski reaktor (emajlirani ili nehrđajući čelik) koristi se u protustrujnom načinu rada. Ovo je učinkovito za provođenje reverzibilnih reakcija.

Mali pseudo-tekući sloj je potpuno pomiješan. Veliki komercijalni reaktor s fluidiziranim slojem ima gotovo jednoliku temperaturu, ali kombinira miješanje i pomaknuti tok i prijelazno stanje između njih.

Kemijski reaktor idealnog pomaka

PFR je (nehrđajući) reaktor u kojem se jedan ili više tekućih reagensa pumpaju kroz cijev ili cijevi. Oni se nazivaju i cjevasti protok. Može imati nekoliko cijevi ili cijevi. Reagensi se stalno isporučuju kroz jedan kraj, a proizvodi izlaze iz drugog. Kemijski procesi nastaju dok smjesa prolazi.

U RPP, brzina reakcije je gradijent: na ulazu je vrlo visoka, ali uz smanjenje koncentracije reagensa i povećanje sadržaja izlaznog proizvoda, njegova se stopa usporava. Obično se postiže stanje dinamičke ravnoteže.

Obična i vertikalna orijentacija reaktora su česta.

Kada je potreban prijenos topline, pojedinačne cijevi se postavljaju u jaknu ili se koriste izmjenjivači topline ljuska i cijevi. U posljednjem slučaju, kemikalije se mogu naći i u kućištu iu cijevi.

Metalni spremnici s velikim promjerom s mlaznicama ili kupkama slični su PFR-u i široko su korišteni. U nekim konfiguracijama se upotrebljava aksijalno i radijalno strujanje, više školjaka s ugrađenim izmjenjivačima topline, vodoravnim ili vertikalnim položajem reaktora i tako dalje.

Spremnik reagensa može se napuniti katalitičkim ili inertnim čvršćim česticama da se poboljša međupredmetni kontakt u heterogenim reakcijama.

Važan čimbenik u RFP je da vertikalno ili horizontalno miješanje ne uzima u obzir u izračunima, što je ono što se podrazumijeva pod pojmom "protok klipa". Reagensi se mogu uvesti u reaktor ne samo u ulaz. Tako je moguće postići veću učinkovitost PFR ili smanjiti njegovu veličinu i cijenu. Performanse PFR obično su veće od one HPM istog volumena. S jednakim volumnim i vremenskim vrijednostima u recipročnim reaktorima, reakcija će imati veći postotak završetka nego u jedinicama za miješanje.

Dinamička ravnoteža

Za većinu kemijskih procesa 100% završetka nije moguće. Njihova se brzina smanjuje s rastom tog pokazatelja sve do trenutka kada sustav dosegne dinamičku ravnotežu (kada se ne javlja ukupna reakcija ili promjena sastava). Ravnotežna točka za većinu sustava nalazi se ispod 100% završetka procesa. Zbog toga je potreban proces odvajanja, kao što je destilacija, da bi se preostali reagensi ili nusproizvodi odvojili od cilja. Ti se reagensi ponekad mogu ponovno upotrijebiti na početku postupka, na primjer, kao što je Haberov postupak.

Primjena JPP-a

Reaktori punjenja klipova koriste se za provođenje kemijske transformacije spojeva tijekom njihovog kretanja kroz sustav koji podsjeća na cijevi u svrhu velikih, brzih, homogenih ili heterogenih reakcija, kontinuirane proizvodnje i procesa s otpuštanjem velikih količina topline.

Idealan RPP ima fiksno vrijeme zadržavanja, tj. Bilo koja tekućina (klip) koji stiže u vremenu t ostavlja ga u vremenu t + τ, gdje je τ vrijeme zadržavanja u objektu.

Kemijski reaktori ovog tipa imaju visoke performanse dulje vrijeme, kao i izvrsni prijenos topline. Nedostaci PPP-a su poteškoća praćenja temperature procesa, što može dovesti do neželjenih promjena temperature, kao i njihovih vecih troškova.

Katalitički reaktori

Iako se agregati ove vrste često provode u obliku PPP-a, oni zahtijevaju složenije održavanje. Brzina katalitičke reakcije proporcionalna je količini katalizatora u dodiru s kemikalijama. U slučaju krutog katalizatora i tekućih reagensa brzina procesa je proporcionalna raspoloživom području, primitku kemikalija i odabiru proizvoda i ovisi o prisutnosti turbulentnog miješanja.

Katalitička reakcija je u stvari često višestupanjska reakcija. Ne samo da su početni reagensi u interakciji s katalizatorom. Neki intermedijerni proizvodi reagiraju s njom.

Ponašanje katalizatora je također bitno u kinetici ovog postupka, posebno u petrokemijskim reakcijama visoke temperature, jer se deaktiviziraju sinteriranjem, koksiranjem i sličnim postupcima.

Primjena novih tehnologija

PFR se koriste za konverziju biomase. U pokusima se koriste visokotlačni reaktori. Tlak u njima može doseći 35 MPa. Upotreba nekoliko veličina omogućuje promjenu vremena boravka od 0,5 do 600 s. Za postizanje temperature iznad 300 ° C koriste se reaktori s električnim grijanjem. Opskrba biomase se vrši pomoću HPLC pumpi.

RPP nanočestica aerosola

Postoji znatan interes za sintezu i uporabu nanoiziranih čestica za razne svrhe, uključujući legure visokih legura i debelih filmskih vodiča za elektroniku industriju. Ostale primjene uključuju mjerenja magnetske osjetljivosti, daleki infracrveni prijenos i nuklearnu magnetsku rezonanciju. Za ove sustave potrebno je proizvesti čestice kontrolirane veličine. Njihov promjer, u pravilu, je u rasponu od 10 do 500 nm.

Zbog njihove veličine, oblika i visoke specifične površine, te se čestice mogu koristiti za izradu kozmetičkih pigmenata, membrana, katalizatora, keramike, katalitičkih i fotokatalitičkih reaktora. Primjeri primjene nanočestica uključuju SnO ₂ za senzore ugljik monoksida, TiO ₂ za svjetlosne vodiče, SiO2 za koloidni silicijev dioksid i optička vlakna, C za ugljikove punila u gumama, Fe za snimanje materijala, Ni za baterije i, u manjim količinama, paladij, magnezij I bizmut. Svi ti materijali su sintetizirani u aerosolnim reaktorima. U medicini se nanočestice koriste za prevenciju i liječenje infekcija rana, umjetnih koštanih implantata, kao i za vizualizaciju mozga.

Primjer proizvodnje

Da bi se dobile čestice aluminija, protok argona zasićenog metalnim parama hladi se u PFD promjera od 18 mm i dužine 0,5 m od 1600 ° C pri brzini od 1000 ° C / s. Dok plin prolazi kroz reaktor, nastaje stvaranje i rast aluminijskih čestica. Brzina protoka je 2 dm3 / min, a tlak je 1 atm (1013 Pa). Dok se plin pomiče, plin se hladi i postaje prekomjerno zasićen, što dovodi do nukleacije čestica kao rezultat sudara i isparavanja molekula, ponavljaju dok čestica ne dostigne kritičnu veličinu. Dok se kreću kroz zasićeni plin, aluminijske molekule se kondenziraju na česticama, povećavajući njihovu veličinu.