Co to są reaktory chemiczne? Rodzaje reaktorów chemicznych

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Reakcja chemiczna to proces, który prowadzi do przekształcenia reagentów. Charakteryzuje się zmianami, które powodują, że jeden lub więcej produktów różni się od oryginału. Reakcje chemiczne mają inny charakter. Zależy to od rodzaju odczynników, otrzymanej substancji, warunków i czasu syntezy, rozkładu, wypierania, izomeryzacji, kwasowo-zasadowej, redoks, procesów organicznych itp.

Reaktory chemiczne to pojemniki przeznaczone do przeprowadzania reakcji w celu wytworzenia produktu końcowego. Ich konstrukcja zależy od różnych czynników i powinna zapewniać maksymalną wydajność w najbardziej opłacalny sposób.

Wyświetlenia

Istnieją trzy główne podstawowe modele reaktorów chemicznych:

• Okresowo.
• Ciągłe mieszanie (CPM).
• Reaktor z przepływem tłokowym (PFR).

Te podstawowe modele można modyfikować w celu spełnienia wymagań procesu chemicznego.

Reaktor wsadowy

Jednostki chemiczne tego typu są używane w procesach wsadowych o małych objętościach produkcyjnych, długim czasie reakcji lub tam, gdzie osiąga się lepszą selektywność, jak w niektórych procesach polimeryzacji.

Do tego celu używa się na przykład pojemników ze stali nierdzewnej, których zawartość miesza się za pomocą wewnętrznych łopatek roboczych, pęcherzyków gazu lub za pomocą pomp. Kontrola temperatury odbywa się za pomocą płaszczy wymiany ciepła, chłodnic nawadniających lub pompowania przez wymiennik ciepła.

Reaktory wsadowe są obecnie stosowane w przemyśle chemicznym i spożywczym. Ich automatyzacja i optymalizacja stwarza trudności, ponieważ konieczne jest łączenie procesów ciągłych i dyskretnych.

Reaktory chemiczne półokresowe łączą pracę ciągłą i okresową. Na przykład bioreaktor jest okresowo ładowany i stale emituje dwutlenek węgla, który musi być stale usuwany. Podobnie w reakcji chlorowania, gdy jednym z reagentów jest chlor gazowy, jeśli nie jest on wprowadzany w sposób ciągły, większość ulatnia się.

Aby zapewnić dużą produkcję, stosuje się głównie reaktory chemiczne o działaniu ciągłym lub zbiorniki metalowe z mieszadłem lub przepływem ciągłym.

Reaktor z ciągłym mieszaniem

Odczynniki płynne są podawane do zbiorników ze stali nierdzewnej. Aby zapewnić prawidłowe współdziałanie, są one mieszane przez pracujące noże. Tak więc, wW tego typu reaktorach reagenty podawane są w sposób ciągły do pierwszego zbiornika (pionowego, stalowego), a następnie wchodzą do kolejnych, dokładnie mieszając się w każdym zbiorniku. Chociaż skład mieszanki jest jednorodny w każdym pojedynczym zbiorniku, w systemie jako całości stężenie różni się w zależności od zbiornika.

Średni czas, jaki dyskretna ilość odczynnika spędza w zbiorniku (czas przebywania) można obliczyć po prostu dzieląc objętość zbiornika przez średnie objętościowe natężenie przepływu przez niego. Oczekiwany procent zakończenia reakcji jest obliczany przy użyciu kinetyki chemicznej.

Zbiorniki są wykonane ze stali nierdzewnej lub stopów, a także z powłoką emaliowaną.

Niektóre ważne aspekty NPM

Wszystkie obliczenia opierają się na idealnym mieszaniu. Reakcja przebiega z szybkością zależną od stężenia końcowego. W stanie równowagi natężenie przepływu musi być równe natężeniu przepływu, w przeciwnym razie zbiornik przepełni się lub opróżni.

Często opłacalna jest praca z wieloma szeregowymi lub równoległymi modułami HPM. Zbiorniki ze stali nierdzewnej zmontowane w kaskadzie pięciu lub sześciu jednostek mogą zachowywać się jak reaktor z przepływem tłokowym. Dzięki temu pierwsza jednostka może działać przy wyższym stężeniu reagenta, a tym samym na większą szybkość reakcji. Ponadto kilka etapów HPM można umieścić w pionowym stalowym zbiorniku, zamiast procesów zachodzących w różnych pojemnikach.

W wersji poziomej jednostka wielostopniowa jest podzielona pionowymi przegrodami o różnej wysokości, przez które mieszanina przepływa kaskadowo.

Gdy reagenty są słabo wymieszane lub różnią się znacznie gęstością, stosuje się pionowy wielostopniowy reaktor (z wykładziną lub ze stali nierdzewnej) w trybie przeciwprądowym. Jest to skuteczne przy przeprowadzaniu reakcji odwracalnych.

Mała warstwa pseudopłynu jest całkowicie wymieszana. Duży komercyjny reaktor ze złożem fluidalnym ma zasadniczo jednolitą temperaturę, ale jest mieszanką mieszających się i przemieszczonych strumieni oraz stanów przejściowych między nimi.

Plug-flow reaktor chemiczny

RPP to reaktor (nierdzewny), w którym jeden lub więcej ciekłych reagentów jest pompowanych przez rurę lub rury. Nazywa się je również przepływem rurowym. Może mieć kilka rurek lub rurek. Odczynniki stale przechodzą jednym końcem, a produkty wychodzą drugim. Podczas przechodzenia mieszaniny zachodzą procesy chemiczne.

W RPP szybkość reakcji jest gradientowa: na wejściu jest bardzo wysoka, ale wraz ze spadkiem stężenia odczynników i wzrostem zawartości produktów wyjściowych jej szybkość spada. Zwykle osiągany jest stan równowagi dynamicznej.

Powszechna jest zarówno pozioma, jak i pionowa orientacja reaktora.

Gdy wymagany jest transfer ciepła, pojedyncze rury są osłonięte lub używany jest płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła. W tym drugim przypadku chemikalia mogą być:zarówno w powłoce jak i tubie.

Metalowe pojemniki o dużej średnicy z dyszami lub wannami są podobne do RPP i są szeroko stosowane. Niektóre konfiguracje wykorzystują przepływ osiowy i promieniowy, wiele płaszczy z wbudowanymi wymiennikami ciepła, poziomą lub pionową pozycję reaktora itd.

Naczynie z odczynnikiem można napełnić katalitycznymi lub obojętnymi substancjami stałymi, aby poprawić kontakt międzyfazowy w reakcjach heterogenicznych.

W RPP ważne jest, aby w obliczeniach nie brać pod uwagę mieszania pionowego ani poziomego - to właśnie oznacza termin „przepływ tłokowy”. Odczynniki można wprowadzać do reaktora nie tylko przez wlot. W ten sposób można osiągnąć wyższą wydajność RPP lub zmniejszyć jego wielkość i koszt. Wydajność RPP jest zwykle wyższa niż HPP o tej samej objętości. Przy równych wartościach objętości i czasu w reaktorach tłokowych reakcja będzie miała wyższy procent zakończenia niż w jednostkach mieszających.

Równowaga dynamiczna

W przypadku większości procesów chemicznych nie jest możliwe osiągnięcie 100% ukończenia. Ich prędkość maleje wraz ze wzrostem tego wskaźnika, aż do momentu osiągnięcia przez układ równowagi dynamicznej (kiedy nie zachodzi całkowita reakcja lub zmiana składu). Punkt równowagi dla większości systemów jest poniżej 100% ukończenia procesu. Z tego powodu konieczne jest przeprowadzenie procesu separacji, takiego jak destylacja, w celu oddzielenia pozostałych reagentów lub produktów ubocznych odcel. Odczynniki te można czasem ponownie wykorzystać na początku procesu, takiego jak proces Habera.

Zastosowanie PFA

Reaktory z przepływem tłokowym są używane do przeprowadzania transformacji chemicznej związków, gdy przemieszczają się one przez system przypominający rurę, w celu przeprowadzenia na dużą skalę, szybkich, jednorodnych lub heterogenicznych reakcji, ciągłej produkcji i procesów generujących duże ilości ciepła.

Idealny RPP ma ustalony czas przebywania, tj. każdy płyn (tłok) wchodzący w czasie t opuści go w czasie t + τ, gdzie τ jest czasem przebywania w instalacji.

Reaktory chemiczne tego typu charakteryzują się wysoką wydajnością przez długi czas, a także doskonałym przenoszeniem ciepła. Wadami RPP są trudności w kontrolowaniu temperatury procesu, co może prowadzić do niepożądanych wahań temperatury i ich wyższych kosztów.

Reaktory katalityczne

Chociaż tego typu jednostki są często implementowane jako RPP, wymagają bardziej złożonej konserwacji. Szybkość reakcji katalitycznej jest proporcjonalna do ilości katalizatora w kontakcie z chemikaliami. W przypadku katalizatora stałego i reagentów ciekłych, szybkość procesów jest proporcjonalna do dostępnego obszaru, wkładu chemikaliów i wycofania produktów oraz zależy od obecności mieszania turbulentnego.

Reakcja katalityczna jest często wieloetapowa. Nie tylkopoczątkowe reagenty oddziałują z katalizatorem. Niektóre produkty pośrednie również reagują z nim.

Zachowanie katalizatorów jest również ważne dla kinetyki tego procesu, zwłaszcza w wysokotemperaturowych reakcjach petrochemicznych, ponieważ są one dezaktywowane przez spiekanie, koksowanie i podobne procesy.

Zastosowanie nowych technologii

RPP są używane do konwersji biomasy. W eksperymentach wykorzystywane są reaktory wysokociśnieniowe. Ciśnienie w nich może osiągnąć 35 MPa. Zastosowanie kilku rozmiarów pozwala na zmianę czasu przebywania od 0,5 do 600 sekund. Aby osiągnąć temperatury powyżej 300 °C, stosuje się reaktory ogrzewane elektrycznie. Biomasa jest dostarczana przez pompy HPLC.

Nanocząsteczki aerozolu RPP

Istnieje duże zainteresowanie syntezą i zastosowaniem nanocząsteczek do różnych celów, w tym stopów wysokostopowych i przewodników grubowarstwowych dla przemysłu elektronicznego. Inne zastosowania obejmują pomiary podatności magnetycznej, transmisję w dalekiej podczerwieni i magnetyczny rezonans jądrowy. W przypadku tych systemów konieczne jest wytwarzanie cząstek o kontrolowanej wielkości. Ich średnica zwykle mieści się w zakresie od 10 do 500 nm.

Ze względu na swój rozmiar, kształt i dużą powierzchnię właściwą, cząstki te mogą być wykorzystywane do produkcji pigmentów kosmetycznych, membran, katalizatorów, ceramiki, reaktorów katalitycznych i fotokatalitycznych. Przykłady zastosowań nanocząstek obejmują SnO₂ dla czujnikówtlenek węgla, TiO₂ do światłowodów, SiO_{2 do koloidalnego dwutlenku krzemu i światłowodów, C do wypełniaczy węglowych w oponach, Fe do materiałów rejestrujących, Ni dla akumulatorów oraz w mniejszym stopniu pallad, magnez i bizmut. Wszystkie te materiały są syntetyzowane w reaktorach aerozolowych. W medycynie nanocząsteczki są wykorzystywane do zapobiegania i leczenia infekcji ran, w sztucznych implantach kostnych oraz do obrazowania mózgu.}

Przykład produkcji

Aby uzyskać cząstki aluminium, strumień argonu nasycony parami metalu jest schładzany w RPP o średnicy 18 mm i długości 0,5 m z temperatury 1600 °C z szybkością 1000 °C/s. Gdy gaz przechodzi przez reaktor, następuje zarodkowanie i wzrost cząstek glinu. Natężenie przepływu wynosi 2 dm3/min, a ciśnienie wynosi 1 atm (1013 Pa). Podczas ruchu gaz ochładza się i staje się przesycony, co prowadzi do zarodkowania cząstek w wyniku zderzeń i parowania cząsteczek, powtarzanych aż do osiągnięcia przez cząsteczkę rozmiaru krytycznego. Gdy poruszają się w przesyconym gazie, cząsteczki aluminium kondensują się na cząsteczkach, zwiększając ich rozmiar.