Što su kemijski reaktori? Vrste kemijskih reaktora

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Kemijska reakcija je proces koji dovodi do transformacije reaktanata. Karakteriziraju ga promjene koje rezultiraju jednim ili više proizvoda koji se razlikuju od originala. Kemijske reakcije su drugačije prirode. Ovisi o vrsti reagensa, dobivenoj tvari, uvjetima i vremenu sinteze, razgradnje, istiskivanja, izomerizacije, acidobazne, redoks, organskih procesa, itd.

Kemijski reaktori su spremnici dizajnirani za provođenje reakcija kako bi se proizveo konačni proizvod. Njihov dizajn ovisi o različitim čimbenicima i trebao bi pružiti maksimalan učinak na najisplativiji način.

Pregledi

Postoje tri osnovna modela kemijskih reaktora:

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

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

Batch reaktor

Kemijske jedinice ove vrste koriste se u šaržnim procesima s 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 s unutarnjim radnim noževima, mjehurićima plina ili pomoću pumpi. Kontrola temperature se provodi korištenjem omotača za izmjenu topline, hladnjaka za navodnjavanje ili pumpanjem kroz izmjenjivač topline.

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

Poluserijski kemijski reaktori kombiniraju kontinuirani i šaržni rad. Bioreaktor se, na primjer, povremeno puni i neprestano ispušta ugljični dioksid koji se mora kontinuirano uklanjati. Slično, u reakciji kloriranja, kada je plinoviti klor jedan od reaktanata, ako se ne uvodi kontinuirano, većina će se ispariti.

Kako bi se osigurale velike količine proizvodnje, uglavnom se koriste kontinuirani kemijski reaktori ili metalni spremnici s miješalicom ili kontinuiranim protokom.

Reaktor s kontinuiranim miješanjem

Tekući reagensi se unose u spremnike od nehrđajućeg čelika. Kako bi se osigurala pravilna interakcija, miješaju ih radne oštrice. Dakle, uU reaktorima ovog tipa reaktanti se kontinuirano dovode u prvi spremnik (vertikalni, čelični), zatim ulaze u sljedeće, dok se u svakom spremniku temeljito miješaju. Iako je sastav smjese homogen u svakom pojedinom spremniku, u sustavu kao cjelini koncentracija varira od spremnika do spremnika.

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.

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

Neki važni aspekti NPM-a

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

Često je isplativo raditi s više serijskih ili paralelnih HPM-ova. Spremnici od nehrđajućeg čelika sastavljeni u kaskadi od pet ili šest jedinica mogu se ponašati kao reaktor s čepom. To omogućuje prvoj jedinici da radi s višom koncentracijom reaktanata i stoga bržom brzinom reakcije. Također, nekoliko faza HPM-a može se postaviti u vertikalni čelični spremnik, umjesto da se procesi odvijaju u različitim spremnicima.

U horizontalnoj verziji, višestupanjska jedinica je podijeljena vertikalnim pregradama različitih visina kroz koje smjesa teče u kaskadama.

Kada su reaktanti loše izmiješani ili se značajno razlikuju u gustoći, vertikalni višestupanjski reaktor (obložen ili nehrđajući čelik) koristi se u protustrujnom načinu rada. Ovo je učinkovito za provođenje reverzibilnih reakcija.

Mali pseudo-tekući sloj je potpuno izmiješan. Veliki komercijalni reaktor s fluidiziranim slojem ima uglavnom ujednačenu temperaturu, ali mješavinu mješovitih i pomaknutih strujanja i prijelaznih stanja između njih.

Kemijski reaktor s utičnim protokom

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

U RPP-u, brzina reakcije je gradijentna: na ulazu je vrlo visoka, ali sa smanjenjem koncentracije reagensa i povećanjem sadržaja izlaznih proizvoda, njezina 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, kemikalije mogu bitii u ljusci i u cijevi.

Metalni spremnici velikog promjera s mlaznicama ili kupkama slični su RPP-u i široko se koriste. Neke konfiguracije koriste aksijalni i radijalni tok, više školjki s ugrađenim izmjenjivačima topline, horizontalni ili vertikalni položaj reaktora i tako dalje.

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

U RPP-u je važno da izračuni ne uzimaju u obzir vertikalno ili horizontalno miješanje - to je ono što se podrazumijeva pod pojmom "protok čepa". Reagensi se mogu uvesti u reaktor ne samo kroz ulaz. Tako je moguće postići veću učinkovitost RPP-a ili smanjiti njegovu veličinu i cijenu. Izvedba RPP-a je obično veća od one HE istog volumena. Uz jednake vrijednosti volumena i vremena u klipnim reaktorima, reakcija će imati veći postotak završetka nego u jedinicama za miješanje.

Dynamic Balance

Za većinu kemijskih procesa nemoguće je postići 100 posto završetak. Njihova brzina opada s rastom ovog pokazatelja do trenutka kada sustav postigne dinamičku ravnotežu (kada ne dođe do ukupne reakcije ili promjene sastava). Točka ravnoteže za većinu sustava 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. Ti se reagensi ponekad mogu ponovno upotrijebiti na početku procesa kao što je Haberov proces.

Primjena PFA

Protočni reaktori klipa koriste se za izvođenje kemijske transformacije spojeva dok se kreću kroz sustav nalik cijevi za velike, brze, homogene ili heterogene reakcije, kontinuiranu proizvodnju i procese velike topline.

Idealni RPP ima fiksno vrijeme zadržavanja, tj. bilo koja tekućina (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 tijekom dugog vremenskog razdoblja, kao i izvrstan prijenos topline. Nedostaci RPP-a su poteškoće u kontroli temperature procesa, što može dovesti do neželjenih temperaturnih fluktuacija, te njihova veća cijena.

Katalitički reaktori

Iako se ove vrste jedinica često implementiraju kao RPP, zahtijevaju složenije održavanje. Brzina katalitičke reakcije proporcionalna je količini katalizatora u kontaktu s kemikalijama. U slučaju čvrstog katalizatora i tekućih reaktanata, brzina procesa je proporcionalna raspoloživoj površini, unosu kemikalija i povlačenju proizvoda i ovisi o prisutnosti turbulentnog miješanja.

Katalitička reakcija je zapravo često u više koraka. Ne samopočetni reaktanti stupaju u interakciju s katalizatorom. Neki međuproizvodi također reagiraju s njim.

Ponašanje katalizatora također je važno u kinetici ovog procesa, posebno u petrokemijskim reakcijama na visokim temperaturama, jer se deaktiviraju sinteriranjem, koksanjem i sličnim procesima.

Primjena novih tehnologija

RPP se koriste za pretvorbu biomase. U pokusima se koriste visokotlačni reaktori. Tlak u njima može doseći 35 MPa. Korištenje nekoliko veličina omogućuje variranje vremena zadržavanja od 0,5 do 600 s. Za postizanje temperatura iznad 300 °C koriste se električni grijani reaktori. Biomasa se opskrbljuje HPLC pumpama.

RPP aerosolne nanočestice

Postoji značajan interes za sintezu i primjenu nanoveličinih čestica za različite namjene, uključujući legure visoke legure i debeloslojne vodiče za elektroničku industriju. Ostale primjene uključuju mjerenja magnetske osjetljivosti, daleko infracrveni prijenos i nuklearnu magnetsku rezonanciju. Za ove sustave potrebno je proizvesti čestice kontrolirane veličine. Njihov promjer je obično u rasponu od 10 do 500 nm.

Zbog svoje veličine, oblika i velike specifične površine, ove se čestice 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 silicijev dioksid i optička vlakna, C za ugljična punila u gumama, Fe za materijale za snimanje, Ni za baterije i, u manjoj mjeri, paladij, magnezij i bizmut. Svi ovi materijali se sintetiziraju u aerosolnim reaktorima. U medicini se nanočestice koriste za sprječavanje 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 promjera 18 mm i duljine 0,5 m s 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 tlak je 1 atm (1013 Pa). Kako se kreće, plin se hladi i postaje prezasićen, što dovodi do nukleacije čestica kao posljedica sudara i isparavanja molekula, koji se ponavlja sve dok čestica ne dosegne kritičnu veličinu. Dok se kreću kroz prezasićeni plin, molekule aluminija kondenziraju se na česticama, povećavajući njihovu veličinu.