Kaj so kemični reaktorji? Vrste kemičnih reaktorjev

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Kemična reakcija je proces, ki vodi do transformacije reaktantov. Zanj so značilne spremembe, ki povzročijo enega ali več izdelkov, ki se razlikujejo od izvirnika. Kemične reakcije so drugačne narave. Odvisno je od vrste reagentov, pridobljene snovi, pogojev in časa sinteze, razgradnje, izpodrivanja, izomerizacije, kislinsko-baznega, redoksnega, organskih procesov itd.

Kemični reaktorji so posode, zasnovane za izvajanje reakcij za proizvodnjo končnega izdelka. Njihova zasnova je odvisna od različnih dejavnikov in mora zagotavljati največjo moč na najbolj stroškovno učinkovit način.

Ogledi

Obstajajo trije glavni osnovni modeli kemičnih reaktorjev:

• periodično.
• Neprekinjeno mešanje (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Te osnovne modele je mogoče spremeniti, da ustrezajo zahtevam kemičnega postopka.

serijski reaktor

Kemične enote te vrste se uporabljajo v šaržnih procesih z nizkim obsegom proizvodnje, dolgimi reakcijskimi časi ali kjer je dosežena boljša selektivnost, kot pri nekaterih polimerizacijskih procesih.

Za to se na primer uporabljajo posode iz nerjavnega jekla, katerih vsebina se meša z notranjimi delovnimi rezili, plinskimi mehurčki ali s pomočjo črpalk. Regulacija temperature se izvaja s plaščemi za izmenjavo toplote, namakalnimi hladilniki ali črpanjem skozi toplotni izmenjevalnik.

Šaržni reaktorji se trenutno uporabljajo v kemični in živilskopredelovalni industriji. Njihova avtomatizacija in optimizacija povzroča težave, saj je potrebno kombinirati neprekinjene in diskretne procese.

Semi-serijski kemični reaktorji združujejo neprekinjeno in serijsko delovanje. Bioreaktor, na primer, se občasno polni in nenehno oddaja ogljikov dioksid, ki ga je treba nenehno odstranjevati. Podobno se v reakciji kloriranja, ko je plinast klor eden od reaktantov, večina izhlapi, če ga ne uvajamo neprekinjeno.

Za zagotavljanje velikih količin proizvodnje se večinoma uporabljajo neprekinjeni kemični reaktorji ali kovinski rezervoarji z mešalom ali neprekinjenim pretokom.

reaktor s stalnim mešanjem

Tekoči reagenti se dovajajo v rezervoarje iz nerjavnega jekla. Da bi zagotovili pravilno interakcijo, jih mešajo delovna rezila. Tako vV reaktorjih te vrste se reaktanti neprekinjeno dovajajo v prvi rezervoar (vertikalni, jekleni), nato pa vstopijo v naslednje, pri čemer se v vsakem rezervoarju temeljito premešajo. Čeprav je sestava mešanice v vsakem posameznem rezervoarju homogena, se v sistemu kot celoti koncentracija razlikuje od rezervoarja do rezervoarja.

Povprečno količino časa, ki ga posamezna količina reagenta preživi v rezervoarju (čas zadrževanja), je mogoče izračunati tako, da preprosto delite prostornino rezervoarja s povprečno prostornino pretoka skozi njo. Pričakovani odstotek zaključka reakcije se izračuna z uporabo kemične kinetike.

Rezervoarji so izdelani iz nerjavnega jekla ali zlitin, pa tudi z emajliranim premazom.

Nekateri pomembni vidiki NPM

Vsi izračuni temeljijo na popolnem mešanju. Reakcija poteka s hitrostjo, ki je odvisna od končne koncentracije. V ravnotežju mora biti pretok enak pretoku, sicer bo rezervoar prelil ali izpraznil.

Delo z več serijskimi ali vzporednimi HPM-ji je pogosto stroškovno učinkovito. Rezervoarji iz nerjavečega jekla, sestavljeni v kaskadi petih ali šestih enot, se lahko obnašajo kot pretočni reaktor. To omogoča prvi enoti, da deluje pri višji koncentraciji reaktantov in s tem hitrejšo reakcijo. Prav tako je mogoče več stopenj HPM postaviti v navpični jekleni rezervoar, namesto da bi procesi potekali v različnih posodah.

V horizontalni izvedbi je večstopenjska enota razdeljena na navpične pregrade različnih višin, skozi katere mešanica teče v kaskadah.

Ko so reaktanti slabo pomešani ali se znatno razlikujejo po gostoti, se v protitočnem načinu uporablja navpični večstopenjski reaktor (obložen ali iz nerjavnega jekla). To je učinkovito za izvajanje reverzibilnih reakcij.

Majhna psevdo-tekoča plast je popolnoma pomešana. Velik komercialni reaktor z fluidizirano plastjo ima v bistvu enakomerno temperaturo, vendar je mešanica mešanih in premaknjenih tokov ter prehodnih stanj med njimi.

kemični reaktor s pretočnim vtičem

RPP je reaktor (nerjaven), v katerem se en ali več tekočih reaktantov črpa skozi cev ali cevi. Imenujejo jih tudi cevasti tok. Lahko ima več cevi ali cevi. Reagenti nenehno vstopajo skozi en konec, produkti pa izstopajo z drugega. Ko mešanica prehaja skozi, se pojavijo kemični procesi.

V RPP je hitrost reakcije gradientna: na vhodu je zelo visoka, vendar se z zmanjšanjem koncentracije reagentov in povečanjem vsebnosti izhodnih produktov njena hitrost upočasni. Običajno je doseženo stanje dinamičnega ravnovesja.

Pogosta sta horizontalna in navpična usmeritev reaktorja.

Kadar je potreben prenos toplote, se posamezne cevi obložijo ali pa se uporabi toplotni izmenjevalec s školjko in cevi. V slednjem primeru so lahko kemikalijetako v lupini kot v cevi.

Kovinske posode velikega premera s šobami ali kopelmi so podobne RPP in se pogosto uporabljajo. Nekatere konfiguracije uporabljajo aksialni in radialni tok, več školjk z vgrajenimi toplotnimi izmenjevalniki, vodoravni ali navpični položaj reaktorja itd.

Posoda za reagent je lahko napolnjena s katalitičnimi ali inertnimi trdnimi snovmi, da se izboljša stik med površinami pri heterogenih reakcijah.

V RPP je pomembno, da izračuni ne upoštevajo vertikalnega ali horizontalnega mešanja - to je tisto, kar je mišljeno z izrazom "plug flow". Reagente lahko vnašamo v reaktor ne samo skozi dovod. Tako je mogoče doseči večjo učinkovitost RPP ali zmanjšati njegovo velikost in stroške. Zmogljivost RPP je običajno višja od zmogljivosti HPP enake prostornine. Z enakimi vrednostmi prostornine in časa v batnih reaktorjih bo imela reakcija višji odstotek dokončanosti kot v mešalnih enotah.

Dinamično ravnotežje

Za večino kemičnih procesov je nemogoče doseči 100-odstotno dokončanje. Njihova hitrost se z rastjo tega indikatorja zmanjšuje do trenutka, ko sistem doseže dinamično ravnovesje (ko ne pride do celotne reakcije ali spremembe sestave). Ravnotežna točka za večino sistemov je pod 100 % dokončanost procesa. Zaradi tega je treba izvesti postopek ločevanja, kot je destilacija, da se ločijo preostali reaktanti ali stranski proizvodi izcilj. Te reagente je mogoče včasih ponovno uporabiti na začetku postopka, kot je Haberjev postopek.

Uporaba PFA

Batni pretočni reaktorji se uporabljajo za izvajanje kemične transformacije spojin, ko se premikajo skozi cevni sistem za velike, hitre, homogene ali heterogene reakcije, neprekinjeno proizvodnjo in procese, ki proizvajajo visoko toploto.

Idealni RPP ima fiksni čas zadrževanja, to pomeni, da vsaka tekočina (bat), ki vstopi v času t, jo bo zapustila v času t + τ, kjer je τ čas zadrževanja v namestitvi.

Kemični reaktorji te vrste imajo visoko zmogljivost v daljšem časovnem obdobju, pa tudi odličen prenos toplote. Pomanjkljivosti RPP so težave pri nadzoru temperature procesa, kar lahko povzroči neželena temperaturna nihanja, in njihov višji strošek.

katalitski reaktorji

Čeprav se te vrste enot pogosto izvajajo kot RPP, zahtevajo bolj zapleteno vzdrževanje. Hitrost katalitične reakcije je sorazmerna količini katalizatorja v stiku s kemikalijami. V primeru trdnega katalizatorja in tekočih reaktantov je hitrost procesov sorazmerna z razpoložljivo površino, vnosom kemikalij in odvzemom produktov ter je odvisna od prisotnosti turbulentnega mešanja.

Katalitična reakcija je pravzaprav pogosto večstopenjska. Ne samozačetni reaktanti medsebojno delujejo s katalizatorjem. Z njim reagirajo tudi nekateri vmesni izdelki.

V kinetiki tega procesa je pomembno tudi obnašanje katalizatorjev, zlasti pri visokotemperaturnih petrokemičnih reakcijah, saj se deaktivirajo s sintranjem, koksanjem in podobnimi procesi.

Uporaba novih tehnologij

RPP se uporabljajo za pretvorbo biomase. V poskusih se uporabljajo visokotlačni reaktorji. Tlak v njih lahko doseže 35 MPa. Uporaba več velikosti omogoča, da se čas zadrževanja spreminja od 0,5 do 600 s. Za doseganje temperatur nad 300 °C se uporabljajo električno ogrevani reaktorji. Biomaso dobavljajo črpalke HPLC.

RPP aerosolni nanodelci

Obstaja veliko zanimanje za sintezo in uporabo nano velikih delcev za različne namene, vključno z visokolegiranimi zlitinami in debeloplastnimi prevodniki za elektronsko industrijo. Druge aplikacije vključujejo meritve magnetne občutljivosti, daljni infrardeči prenos in jedrsko magnetno resonanco. Za te sisteme je treba proizvajati delce nadzorovane velikosti. Njihov premer je običajno v območju od 10 do 500 nm.

Zaradi svoje velikosti, oblike in visoke specifične površine se ti delci lahko uporabljajo za proizvodnjo kozmetičnih pigmentov, membran, katalizatorjev, keramike, katalitskih in fotokatalitskih reaktorjev. Primeri uporabe nanodelcev vključujejo SnO₂ za senzorjeogljikov monoksid, TiO₂ za svetlobne vodnike, SiO_{2 za koloidni silicijev dioksid in optična vlakna, C za ogljikova polnila v pnevmatikah, Fe za snemalne materiale, Ni za baterije in v manjši meri paladij, magnezij in bizmut. Vsi ti materiali se sintetizirajo v aerosolnih reaktorjih. V medicini se nanodelci uporabljajo za preprečevanje in zdravljenje okužb ran, v vsadkih umetnih kosti in za slikanje možganov.}

Primer proizvodnje

Za pridobitev aluminijevih delcev se tok argona, nasičen s kovinsko paro, ohladi v RPP s premerom 18 mm in dolžino 0,5 m s temperature 1600 °C s hitrostjo 1000 °C/s. Ko plin prehaja skozi reaktor, pride do nukleacije in rasti aluminijevih delcev. Pretok je 2 dm3/min, tlak pa 1 atm (1013 Pa). Med premikanjem se plin ohladi in postane prenasičen, kar vodi do nukleacije delcev kot posledica trkov in izhlapevanja molekul, ki se ponavljajo, dokler delec ne doseže kritične velikosti. Ko se premikajo skozi prenasičen plin, se molekule aluminija kondenzirajo na delcih in povečajo njihovo velikost.