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. To ovisi o vrsti reaktanata, dobivenog tvari, uvjetima i vremenu sinteze, raspadanju pomaka, izomerizacije, kiselinom, alkalijski redoks, itd i organske procesa.

Kemijski reaktori su spremnici osmišljeni za provođenje reakcija kako bi se dobio konačni proizvod. Njihov dizajn ovisi o različitim čimbenicima i trebao bi pružiti 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 mijenjati 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 vrši 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 neprekidno uklanja. Slično, u reakciji kloriranja, kada je jedan od reaktanata plin klor, ako se ne uvodi kontinuirano, većina isparava.

Da bi se osiguralo velike količine proizvodnje, uglavnom se koriste kemijski reaktori kontinuiranog djelovanja ili metalnih spremnika s miješalicom ili s kontinuiranim protokom.

Kontinuirano miješani reaktor spremnika

Spremnici od nehrđajućeg čelika se isporučuju s tekućim reagensima. Da bi se osigurala pravilna interakcija, oni se miješaju s radnim noževima. Dakle, u reaktorima ovog tipa, reaktanti se kontinuirano dovode u prvi spremnik (vertikalni, čelični), a zatim padaju u drugu, dok se temeljito miješaju u svakom spremniku. Iako je sastav smjesa je homogena u svakom pojedinom spremniku, u sustavu u cjelini, koncentracija 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 caklina.

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 omogućuje 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, umjesto procesa koji se odvijaju u različitim kapacitetima.

U vodoravnoj verziji, višedjelna jedinica se presijeca okomitim pregradama različitih 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 režimu. Ovo je djelotvorno za provođenje reverzibilnih reakcija.

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

Kemijski reaktor idealnog pomaka

PFR je reaktor (nehrđajući) u kojem se jedan ili više tekućih reaktanata 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 protjecati kao smjesa prolazi.

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

Česta je i horizontalna i vertikalna orijentacija reaktora.

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

Metalni spremnici s velikim promjerom s mlaznicama ili kupkama slični su PFR i široko se koriste. U nekim konfiguracijama koristi se aksijalni i radijalni protok, više školjaka s ugrađenim izmjenjivačima topline, vodoravnim ili vertikalnim položajem reaktora i tako dalje.

Spremnik reagensa može se napuniti katalitičkim ili inertnim čvršćim česticama radi poboljšanja međupovezanog kontakta u heterogene reakcije.

Važan čimbenik u RFP je da vertikalno ili horizontalno miješanje ne uzima u obzir u izračunima - to 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 količinama i vremenskim vrijednostima u reaktorima klipova, 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 do trenutka kada sustav dosegne dinamičku ravnotežu (kada se ne javlja ukupna reakcija ili promjena u sastavu). Ravnotežna točka za većinu sustava nalazi se ispod 100% završetka procesa. Zbog toga je potreban postupak 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 čep protoka koristiti za kemijsku pretvorbu spojeva prilikom kretanja kroz sustav, nalik cijevi, za potrebe velikih razmjera, brzo, homogene ili heterogene reakcije, kontinuiranim procesima proizvodnje, a kada proizvoditi velike količine topline.

Idealna PFR ima fiksno vrijeme zadržavanja, tj. Bilo koja tekućina (klip) koja stiže u vremenu t će ga ostaviti u vrijeme t + tau-, gdje tau- vrijeme boravka u instalaciji.

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 je proporcionalna količini katalizatora u dodiru s kemikalijama. U slučaju čvrstog katalizatora i tekućih reagensa brzina procesa je proporcionalna raspoloživom području, ulazu kemikalija i odabiru proizvoda, a ovisi o prisutnosti turbulentnog miješanja.

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

Ponašanje katalizatora je također važno u kinetiku tog procesa, posebno u visokim petrokemijskih reakcije, kao što su oni deaktivira sinteriranje, koksiranje i sličnih procesa.

Primjena novih tehnologija

PFR se koristi za pretvorbu biomase. U pokusima se koriste visokotlačni reaktori. Tlak u njima može doseći 35 MPa. Korištenje nekoliko veličina omogućuje promjenu vremena boravka od 0,5 do 600 s. Za postizanje temperature iznad 300 ° C koriste se reaktori sa električnim grijanjem. Opskrba biomase izrađena je pomoću HPLC crpki.

PFR nanočestica aerosola

Postoji znatan interes za sintezu i uporabu nanoiziranih čestica za razne svrhe, uključujući legure visokog sloja i vodiča debelih filmova za elektronička industrija. Ostale primjene uključuju mjerenja magnetske osjetljivosti, daljin infracrveni prijenos i nuklearnu magnetsku rezonancu. 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 tih čestica može se koristiti za proizvodnju kozmetičkih pigmenata, membrana, katalizatori, keramike, te katalitičke Fotokatalitički reaktora. Primjeri nanočestica uključuju SnO₂ za senzore ugljičnog monoksida, TiO₂ za optička vlakna, SiO₂ za koloidni silicijev dioksid i optička vlakna, C za ugljika 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, nanočestice se koriste za sprječavanje i liječenje infekcija rana, umjetnih implantata kostiju, a također i vizualizacije mozga.

Primjer proizvodnje

Za dobivanje aluminijskih čestica, protok argona, zasićena para metala, ohlađena je u RPM promjera 18 mm i dužinom od 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). Kao što se plin hladi i kretanje postane prezasićen, što dovodi do nastanka čestice iz sudara molekula i para u ponavlja dok se čestice dosegne kritičnu. Dok se kreću kroz supersaturirani plin, aluminijske molekule se kondenziraju na česticama, povećavajući njihovu veličinu.