Mitä ovat kemialliset reaktorit? Kemiallisten reaktorien tyypit

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 13:54

Kemiallinen reaktio on prosessi, joka johtaa reagoivien aineiden muuttumiseen. Sille on ominaista muutokset, jotka johtavat yhteen tai useampaan tuotteeseen, jotka eroavat alkuperäisestä. Kemialliset reaktiot ovat luonteeltaan erilaisia. Se riippuu reagenssien tyypistä, saadusta aineesta, synteesin olosuhteista ja ajasta, hajoamisesta, syrjäytymisestä, isomeroitumisesta, happo-emäs-, redox-, orgaanisista prosesseista jne.

Kemialliset reaktorit ovat säiliöitä, jotka on suunniteltu suorittamaan reaktioita lopputuotteen valmistamiseksi. Niiden suunnittelu riippuu useista tekijöistä, ja niiden pitäisi tarjota maksimaalinen tuotto kustannustehokkaimmalla tavalla.

Näkymät

Kemiallisia reaktoreita on kolme pääperusmallia:

• Jaksottainen.
• Jatkuva sekoitus (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Näitä perusmalleja voidaan muokata vastaamaan kemiallisen prosessin vaatimuksia.

Eräreaktori

Tällaisia kemiallisia yksiköitä käytetään eräprosesseissa, joissa tuotantomäärät ovat pienet, reaktioajat pitkät tai joissa saavutetaan parempi selektiivisyys, kuten joissakin polymerointiprosesseissa.

Tätä varten käytetään esimerkiksi ruostumattomasta teräksestä valmistettuja säiliöitä, joiden sisältö sekoitetaan sisäisten työterien, kaasukuplien tai pumppujen avulla. Lämpötilan säätö suoritetaan käyttämällä lämmönvaihtovaippaa, kastelujäähdyttimiä tai pumppaamalla lämmönvaihtimen läpi.

Eräreaktoreita käytetään tällä hetkellä kemian- ja elintarviketeollisuudessa. Niiden automatisointi ja optimointi luo vaikeuksia, koska on tarpeen yhdistää jatkuvat ja erilliset prosessit.

Puolipanoskemialliset reaktorit yhdistävät jatkuvan ja panostoiminnan. Esimerkiksi bioreaktori on ajoittain kuormitettu ja siitä vapautuu jatkuvasti hiilidioksidia, jota on jatkuvasti poistettava. Vastaavasti kloorausreaktiossa, kun kloorikaasu on yksi reagoivista aineista, suurin osa siitä haihtuu, jos sitä ei syötetä jatkuvasti.

Suurten tuotantomäärien varmistamiseksi käytetään pääasiassa jatkuvatoimisia kemiallisia reaktoreita tai metallisäiliöitä sekoittimella tai jatkuvalla virtauksella.

Jatkuvasti sekoitettu reaktori

Nestemäiset reagenssit syötetään ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin säiliöihin. Oikean vuorovaikutuksen varmistamiseksi ne sekoitetaan työterien avulla. Siten sisäänTämän tyyppisissä reaktoreissa reagenssit syötetään jatkuvasti ensimmäiseen säiliöön (pystysuora, teräs), sitten ne tulevat seuraaviin reaktoreihin sekoittaen samalla huolellisesti jokaisessa säiliössä. Vaikka seoksen koostumus on homogeeninen jokaisessa yksittäisessä säiliössä, järjestelmässä kokonaisuutena pitoisuus vaihtelee säiliöstä toiseen.

Keskimääräinen aika, jonka erillinen määrä reagenssia viettää säiliössä (viipymäaika), voidaan laskea yksinkertaisesti jakamalla säiliön tilavuus sen läpi kulkevalla keskimääräisellä tilavuusvirtauksella. Reaktion odotettu valmistumisprosentti lasketaan käyttämällä kemiallista kinetiikkaa.

Säiliöt on valmistettu ruostumattomasta teräksestä tai seoksista sekä emalipinnoitteella.

Joitakin tärkeitä NPM:n näkökohtia

Kaikki laskelmat perustuvat täydelliseen sekoitukseen. Reaktio etenee lopulliseen pitoisuuteen liittyvällä nopeudella. Tasapainotilassa virtausnopeuden on oltava yhtä suuri kuin virtausnopeus, muuten säiliö vuotaa yli tai tyhjenee.

On usein kustannustehokasta työskennellä useiden sarja- tai rinnakkaisten HPM:ien kanssa. Ruostumattomasta teräksestä valmistetut säiliöt, jotka on koottu viiden tai kuuden yksikön kaskadiksi, voivat käyttäytyä kuin tulppavirtausreaktori. Tämä sallii ensimmäisen yksikön toimia suuremmalla reaktanttipitoisuudella ja siten nopeammalla reaktionopeudella. Myös useita HPM-vaiheita voidaan sijoittaa pystysuoraan terässäiliöön sen sijaan, että prosesseja tapahtuisi eri säiliöissä.

Vaakasuuntaisessa versiossa monivaiheinen yksikkö on jaettu erikorkuisilla pystyseinillä, joiden läpi seos virtaa kaskadeina.

Kun lähtöaineet ovat huonosti sekoittuneet tai niiden tiheys eroaa merkittävästi, pystysuoraa monivaiheista reaktoria (vuorattu tai ruostumaton teräs) käytetään vastavirtatilassa. Tämä on tehokas palautuvien reaktioiden suorittamiseen.

Pieni pseudonestekerros on täysin sekoitettu. Suuressa kaupallisessa leijukerrosreaktorissa on olennaisesti tasainen lämpötila, mutta se on sekoitus sekoittuvia ja syrjäytyneitä virtoja ja niiden välisiä siirtymätiloja.

Plug-flow-kemiallinen reaktori

RPP on reaktori (ruostumaton), jossa yksi tai useampi nestemäinen lähtöaine pumpataan putken tai putkien läpi. Niitä kutsutaan myös putkimaiseksi virtaukseksi. Siinä voi olla useita putkia tai putkia. Reagenssit tulevat jatkuvasti toisesta päästä ja tuotteet poistuvat toisesta. Seoksen kulkiessa läpi tapahtuu kemiallisia prosesseja.

RPP:ssä reaktionopeus on gradientti: sisääntulossa se on erittäin korkea, mutta kun reagenssien pitoisuus laskee ja ulostulotuotteiden pitoisuus kasvaa, sen nopeus hidastuu. Yleensä saavutetaan dynaaminen tasapainotila.

Sekä vaaka- että pystysuuntaiset reaktorin suuntaukset ovat yleisiä.

Kun lämmönsiirtoa tarvitaan, yksittäiset putket vaipataan tai käytetään vaippa-putkilämmönvaihdinta. Jälkimmäisessä tapauksessa kemikaalit voivat ollasekä kuoressa että putkessa.

Halkaisij altaan suuret metallisäiliöt, joissa on suuttimet tai kylpyammeet, ovat samanlaisia kuin RPP, ja niitä käytetään laaj alti. Joissakin kokoonpanoissa käytetään aksiaalista ja radiaalista virtausta, useita kuoria sisäänrakennetuilla lämmönvaihtimilla, vaaka- tai pystysuora reaktorin asento ja niin edelleen.

Reagenssiastia voidaan täyttää katalyyttisillä tai inertillä kiintoaineella rajapinnan kosketuksen parantamiseksi heterogeenisissä reaktioissa.

RPP:ssä on tärkeää, että laskelmissa ei oteta huomioon pystysuoraa tai vaakasuuntaista sekoittumista - tätä tarkoitetaan termillä "plug flow". Reagensseja voidaan syöttää reaktoriin paitsi tuloaukon kautta. Siten on mahdollista saavuttaa suurempi RPP:n tehokkuus tai pienentää sen kokoa ja kustannuksia. RPP:n suorituskyky on yleensä korkeampi kuin saman volyymin HPP:n. Kun tilavuus ja aika ovat yhtä suuret mäntäreaktoreissa, reaktion valmistumisprosentti on suurempi kuin sekoitusyksiköissä.

Dynaaminen tasapaino

Useimmissa kemiallisissa prosesseissa on mahdotonta saavuttaa 100-prosenttista valmiutta. Niiden nopeus laskee tämän indikaattorin kasvaessa siihen hetkeen asti, jolloin järjestelmä saavuttaa dynaamisen tasapainon (kun kokonaisreaktiota tai koostumuksen muutosta ei tapahdu). Useimpien järjestelmien tasapainopiste on alle 100 %:n prosessin valmistumisen. Tästä syystä on tarpeen suorittaa erotusprosessi, kuten tislaus, jäljellä olevien lähtöaineiden tai sivutuotteiden erottamiseksikohde. Näitä reagensseja voidaan joskus käyttää uudelleen prosessin, kuten Haber-prosessin, alussa.

PFA:n soveltaminen

Mäntävirtausreaktoreita käytetään yhdisteiden kemialliseen muuntamiseen niiden liikkuessa putkimaisen järjestelmän läpi laajamittaisia, nopeita, homogeenisia tai heterogeenisia reaktioita, jatkuvaa tuotantoa ja korkeaa lämpöä tuottavia prosesseja varten.

Ihanteellisella RPP:llä on kiinteä viipymäaika, eli mikä tahansa neste (mäntä), joka tulee sisään hetkellä t, poistuu siitä hetkellä t + τ, missä τ on viipymäaika asennuksessa.

Tällaisilla kemiallisilla reaktoreilla on korkea suorituskyky pitkiä aikoja sekä erinomainen lämmönsiirto. RPP:n haittoja ovat prosessin lämpötilan hallinnan vaikeus, mikä voi johtaa ei-toivottuihin lämpötilanvaihteluihin, ja niiden korkeampi hinta.

Katalyyttiset reaktorit

Vaikka tämäntyyppiset yksiköt toteutetaan usein RPP:nä, ne vaativat monimutkaisempaa huoltoa. Katalyyttisen reaktion nopeus on verrannollinen kemikaalien kanssa kosketuksiin joutuneen katalyytin määrään. Kiinteän katalyytin ja nestemäisten lähtöaineiden tapauksessa prosessien nopeus on verrannollinen käytettävissä olevaan pinta-alaan, kemikaalien syöttöön ja tuotteiden poistoon ja riippuu turbulenttisesta sekoituksesta.

Katalyyttinen reaktio on itse asiassa usein monivaiheinen. Ei vainalkuperäiset reagoivat aineet ovat vuorovaikutuksessa katalyytin kanssa. Jotkut välituotteet reagoivat myös sen kanssa.

Katalyyttien käyttäytyminen on myös tärkeää tämän prosessin kinetiikassa, erityisesti korkean lämpötilan petrokemiallisissa reaktioissa, koska ne deaktivoituvat sintraamalla, koksauksella ja vastaavilla prosesseilla.

Uusien teknologioiden soveltaminen

RPP:tä käytetään biomassan muuntamiseen. Kokeissa käytetään korkeapainereaktoreita. Paine niissä voi olla 35 MPa. Useiden kokojen käyttö mahdollistaa viipymäajan vaihtelun välillä 0,5 - 600 s. Yli 300 °C lämpötilojen saavuttamiseksi käytetään sähkölämmitteisiä reaktoreita. Biomassa toimitetaan HPLC-pumpuilla.

RPP-aerosolin nanohiukkaset

Nanokokoisten hiukkasten synteesistä ja soveltamisesta eri tarkoituksiin, mukaan lukien elektroniikkateollisuudelle korkeaseosteiset metalliseokset ja paksukalvojohtimet, on olemassa huomattava kiinnostus. Muita sovelluksia ovat magneettisen herkkyyden mittaukset, kauko-infrapunaläpäisy ja ydinmagneettinen resonanssi. Näitä järjestelmiä varten on tarpeen tuottaa kontrolloidun kokoisia hiukkasia. Niiden halkaisija on yleensä 10-500 nm.

Koon, muotonsa ja suuren ominaispinta-alansa vuoksi näitä hiukkasia voidaan käyttää kosmeettisten pigmenttien, kalvojen, katalyyttien, keramiikan, katalyyttisten ja fotokatalyyttisten reaktorien valmistukseen. Sovellusesimerkkejä nanopartikkeleille ovat SnO₂ antureillehiilimonoksidi, TiO₂ valojohtimille, SiO_{2 kolloidiselle piidioksidille ja optisille kuiduille, C renkaiden hiilitäyteaineille, Fe tallennusmateriaaleille, Ni akuille ja vähemmässä määrin palladium, magnesium ja vismutti. Kaikki nämä materiaalit syntetisoidaan aerosolireaktoreissa. Lääketieteessä nanopartikkeleita käytetään haavainfektioiden ehkäisyyn ja hoitoon, keinotekoisissa luuimplanteissa ja aivojen kuvantamisessa.}

Tuotantoesimerkki

Alumiinihiukkasten saamiseksi metallihöyryllä kyllästetty argonvirtaus jäähdytetään RPP:ssä, jonka halkaisija on 18 mm ja pituus 0,5 m 1600 °C:n lämpötilasta nopeudella 1000 °C/s.. Kun kaasu kulkee reaktorin läpi, tapahtuu alumiinihiukkasten ytimien muodostumista ja kasvua. Virtausnopeus on 2 dm3/min ja paine on 1 atm (1013 Pa). Liikkuessaan kaasu jäähtyy ja ylikyllästyy, mikä johtaa hiukkasten muodostumiseen törmäysten ja molekyylien haihtumisen seurauksena, toistetaan kunnes hiukkanen saavuttaa kriittisen koon. Kulkiessaan ylikyllästetyn kaasun läpi alumiinimolekyylit tiivistyvät hiukkasten päälle ja lisäävät niiden kokoa.