Šta su hemijski reaktori? Vrste hemijskih reaktora

Hemijska reakcija je proces koji dovodi do transformacije reagensa. Karakteriše se promjenama koje rezultiraju u jednom ili više proizvoda različitih od prvobitnih. Hemijske reakcije su drugačije prirode. Zavisi od vrste reagensa, dobijene supstance, uslova i vremena sinteze, razlaganja, izmještanja, izomerizacije, kiselinske baze, redukcije oksidacije, organskih procesa itd.

Hemijski reaktori su kontejneri dizajnirani da sprovedu reakcije kako bi proizveli konačni proizvod. Njihov dizajn zavisi od različitih faktora i trebalo bi da obezbedi maksimalni prinos na najisplativiji način.

Vrste

Postoje tri osnovna osnovna modela hemijskih reaktora:

• Periodično delovanje.
• Kontinuirano sa mešalicom (HPM).
• Reaktor sa protokom klipa (PFR).

Ovi osnovni modeli mogu se modificirati u skladu sa zahtevima hemijskog procesa.

Batch reaktor

Hemijski agregati ovog tipa se koriste u šaržnim procesima sa malim količinama proizvodnje, dugim reakcionim vremenima ili gdje se postiže bolja selektivnost, kao iu nekim procesima polimerizacije.

Na primer, koriste se kontejneri od nerđajućeg čelika, čiji sadržaj se pomeša sa unutrašnjim radnim noževima, mjehurićima ili sa pumpama. Kontrola temperature se vrši pomoću izmjenjivača toplote, rashladnih hladnjaka ili pumpanja kroz izmjenjivač toplote.

Batch reaktori se trenutno koriste u hemijskoj i prehrambenoj industriji. Njihova automatizacija i optimizacija stvaraju poteškoće, pošto je neophodno kombinirati kontinuirane i diskretne procese.

Poluperiodični hemijski reaktori kombinuju rad u kontinuiranim i periodičnim režimima. Bioreaktor, na primer, periodično se ubacuje i konstantno oslobađa ugljen-dioksid, koji se mora kontinuirano ukloniti. Slično tome, u reakciji hloriranja, kada je jedan od reaktanata gas hlora, ako se ne uvede kontinuirano, većina je isparava.

Da bi se obezbedio veliki obim proizvodnje, uglavnom se koriste hemijski reaktori kontinualnog dejstva ili metalni rezervoari sa mešalicom ili sa stalnim tokom.

Reaktor rezervoara sa kontinuiranim mešanjem

Rezervoari od nerđajućeg čelika se isporučuju sa tečnim reagensima. Da bi se osigurala pravilna interakcija, oni se mešaju sa radnim noževima. Stoga, u reaktorima ovog tipa, reaktanti se kontinuirano napajaju u prvi rezervoar (vertikalno, čelik), a onda pada u sledeće, dok se temeljno meša u svaki rezervoar. Iako je sastav smeše ujednačen u svakom pojedinačnom rezervoaru, koncentracija u sistemu kao celini varira od kapaciteta do kapaciteta.

Prosječna količina vremena koju diskretna količina reagensa troši u rezervoar (vrijeme boravka) može se izračunati jednostavnim dijeljenjem volumena rezervoara sa prosječnom volumetrijskom protokom kroz njega. Očekivani procenat završetka reakcije izračunava se pomoću hemijske kinetike.

Kontejneri su napravljeni od nerđajućeg čelika ili legura, kao i premaza od emajla.

Neki važni aspekti HPM

Svi proračuni se vrše uzimajući u obzir idealno mešanje. Reakcija se nastavlja po stopi koja je povezana sa konačnom koncentracijom. U stanju ravnoteže, brzina protoka mora biti jednaka brzini protoka, u suprotnom će se rezervoar preliti ili prazniti.

Često je ekonomično raditi sa nekoliko sekvencijalnih ili paralelnih HPM-a. Nerđajući tenkovi, sastavljeni u kaskadi od pet ili šest jedinica, mogu se ponašati kao reaktor sa protokom klipa. Ovo omogućava prvoj jedinici da radi sa višom koncentracijom reagensa i, s tim, višom brzinom reakcije. Takođe, nekoliko vertikalnih HPM faza se mogu postaviti u vertikalni čelični rezervoar, a ne na procese koji se odvijaju u različitim kapacitetima.

U horizontalnoj verziji, višefazni uređaj se deli sa vertikalnim pregradama različitih visina, kroz koje mešavina ulazi u kaskade.

Kada su reagensi slabo razmešteni ili značajno različiti u gustini, vertikalni višestepeni reaktor (emajlirani ili nerđajući čelik) se koristi u kontra-strujnom režimu. Ovo je efikasno za obavljanje reverzibilnih reakcija.

Mali pseudo-tečni sloj je potpuno pomešan. Veliki komercijalni reaktor sa fluidizovanim slojem ima skoro jednaku temperaturu, ali kombinuje mešanje i rasipanje tokova i prelaznih stanja između njih.

Hemijski reaktor idealnog pomjeranja

PFR je (nerđajući) reaktor u kojem se jedan ili više tečnih reagensi pumpaju kroz cev ili cevi. Takođe se zovu tubularni protok. Može imati nekoliko cevi ili cevi. Reagensi se konstantno isporučuju preko jednog kraja, a proizvodi izlaze iz drugog. Hemijski postupci se nastavljaju kako se smeša prolazi.

U RPP brzinu reakcije je gradijent: na ulazu je veoma visok, ali sa smanjenjem koncentracije reagensa i povećanjem sadržaja izlaznih proizvoda, njegova brzina usporava. Obično se postiže stanje dinamičke ravnoteže.

I horizontalna i vertikalna orijentacija reaktora su česta.

Kada je potreban prenos toplote, pojedine cevi se stavljaju u jaknu ili se koristi izmenjivač toplote i cevi. U drugom slučaju, hemikalije se mogu naći iu kućištu iu cevi.

Metalni rezervoari velikog prečnika sa mlaznicama ili kupatilima su slični PFR i široko se koriste. U nekim konfiguracijama se koristi aksijalni i radijalni protok, višestruke granate sa ugrađenim izmenjivačem toplote, horizontalni ili vertikalni položaj reaktora i tako dalje.

Kontejner reagensa može se napuniti katalitičkim ili inertnim čvrstim česticama radi poboljšanja interfejsnog kontakta u heterogenim reakcijama.

Važan faktor u RFP-u jeste da vertikalno ili horizontalno mešanje nije uzeto u obzir u proračunima, što se podrazumijeva pod pojmom "protok klipa". Reagensi se mogu uneti u reaktor ne samo u ulaz. Stoga je moguće postići veću efikasnost PFR-a ili smanjiti njegovu veličinu i troškove. Performanse PFR-a obično su veće od performansi HPM-a istog volumena. Sa jednakim zapreminskim i vremenskim vrednostima u recipročnim reaktorima, reakcija će imati veći procenat završetka nego u jedinicama za mešanje.

Dinamička ravnoteža

Za većinu hemijskih procesa, 100% završetak nije moguć. Njihova brzina se smanjuje sa rastom ovog indikatora do trenutka kada sistem dostigne dinamičku ravnotežu (kada se ne dođe do potpune reakcije ili promene sastava). Tačka ravnoteže za većinu sistema nalazi se ispod 100% završetka procesa. Zbog toga je potreban postupak razdvajanja, kao što je destilacija, kako bi se ostali reagensi ili nusproizvodi odvojili od cilja. Ovi reagensi ponekad mogu biti ponovljeni na početku procesa, na primer, kao što je Haberov proces.

Primjena PPP-a

Reaktori protoka vazduha koriste se za sprovođenje hemijske transformacije jedinjenja tokom njihovog kretanja kroz sistem koji liči na cevi u svrhu velikih, brzih, homogenih ili heterogenih reakcija, kontinuirane proizvodnje i procesa sa oslobađanjem velikih količina toplote.

Idealni RPP ima fiksno vreme boravka, odnosno bilo koju tečnost (klip) koja dolazi u vremenu t ostavlja u trenutku t + τ, gdje je τ vrijeme boravka u objektu.

Hemijski reaktori ove vrste imaju visoke performanse u dužem vremenskom periodu, kao i odličan prenos toplote. Mane PPP-a predstavljaju poteškoće praćenja temperature procesa, što može dovesti do nepoželjnih promjena temperature, kao i njihovih viših troškova.

Katalitski reaktori

Iako se agregati ove vrste često primenjuju u obliku PPP-a, zahtevaju kompleksnije održavanje. Brzina katalitičke reakcije proporcionalna je količini katalizatora u kontaktu sa hemikalijama. U slučaju čvrstog katalizatora i tečnih reagenasa, brzina procesa je proporcionalna raspoloživoj površini, unošenju hemikalija i selekciji proizvoda, a zavisi od prisutnosti turbulentnog mešanja.

Katalitička reakcija je zapravo često višestepena reakcija. Ne samo da početni reagens komuniciraju sa katalizatorom. Neki interni proizvodi reaguju s njim.

Ponašanje katalizatora je takođe važno u kinetici ovog procesa, naročito u visokotemperaturnim petrohemijskim reakcijama, jer se deaktiviraju sinterovanjem, koksovanjem i sličnim procesima.

Primjena novih tehnologija

PFR se koriste za konverziju biomase. U eksperimentima koriste se visokotlačni reaktori. Pritisak u njima može dostići 35 MPa. Korišćenje nekoliko veličina omogućuje promjenu vremena prelaska sa 0.5 na 600 s. Za doseganje temperatura iznad 300 ° C koriste se reaktori sa električnim grejanjem. Snabdevanje biomase se vrši pomoću HPLC pumpi.

RPP aerosolnih nanočestica

Postoji značajno interesovanje za sintezu i upotrebu nanoziranih čestica u različite svrhe, uključujući zlatne legure i gusto-provodnike za elektronsku industriju. Ostale primene uključuju merenje magnetske osjetljivosti, daljinskog prenosa i nuklearne magnetne rezonance. Za ove sisteme, potrebno je proizvoditi čestice kontrolisane veličine. Njihov prečnik je, po pravilu, u rasponu od 10 do 500 nm.

Zbog njihove veličine, oblika i visoke specifične površine, ove čestice mogu se koristiti za proizvodnju kozmetičkih pigmenata, membrana, katalizatora, keramike, katalitičkih i fotokatalitičkih reaktora. Primjeri aplikacija nanopartikata uključuju SnO ₂ za senzore ugljen-monoksida, TiO ₂ za svjetlosne vodioce, SiO ₂ za koloidni silicijum dioksid i optička vlakna, C za ugljenična punila u gumama, Fe za materijal za snimanje, Ni za baterije i, u manjim količinama, paladijuma, magnezijuma I bizmut. Svi ovi materijali se sintetišu u aerosolnim reaktorima. U medicini nanodelci se koriste za sprečavanje i liječenje infekcija rane, u veštačkim implantatima kostiju, kao i za vizuelizaciju mozga.

Primjer proizvodnje

Za dobijanje aluminijumskih čestica, protok argona zasićen metalnim isparenjima hlađen je u PFD prečnika 18 mm i dužine 0,5 m od 1600 ° C brzinom od 1000 ° C / s. Kako gas prolazi kroz reaktor, dolazi do stvaranja i rasta aluminijumskih čestica. Protok je 2 dm ³ / min, a pritisak je 1 atm (1013 Pa). Kako se gas kreće, gas se hladi i postaje supersaturisan, što dovodi do nukleacije čestica kao rezultat sudara i isparavanja molekula, ponovljeno dok čestica ne dostigne kritičnu veličinu. Dok se kreću kroz pretjerani gas, molekuli aluminija se kondenzuju na čestice, povećavajući njihovu veličinu.