Kaj so kemični reaktorji? Vrste kemičnih reaktorjev

Kemična reakcija je proces, ki vodi k transformaciji reagentov. Zanj je značilna sprememb, ki prinašajo enega ali več kot izhodni produkti. Kemijske reakcije so drugačne narave. To je odvisno od vrste reagentov, nastale snovi, pogojih in času sinteze, razkroj, premikanje, izomerizacijo, kislinsko-alkalno, redoksi itd in organskih procesov.

Kemični reaktorji so cisterne, namenjene za izvedbo reakcij, da se proizvede končni izdelek. Njihova zasnova je odvisna od različnih dejavnikov in mora zagotavljati največji donos na najbolj stroškovno učinkovit način.

Vrste

Obstajajo trije osnovni modeli kemičnih reaktorjev:

• Občasno ukrepanje.
• Neprekinjeno z mešalom (HPM).
• Reaktor z batnim tokom (PFR).

Te osnovne modele lahko spremenimo v skladu z zahtevami kemijskega postopka.

Serijski reaktor

Kemični agregati tega tipa se uporabljajo v šaržnih procesih z majhnimi količinami proizvodnje, dolgimi reakcijskimi časi ali kjer je dosežena boljša selektivnost, kot pri nekaterih polimerizacijskih postopkih.

Za to se na primer uporabljajo rezervoarji iz nerjavečega jekla, katerih vsebina se pomeša z notranjimi delovnimi lopaticami, mehurčnimi plini ali s črpalkami. Regulacija temperature se izvaja z uporabo toplotnih izmenjevalnikov, hladilnih hladilnikov ali črpanja skozi toplotni izmenjevalec.

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

Poluperični kemični reaktorji združujejo delovanje v neprekinjenem in periodičnem načinu. Bioreaktor je na primer občasno obremenjen in nenehno sprošča ogljikov dioksid, ki ga je treba nenehno odstraniti. Podobno se pri reakciji kloriranja, če je eden od reaktantov plin iz klora, če se ne uvaja neprekinjeno, večina izhlapi.

Za zagotovitev velikih količin proizvodnje se večinoma uporabljajo kemični reaktorji neprekinjenega delovanja ali kovinskih rezervoarjev z mešalom ali z neprekinjenim tokom.

Reaktor z neprekinjenim mešanjem

Rezervoarji iz nerjavnega jekla so opremljeni s tekočimi reagenti. Da bi zagotovili pravilno interakcijo, jih zmešajo delovne rezine. Tako se v reaktorjih te vrste reaktanti kontinuirano napolnijo v prvi rezervoar (navpični, jekleni), nato pa spadajo v naslednje, medtem ko temeljito mešajo v vsaki posodi. Čeprav sestava mešanica je homogena v vsakem posameznem rezervoarju, v sistemu kot celoti, koncentracija variira od kapacitete do kapacitete.

Povprečno količino časa, ki ga diskretna količina reagenta porabi v rezervoarju (čas zadrževanja), se lahko izračuna tako, da se prostornina rezervoarja preprosto deli s povprečnim volumetričnim pretočnim tokom. Pričakovani odstotek zaključka reakcije izračunamo z uporabo kemične kinetike.

Posode so iz nerjavečega jekla ali zlitin, pa tudi z emajliranjem.

Nekateri pomembni vidiki HPM

Vsi izračuni se izvajajo ob upoštevanju idealne mešanice. Reakcija poteka po stopnji, ki je povezana s končno koncentracijo. V ravnotežnem stanju mora biti hitrost toka enaka hitrosti pretoka, sicer se bo rezervoar prelil ali izpraznil.

Pogosto je ekonomično delati z več zaporednimi ali vzporednimi HPM-ji. Nerjaveče rezervoarje, sestavljene v kaskadi s pet ali šestimi enotami, se lahko obnašajo kot reaktor z batnim tokom. To omogoča prvi enoti, da dela z višjo koncentracijo reagentov in s tem višjo stopnjo reakcije. Tudi v navpični jekleni posodi je mogoče namestiti več HPM stopenj, namesto procesov, ki potekajo v različnih zmogljivostih.

V vodoravni izvedbi je večstopenjska enota razdeljena z navpičnimi pregradami različnih višin, skozi katere mešanica vstopa v kaskade.

Kadar so reagenti slabo zmešani ali se bistveno razlikujejo po gostoti, se v protitočnem načinu uporablja navpični večstopenjski reaktor (emajliran ali nerjavno jeklo). To je učinkovito za izvajanje reverzibilnih reakcij.

Majhen psevdo-tekoči sloj je popolnoma mešan. Velik komercialni reaktor s fluidiziranim slojem ima praktično enakomerno temperaturo, vendar združuje mešalne in premikane tokove ter prehodna stanja med njimi.

Kemični reaktor idealnega pomika

PFR je reaktor (nerjavno), v katerem se skozi cev ali cevi črpajo en ali več tekočih reaktantov. Imenujejo se tudi cevni tok. Lahko ima več cevi ali cevi. Reagenti se neprestano dobavljajo preko enega konca, proizvodi pa izvirajo iz drugega. Kemični procesi ko prehaja mešanica.

V RPP reakcijska hitrost gradient: pri vstopu je zelo visok, vendar z zmanjšanjem koncentracije reagentov in povečanjem vsebnosti produktov pridelka njegova hitrost upočasni. Običajno se doseže stanje dinamičnega ravnovesja.

Oba vodoravna in navpična usmerjenost reaktorja sta pogosta.

Kadar je potreben prenos toplote, se posamezne cevi namestijo v plašč ali pa se uporabi toplotni izmenjevalec cevi in ​​cevi. V slednjem primeru se lahko nahajajo v ohišju in v cevi kemične snovi.

Kovinski vsebniki velikega premera s šobami ali kopeli so podobni PFR in se pogosto uporabljajo. V nekaterih konfiguracijah se uporablja aksialni in radialni tok, več lupin z vgrajenimi toplotnimi izmenjevalniki, vodoravni ali navpični položaj reaktorja in tako naprej.

Posodo za reagent je lahko napolnjena s katalitskimi ali inertnimi trdnimi delci, da se izboljša kontaktni kontakt v notranjosti heterogene reakcije.

Pomemben dejavnik v RFP je, da se pri izračunih ne upošteva navpično ali horizontalno mešanje - to je tisto, kar pomeni izraz "batni pretok". Reagente lahko vnesemo v reaktor ne samo v dovod. Tako je mogoče doseči večjo učinkovitost PFR ali zmanjšati njegovo velikost in stroške. Učinkovitost PFR je običajno večja kot pri HPM iste prostornine. Z enakimi prostorninskimi in časovnimi vrednostmi v batnih reaktorjih bo imela reakcija večji odstotek dokončanja kot v mešalnih enotah.

Dinamično ravnovesje

Za večino kemičnih procesov 100% zaključek ni mogoč. Njihova hitrost se z rastjo tega indikatorja zniža do trenutka, ko sistem doseže dinamično ravnovesje (ko se skupna reakcija ali sprememba sestave ne pojavi). Ravnotežna točka za večino sistemov se nahaja pod 100% zaključkom postopka. Zato je ločilni postopek, kot je destilacija, potreben za ločevanje preostalih reagentov ali stranskih produktov od tarč. Te reagente lahko včasih ponovno uporabimo na začetku procesa, na primer, kot je postopek Haber.

Uporaba PPP

reaktorji Vtič toka uporabljeni za kemično pretvorbo spojin med gibanjem po sistemu, ki spominja na cev, zaradi velikih, hitro, homogene ali heterogene reakcije, stalno proizvodnih procesov in pri sprostitvi velike količine toplote.

Idealen PFR ima fiksni čas zadrževanja, to je, da bo vsaka tekočina (bata), ki prihaja v čas, t pustila v času t + tau-, kjer tau- je čas zadrževanja v instalaciji.

Takšni kemični reaktorji imajo dolgotrajno visoko zmogljivost in odličen prenos toplote. Pomanjkljivosti PPP so težava spremljanja temperature procesa, kar lahko privede do neželenih temperaturnih sprememb in višjih stroškov.

Katalitični reaktorji

Čeprav se agregati te vrste pogosto izvajajo v obliki PPP, zahtevajo bolj zapleteno vzdrževanje. Hitrost katalitične reakcije je sorazmerna količini katalizatorja v stiku s kemikalijami. V primeru trdnega katalizatorja in tekočih reagentov je hitrost procesov sorazmerna z razpoložljivo površino, vnosom kemikalij in izbiro izdelkov ter odvisna od prisotnosti turbulentnega mešanja.

Katalitska reakcija je v resnici pogosto večstopenjska reakcija. Ne samo, da začetni reagenti sodelujejo s katalizatorjem. Nekateri vmesni produkti reagirajo z njo.

Obnašanje katalizatorjev je pomembno tudi v kinetiki tega procesa, zlasti pri visokotemperaturnih petrokemičnih reakcijah, saj jih deaktivirajo sintranje, koksanje in podobni procesi.

Uporaba novih tehnologij

PFR se uporabljajo za pretvorbo biomase. V poskusih se uporabljajo visokotlačni reaktorji. Tlak v njih lahko doseže 35 MPa. Uporaba več velikosti omogoča spreminjanje časa zadrževanja z 0,5 na 600 s. Za doseganje temperature nad 300 ° C se uporabljajo reaktorji z električnim grelcem. Dobava biomase je izdelana s pomočjo HPLC črpalk.

PFR aerosolnih nanodelcev

Obstaja veliko zanimanje za sintezo in uporabo nanosnih delcev za različne namene, vključno z zlitinami iz zlitine in debelimi folijami za elektronska industrija. Druge aplikacije vključujejo meritve magnetne občutljivosti, daljnosežnega infrardečega prenosa in jedrske magnetne resonance. Za te sisteme je potrebno proizvajati delce nadzorovane velikosti. Njihov premer je praviloma v razponu od 10 do 500 nm.

Zaradi velikosti, oblike in visoke specifične površine lahko te delce uporabimo za proizvodnjo kozmetičnih pigmentov, membran, katalizatorjev, keramike, katalitskih in fotokatalitskih reaktorjev. Primeri uporabe nanodelcev vključujejo SnO₂ za senzorje ogljikovega monoksida, TiO₂ za optična vlakna, SiO₂ za koloidni silicijev dioksid in optična vlakna, C za polnila ogljika v pnevmatikah, Fe za zapisovalne materiale, Ni za baterije in, v manjših količinah, paladij, magnezij in bizmut. Vsi ti materiali se sintetizirajo v aerosolnih reaktorjih. V medicini se nanodelci uporabljajo za preprečevanje in zdravljenje ranih okužb, umetnih kostnih vsadkov in vizualizacijo možganov.

Primer proizvodnje

Za pridobivanje aluminijevih delcev je pretok argona, nasičen s hlapi kovine, ohladimo v obtoku s premerom 18 mm in dolžino 0,5 m od 1600 ° C s hitrostjo 1000 ° C / s. Ko plin prehaja skozi reaktor, nastane in rast delcev aluminija. Pretok je 2 dm³/ min, tlak pa je 1 atm (1013 Pa). Ker se zrak ohladi in gibanje postane prenasičena, ki vodi do nastanka delcev iz trkov in molekul paro ponovi, dokler delcev doseže kritično velikost. Ker se premika skozi plin prenasičene aluminijevih molekule se kondenzirajo na delce, povečujejo njihovo velikost.