Mis on keemilised reaktorid? Keemiliste reaktorite tüübid

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 13:53

Keemiline reaktsioon on protsess, mis viib reagentide muundumiseni. Seda iseloomustavad muudatused, mille tulemuseks on üks või mitu toodet, mis erinevad originaalist. Keemilised reaktsioonid on erineva iseloomuga. See sõltub reaktiivide tüübist, saadud ainest, sünteesi, lagunemise, tõrjumise, isomerisatsiooni, happe-aluse, redoks-, orgaaniliste protsesside jne tingimustest ja ajast.

Keemilised reaktorid on mahutid, mis on ette nähtud reaktsioonide läbiviimiseks lõpptoote tootmiseks. Nende disain sõltub erinevatest teguritest ja peaks tagama maksimaalse väljundi kõige kuluefektiivsemal viisil.

Vaatused

Keemilistel reaktoritel on kolm peamist põhimudelit:

• Perioodiline.
• Pidev alt segatud (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Neid põhimudeleid saab muuta, et need vastaksid keemilise protsessi nõuetele.

Aktiivreaktor

Seda tüüpi keemilisi ühikuid kasutatakse väikeste tootmismahtude, pikkade reaktsiooniaegadega või parema selektiivsuse saavutamise korral, nagu mõne polümerisatsiooniprotsessi puhul.

Selleks kasutatakse näiteks roostevabast terasest anumaid, mille sisu segatakse sisemiste tööterade, gaasimullide või pumpade abil. Temperatuuri reguleerimine toimub soojusvahetuskatete, niisutusjahutite või soojusvaheti kaudu pumpamise abil.

Praegu kasutatakse perioodilisi reaktoreid keemia- ja toiduainetööstuses. Nende automatiseerimine ja optimeerimine tekitab raskusi, kuna on vaja ühendada pidevad ja diskreetsed protsessid.

Poolpartii keemilised reaktorid ühendavad pideva ja perioodilise töötamise. Näiteks bioreaktor on perioodiliselt koormatud ja eraldab pidev alt süsihappegaasi, mida tuleb pidev alt eemaldada. Samamoodi lendub suurem osa kloorimisreaktsioonis, kui gaas kloor on üks reagentidest, kui seda pidev alt ei sisestata.

Suurte tootmismahtude tagamiseks kasutatakse peamiselt segamis- või pidevvooluga pidevaid keemiareaktoreid või metallmahuteid.

Pidev alt segatav reaktor

Vedelad reaktiivid juhitakse roostevabast terasest mahutitesse. Nõuetekohase koostoime tagamiseks segatakse need tööterade abil. Seega sisseSeda tüüpi reaktorites juhitakse reagendid pidev alt esimesse paaki (vertikaalne, teras), seejärel sisenevad need järgmistesse, segades neid igas paagis põhjalikult. Kuigi segu koostis on igas eraldi paagis homogeenne, on süsteemis tervikuna kontsentratsioon paagiti erinev.

Keskmise aja, mille jooksul diskreetne kogus reaktiivi paagis veedab (viibimise aeg), saab arvutada, jagades paagi mahu selle läbiva keskmise mahuvooluga. Reaktsiooni eeldatav lõpuleviimise protsent arvutatakse keemilise kineetika abil.

Paagid on valmistatud roostevabast terasest või sulamitest, samuti emailkattega.

Mõned olulised NPM-i aspektid

Kõik arvutused põhinevad täiuslikul segamisel. Reaktsioon kulgeb kiirusega, mis on seotud lõppkontsentratsiooniga. Tasakaaluseisundis peab voolukiirus olema võrdne voolukiirusega, vastasel juhul voolab paak üle või tühjeneb.

Tihti on kuluefektiivne töötada mitme jada- või paralleelse HPM-iga. Viiest või kuuest ühikust koosneva kaskaadina kokku pandud roostevabast terasest mahutid võivad käituda nagu pistikvoolureaktor. See võimaldab esimesel seadmel töötada kõrgema reagendi kontsentratsiooniga ja seega ka kiirema reaktsioonikiirusega. Samuti saab mitu HPM-i etappi asetada vertikaalsesse teraspaaki, selle asemel, et protsessid toimuksid erinevates mahutites.

Horisontaalses versioonis on mitmeastmeline seade jaotatud erineva kõrgusega vertikaalsete vaheseintega, millest segu voolab kaskaadidena.

Kui reagendid on halvasti segunenud või nende tihedus erineb oluliselt, kasutatakse vastuvoolurežiimis vertikaalset mitmeastmelist reaktorit (vooderdatud või roostevaba teras). See on tõhus pöörduvate reaktsioonide läbiviimisel.

Väike pseudovedel kiht on täielikult segunenud. Suurel kaubanduslikul keevkihtreaktoril on praktiliselt ühtlane temperatuur, kuid segunevate ja ümberasustatud voogude ning nendevaheliste üleminekuolekute segu.

Plug-flow keemiline reaktor

RPP on reaktor (roostevaba), milles üks või mitu vedelat reagenti pumbatakse läbi toru või torude. Neid nimetatakse ka torukujuliseks vooluks. Sellel võib olla mitu toru või toru. Reaktiivid sisenevad pidev alt ühest otsast ja tooted väljuvad teisest. Segu läbimisel toimuvad keemilised protsessid.

RPP-s on reaktsioonikiirus gradient: sisendis on see väga kõrge, kuid reaktiivide kontsentratsiooni vähenemise ja väljundproduktide sisalduse suurenemisega selle kiirus aeglustub. Tavaliselt saavutatakse dünaamilise tasakaalu seisund.

Reaktori horisontaalne ja vertikaalne asend on levinud.

Kui on vaja soojusülekannet, kaetakse üksikud torud mantliga või kasutatakse korpuse ja toru soojusvahetit. Viimasel juhul võivad kemikaalid ollanii kestas kui ka torus.

Suure läbimõõduga düüside või vannidega metallmahutid on sarnased RPP-ga ja neid kasutatakse laialdaselt. Mõned konfiguratsioonid kasutavad aksiaalset ja radiaalset voolu, mitut sisseehitatud soojusvahetiga kesta, reaktori horisontaalset või vertikaalset asendit ja nii edasi.

Reagendi anuma võib täita katalüütiliste või inertse tahke ainega, et parandada pindadevahelist kontakti heterogeensete reaktsioonide korral.

RPP-s on oluline, et arvutustes ei võetaks arvesse vertikaalset või horisontaalset segunemist – seda mõeldakse termini "plug flow" all. Reaktiive saab reaktorisse sisestada mitte ainult sisselaskeava kaudu. Seega on võimalik saavutada RPP suurem efektiivsus või vähendada selle suurust ja maksumust. RPP jõudlus on tavaliselt kõrgem kui sama mahuga HPP oma. Kui ruumala ja aeg on kolbreaktorites võrdsed, on reaktsiooni lõpuleviimise protsent suurem kui segamisseadmetes.

Dünaamiline tasakaal

Enamiku keemiliste protsesside puhul on võimatu saavutada 100-protsendilist lõpetamist. Nende kiirus väheneb selle indikaatori kasvuga kuni hetkeni, mil süsteem saavutab dünaamilise tasakaalu (kui kogu reaktsiooni või koostise muutust ei toimu). Enamiku süsteemide tasakaalupunkt on alla 100% protsessi lõpuleviimisest. Sel põhjusel on vaja läbi viia eraldusprotsess, näiteks destilleerimine, et eraldada ülejäänud reagendid või kõrvalsaadused.sihtmärk. Neid reaktiive saab mõnikord uuesti kasutada protsessi, näiteks Haberi protsessi alguses.

PFA rakendamine

Kolbvoolureaktoreid kasutatakse ühendite keemiliseks muundamiseks, kui need liiguvad läbi torutaolise süsteemi suuremahuliste, kiirete, homogeensete või heterogeensete reaktsioonide, pideva tootmise ja suure soojust genereerivate protsesside jaoks.

Ideaalsel RPP-l on fikseeritud viibimisaeg, st mis tahes ajal t sisenev vedelik (kolb) väljub sellest ajal t + τ, kus τ on viibimisaeg paigaldises.

Seda tüüpi keemilistel reaktoritel on pika aja jooksul kõrge jõudlus ja suurepärane soojusülekanne. RPP-de puudusteks on protsessi temperatuuri kontrollimise raskus, mis võib põhjustada soovimatuid temperatuurikõikumisi, ja nende kõrgem hind.

Katalüütilised reaktorid

Kuigi seda tüüpi üksusi kasutatakse sageli RPP-na, vajavad need keerukamat hooldust. Katalüütilise reaktsiooni kiirus on võrdeline kemikaalidega kokkupuutes oleva katalüsaatori kogusega. Tahke katalüsaatori ja vedelate reagentide puhul on protsesside kiirus võrdeline olemasoleva pindalaga, kemikaalide sisendiga ja toodete eemaldamisega ning sõltub turbulentse segunemise olemasolust.

Katalüütiline reaktsioon on tegelikult sageli mitmeastmeline. Mitte ainultalgsed reagendid interakteeruvad katalüsaatoriga. Mõned vahetooted reageerivad ka sellega.

Katalüsaatorite käitumine on samuti oluline selle protsessi kineetikas, eriti kõrge temperatuuriga naftakeemilistes reaktsioonides, kuna need deaktiveeritakse paagutamise, koksimise ja sarnaste protsesside käigus.

Uute tehnoloogiate rakendamine

RPP-d kasutatakse biomassi muundamiseks. Katsetes kasutatakse kõrgsurvereaktoreid. Rõhk nendes võib ulatuda 35 MPa-ni. Mitme suuruse kasutamine võimaldab varieerida viibimisaega vahemikus 0,5 kuni 600 s. Üle 300 °C temperatuuri saavutamiseks kasutatakse elektriküttega reaktoreid. Biomassi tarnivad HPLC-pumbad.

RPP aerosooli nanoosakesed

Huvi nanosuuruses osakeste sünteesi ja kasutamise vastu erinevatel eesmärkidel on märkimisväärne, sealhulgas kõrgsulamite sulamite ja elektroonikatööstuse paksukilejuhtmete vastu. Muud rakendused hõlmavad magnetilise tundlikkuse mõõtmist, infrapuna kaugülekannet ja tuumamagnetresonantsi. Nende süsteemide jaoks on vaja toota kontrollitud suurusega osakesi. Nende läbimõõt on tavaliselt vahemikus 10 kuni 500 nm.

Oma suuruse, kuju ja suure eripinna tõttu saab neid osakesi kasutada kosmeetiliste pigmentide, membraanide, katalüsaatorite, keraamika, katalüütiliste ja fotokatalüütiliste reaktorite tootmiseks. Nanoosakeste kasutusnäited hõlmavad SnO₂ andurite jaokssüsinikmonooksiid, TiO₂ valgusjuhtide jaoks, SiO_{2 kolloidse ränidioksiidi ja optiliste kiudude jaoks, C rehvide süsiniku täiteainete jaoks, Fe salvestusmaterjalide jaoks, Ni akudele ja vähesel määral pallaadiumile, magneesiumile ja vismutile. Kõik need materjalid sünteesitakse aerosoolreaktorites. Meditsiinis kasutatakse nanoosakesi haavainfektsioonide ennetamiseks ja raviks, kunstlikes luuimplantaatides ja aju kuvamisel.}

Tootmisnäide

Alumiiniumiosakeste saamiseks jahutatakse metalliauruga küllastunud argoonivoolu 18 mm läbimõõduga ja 0,5 m pikkusega RPP-s temperatuuril 1600 °C kiirusega 1000 °C/s. Kui gaas läbib reaktorit, tekib tuumade moodustumine ja alumiiniumosakeste kasv. Voolukiirus on 2 dm3/min ja rõhk on 1 atm (1013 Pa). Liikumisel gaas jahtub ja üleküllastub, mis põhjustab osakeste tuuma moodustumist kokkupõrgete ja molekulide aurustumise tagajärjel, mida korratakse, kuni osake saavutab kriitilise suuruse. Liikudes läbi üleküllastunud gaasi, kondenseeruvad alumiiniumi molekulid osakeste peale, suurendades nende suurust.