Çfarë janë reaktorët kimikë? Llojet e reaktorëve kimikë

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-02 14:02

Një reaksion kimik është një proces që çon në transformimin e reaktantëve. Karakterizohet nga ndryshime që rezultojnë në një ose më shumë produkte që janë të ndryshëm nga origjinali. Reaksionet kimike janë të një natyre të ndryshme. Varet nga lloji i reagentëve, substanca e përftuar, kushtet dhe koha e sintezës, zbërthimi, zhvendosja, izomerizimi, acido-baza, redoks, proceset organike etj.

Reaktorët kimikë janë kontejnerë të krijuar për të kryer reaksione në mënyrë që të prodhojnë produktin përfundimtar. Dizajni i tyre varet nga faktorë të ndryshëm dhe duhet të sigurojë rezultatin maksimal në mënyrën më kosto efektive.

Shikime

Ekzistojnë tre modele kryesore bazë të reaktorëve kimikë:

• Periodike.
• Përzierje e vazhdueshme (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Këto modele bazë mund të modifikohen për të përmbushur kërkesat e procesit kimik.

reaktor grumbull

Njësitë kimike të këtij lloji përdoren në procese grupore me vëllime të ulëta prodhimi, kohë të gjata reagimi ose ku arrihet selektivitet më i mirë, si në disa procese polimerizimi.

Për këtë, për shembull, përdoren enë çeliku inox, përmbajtja e të cilave përzihet me tehe të brendshme pune, flluska gazi ose duke përdorur pompa. Kontrolli i temperaturës kryhet duke përdorur xhaketa të shkëmbimit të nxehtësisë, ftohës për ujitje ose pompim përmes një shkëmbyesi nxehtësie.

Reaktorët e grupeve përdoren aktualisht në industrinë kimike dhe të përpunimit të ushqimit. Automatizimi dhe optimizimi i tyre krijon vështirësi, pasi është e nevojshme të kombinohen procese të vazhdueshme dhe diskrete.

Reaktorët kimikë gjysmë-batch kombinojnë funksionimin e vazhdueshëm dhe batch. Një bioreaktor, për shembull, ngarkohet periodikisht dhe lëshon vazhdimisht dioksid karboni, i cili duhet të hiqet vazhdimisht. Në mënyrë të ngjashme, në reaksionin e klorifikimit, kur gazi i klorit është një nga reaktantët, nëse nuk futet vazhdimisht, pjesa më e madhe e tij do të avullohet.

Për të siguruar vëllime të mëdha prodhimi, përdoren kryesisht reaktorë kimikë të vazhdueshëm ose rezervuarë metalikë me agjitator ose rrjedhje të vazhdueshme.

Reaktor me trazim të vazhdueshëm

Reagentët e lëngshëm futen në rezervuarët e çelikut inox. Për të siguruar ndërveprimin e duhur, ato përzihen nga tehet e punës. Kështu, nëNë reaktorët e këtij lloji, reaktantët futen vazhdimisht në rezervuarin e parë (vertikal, çeliku), më pas futen në ato të mëvonshme, ndërsa përzihen plotësisht në çdo rezervuar. Megjithëse përbërja e përzierjes është homogjene në çdo rezervuar individual, në sistem në tërësi përqendrimi ndryshon nga rezervuari në rezervuar.

Sasia mesatare e kohës që kalon një sasi diskrete reagjenti në një rezervuar (koha e qëndrimit) mund të llogaritet thjesht duke pjesëtuar vëllimin e rezervuarit me shpejtësinë mesatare vëllimore të rrjedhës nëpër të. Përqindja e pritur e përfundimit të reaksionit llogaritet duke përdorur kinetikën kimike.

Rezervuarët janë prej çeliku inox ose lidhjeve, si dhe me veshje sm alti.

Disa aspekte të rëndësishme të NPM

Të gjitha llogaritjet bazohen në përzierjen perfekte. Reaksioni vazhdon me një shpejtësi të lidhur me përqendrimin përfundimtar. Në ekuilibër, shpejtësia e rrjedhës duhet të jetë e barabartë me shpejtësinë e rrjedhës, përndryshe rezervuari do të tejmbushet ose do të zbrazet.

Shpesh është me kosto efektive të punosh me HPM të shumta serike ose paralele. Rezervuarët prej çeliku inox të montuar në një kaskadë prej pesë ose gjashtë njësive mund të sillen si një reaktor i rrjedhës së prizës. Kjo lejon që njësia e parë të funksionojë me një përqendrim më të lartë të reaktantit dhe për rrjedhojë një shpejtësi më të shpejtë reagimi. Gjithashtu, disa faza të HPM mund të vendosen në një rezervuar çeliku vertikal, në vend që proceset të zhvillohen në kontejnerë të ndryshëm.

Në versionin horizontal, njësia me shumë faza ndahet nga ndarje vertikale me lartësi të ndryshme nëpër të cilat përzierja rrjedh në kaskada.

Kur reaktantët janë të përzier dobët ose ndryshojnë ndjeshëm në densitet, një reaktor vertikal me shumë faza (të rreshtuar ose çelik inox) përdoret në modalitetin kundërrrymës. Kjo është efektive për kryerjen e reaksioneve të kthyeshme.

Shtresa e vogël pseudo-lëng është e përzier plotësisht. Një reaktor i madh komercial me shtrat të lëngshëm ka një temperaturë thelbësisht uniforme, por një përzierje rrymash të përziera dhe të zhvendosura dhe gjendjeve të tranzicionit ndërmjet tyre.

Reaktor kimik me prizë

RPP është një reaktor (inox) në të cilin një ose më shumë reaktantë të lëngshëm pompohen përmes një tubi ose tubash. Ata quhen gjithashtu rrjedhje tubulare. Mund të ketë disa tuba ose tuba. Reagentët hyjnë vazhdimisht nga një skaj dhe produktet dalin nga tjetri. Proceset kimike ndodhin kur përzierja kalon.

Në RPP, shkalla e reagimit është gradient: në hyrje është shumë e lartë, por me një ulje të përqendrimit të reagentëve dhe një rritje të përmbajtjes së produkteve dalëse, shpejtësia e saj ngadalësohet. Zakonisht arrihet një gjendje e ekuilibrit dinamik.

Orientimet horizontale dhe vertikale të reaktorit janë të zakonshme.

Kur kërkohet transferimi i nxehtësisë, tubat individualë janë të veshur me xhaketë ose përdoret një shkëmbyes nxehtësie me guaskë dhe tub. Në rastin e fundit, kimikatet mund të jenësi në guaskë ashtu edhe në tub.

Enë metalike me diametër të madh me grykë ose vaskë janë të ngjashëm me RPP dhe përdoren gjerësisht. Disa konfigurime përdorin rrjedhje aksiale dhe radiale, predha të shumta me shkëmbyes nxehtësie të integruar, pozicion horizontal ose vertikal të reaktorit, etj.

Ena e reagentit mund të mbushet me lëndë të ngurta katalitike ose inerte për të përmirësuar kontaktin ndërfaqësor në reaksionet heterogjene.

Është e rëndësishme në RPP që llogaritjet të mos marrin parasysh përzierjen vertikale ose horizontale - kjo është ajo që nënkuptohet me termin "rrymë prizë". Reagentët mund të futen në reaktor jo vetëm përmes hyrjes. Kështu, është e mundur të arrihet një efikasitet më i lartë i RPP ose të zvogëlohet madhësia dhe kostoja e tij. Performanca e RPP është zakonisht më e lartë se ajo e HEC-eve me të njëjtin vëllim. Me vlera të barabarta të vëllimit dhe kohës në reaktorët e pistonit, reaksioni do të ketë një përqindje më të lartë përfundimi sesa në njësitë e përzierjes.

Bilanci dinamik

Për shumicën e proceseve kimike, është e pamundur të arrihet përfundimi 100 për qind. Shpejtësia e tyre zvogëlohet me rritjen e këtij treguesi deri në momentin kur sistemi arrin ekuilibrin dinamik (kur reagimi total ose ndryshimi i përbërjes nuk ndodh). Pika e ekuilibrit për shumicën e sistemeve është nën 100% përfundimi i procesit. Për këtë arsye, është e nevojshme të kryhet një proces ndarjeje, si distilimi, për të ndarë reaktantët ose nënproduktet e mbetura ngaobjektiv. Këta reagentë ndonjëherë mund të ripërdoren në fillim të një procesi të tillë si procesi Haber.

Aplikimi i PFA

Reaktorët me rrjedhje pistoni përdoren për të kryer transformimin kimik të përbërjeve ndërsa lëvizin nëpër një sistem të ngjashëm me tubin për reaksione të shkallës së gjerë, të shpejtë, homogjene ose heterogjene, prodhim të vazhdueshëm dhe procese të gjenerimit të nxehtësisë së lartë.

Një RPP ideale ka një kohë qëndrimi fikse, d.m.th., çdo lëng (piston) që hyn në kohën t do ta lërë atë në kohën t + τ, ku τ është koha e qëndrimit në instalim.

Reaktorët kimikë të këtij lloji kanë performancë të lartë për periudha të gjata kohore, si dhe transferim të shkëlqyer të nxehtësisë. Disavantazhet e RPP-ve janë vështirësia në kontrollimin e temperaturës së procesit, e cila mund të çojë në luhatje të padëshiruara të temperaturës dhe kostoja e tyre më e lartë.

Reaktorët katalitikë

Megjithëse këto lloj njësish zbatohen shpesh si RPP, ato kërkojnë mirëmbajtje më komplekse. Shpejtësia e një reaksioni katalitik është proporcionale me sasinë e katalizatorit në kontakt me kimikatet. Në rastin e një katalizatori të ngurtë dhe reaktantëve të lëngshëm, shpejtësia e proceseve është proporcionale me sipërfaqen e disponueshme, hyrjen e kimikateve dhe tërheqjen e produkteve dhe varet nga prania e përzierjes turbulente.

Një reaksion katalitik është në fakt shpesh me shumë hapa. Jo vetemreaktantët fillestarë ndërveprojnë me katalizatorin. Disa produkte të ndërmjetme reagojnë gjithashtu me të.

Sjellja e katalizatorëve është gjithashtu e rëndësishme në kinetikën e këtij procesi, veçanërisht në reaksionet petrokimike me temperaturë të lartë, pasi ato çaktivizohen nga sinterizimi, koksimi dhe procese të ngjashme.

Aplikimi i teknologjive të reja

RPP përdoren për konvertimin e biomasës. Në eksperimente përdoren reaktorë me presion të lartë. Presioni në to mund të arrijë 35 MPa. Përdorimi i disa madhësive lejon që koha e qëndrimit të variojë nga 0,5 në 600 s. Për të arritur temperatura mbi 300 °C, përdoren reaktorë me ngrohje elektrike. Biomasa furnizohet nga pompat HPLC.

Nanogrimcat e aerosolit RPP

Ekziston një interes i konsiderueshëm për sintezën dhe aplikimin e grimcave me madhësi nanoz për qëllime të ndryshme, duke përfshirë lidhjet me aliazh të lartë dhe përçuesit me shtresë të trashë për industrinë elektronike. Aplikime të tjera përfshijnë matjet e ndjeshmërisë magnetike, transmetimin e largët me infra të kuqe dhe rezonancën magnetike bërthamore. Për këto sisteme është e nevojshme të prodhohen grimca të një madhësie të kontrolluar. Diametri i tyre është zakonisht në rangun nga 10 deri në 500 nm.

Për shkak të madhësisë, formës dhe sipërfaqes së lartë specifike, këto grimca mund të përdoren për të prodhuar pigmente kozmetike, membrana, katalizatorë, qeramikë, reaktorë katalitikë dhe fotokatalitikë. Shembujt e aplikimit për nanogrimcat përfshijnë SnO₂ për sensorëtmonoksidi i karbonit, TiO₂ për udhëzuesit e dritës, SiO_{2 për dioksidin e silikonit koloidal dhe fibrat optike, C për mbushësit e karbonit në goma, Fe për materialet e regjistrimit, Ni për bateritë dhe, në një masë më të vogël, paladium, magnez dhe bismut. Të gjitha këto materiale sintetizohen në reaktorë aerosol. Në mjekësi, nanogrimcat përdoren për të parandaluar dhe trajtuar infeksionet e plagëve, në implantet e kockave artificiale dhe për imazhin e trurit.}

Shembull prodhimi

Për të marrë grimcat e aluminit, një rrjedhë argon e ngopur me avull metalik ftohet në një RPP me një diametër prej 18 mm dhe një gjatësi prej 0,5 m nga një temperaturë prej 1600 °C me një shpejtësi prej 1000 °C/s.. Ndërsa gazi kalon nëpër reaktor, ndodh bërthamimi dhe rritja e grimcave të aluminit. Shpejtësia e rrjedhës është 2 dm3/min dhe presioni është 1 atm (1013 Pa). Ndërsa lëviz, gazi ftohet dhe bëhet i mbingopur, gjë që çon në bërthamimin e grimcave si rezultat i përplasjeve dhe avullimit të molekulave, të përsëritura derisa grimca të arrijë një madhësi kritike. Ndërsa lëvizin nëpër gazin e mbingopur, molekulat e aluminit kondensohen mbi grimcat, duke rritur madhësinë e tyre.