Hva er kjemiske reaktorer? Typer kjemiske reaktorer

2025 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2025-01-24 13:22

En kjemisk reaksjon er en prosess som fører til transformasjon av reaktanter. Den er preget av endringer som resulterer i ett eller flere produkter som er forskjellige fra originalen. Kjemiske reaksjoner er av en annen karakter. Det avhenger av typen reagenser, stoffet som oppnås, betingelsene og tidspunktet for syntese, dekomponering, fortrengning, isomerisering, syre-base, redoks, organiske prosesser osv.

Kjemiske reaktorer er beholdere designet for å utføre reaksjoner for å produsere sluttproduktet. Designet deres avhenger av ulike faktorer og bør gi maksimal ytelse på den mest kostnadseffektive måten.

Visninger

Det er tre hovedmodeller av kjemiske reaktorer:

• Periodisk.
• Continuous Stirred (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Disse grunnleggende modellene kan modifiseres for å møte kravene til den kjemiske prosessen.

Batch-reaktor

Kjemiske enheter av denne typen brukes i batch-prosesser med lave produksjonsvolum, lange reaksjonstider eller hvor bedre selektivitet oppnås, som i enkelte polymerisasjonsprosesser.

Til dette brukes for eksempel beholdere i rustfritt stål, hvor innholdet blandes med innvendige arbeidsblader, gassbobler eller ved hjelp av pumper. Temperaturkontroll utføres ved hjelp av varmevekslerkapper, vanningskjølere eller pumping gjennom en varmeveksler.

Batch-reaktorer brukes i dag i kjemisk industri og næringsmiddelindustri. Deres automatisering og optimalisering skaper vanskeligheter, siden det er nødvendig å kombinere kontinuerlige og diskrete prosesser.

Semi-batch kjemiske reaktorer kombinerer kontinuerlig og batch drift. En bioreaktor blir for eksempel periodisk belastet og avgir hele tiden karbondioksid, som kontinuerlig må fjernes. Tilsvarende, i kloreringsreaksjonen, når klorgass er en av reaktantene, hvis den ikke introduseres kontinuerlig, vil det meste av den fordampe.

For å sikre store produksjonsvolumer brukes hovedsakelig kontinuerlige kjemiske reaktorer eller metalltanker med omrører eller kontinuerlig strømning.

Kontinuerlig omrørt reaktor

Flytende reagenser mates inn i rustfrie ståltanker. For å sikre riktig samhandling, blandes de av arbeidsbladene. Altså iI reaktorer av denne typen mates reaktantene kontinuerlig inn i den første tanken (vertikal, stål), deretter går de inn i de påfølgende, mens de blandes grundig i hver tank. Selv om sammensetningen av blandingen er homogen i hver enkelt tank, varierer konsentrasjonen i systemet som helhet fra tank til tank.

Den gjennomsnittlige tiden en diskret mengde reagens tilbringer i en tank (oppholdstid) kan beregnes ved ganske enkelt å dele tankens volum med den gjennomsnittlige volumetriske strømningshastigheten gjennom den. Den forventede prosentvise fullføringen av reaksjonen beregnes ved hjelp av kjemisk kinetikk.

Tanker er laget av rustfritt stål eller legeringer, samt med emaljebelegg.

Noen viktige aspekter ved NPM

Alle beregninger er basert på perfekt blanding. Reaksjonen fortsetter med en hastighet relatert til den endelige konsentrasjonen. Ved likevekt må strømningshastigheten være lik strømningshastigheten, ellers vil tanken renne over eller tømmes.

Det er ofte kostnadseffektivt å jobbe med flere serielle eller parallelle HPM-er. Rustfrie ståltanker satt sammen i en kaskade på fem eller seks enheter kan oppføre seg som en pluggstrømsreaktor. Dette gjør at den første enheten kan operere med en høyere reaktantkonsentrasjon og derfor en raskere reaksjonshastighet. Flere trinn av HPM kan også plasseres i en vertikal ståltank, i stedet for at prosesser foregår i forskjellige beholdere.

I den horisontale versjonen er flertrinnsenheten seksjonert av vertikale skillevegger i forskjellige høyder som blandingen strømmer gjennom i kaskader.

Når reaktantene er dårlig blandet eller avviker betydelig i tetthet, brukes en vertikal flertrinnsreaktor (foret eller rustfritt stål) i motstrømsmodus. Dette er effektivt for å utføre reversible reaksjoner.

Det lille pseudo-væskelaget er fullstendig blandet. En stor kommersiell reaktor med fluidisert sjikt har en hovedsakelig jevn temperatur, men en blanding av blandbare og fortrengte strømmer og overgangstilstander mellom dem.

Plug-flow kjemisk reaktor

RPP er en reaktor (rustfri) der en eller flere flytende reaktanter pumpes gjennom et eller flere rør. De kalles også rørformet strømning. Den kan ha flere rør eller rør. Reagenser kommer hele tiden inn gjennom den ene enden og produktene kommer ut fra den andre. Kjemiske prosesser skjer når blandingen passerer gjennom.

I RPP er reaksjonshastigheten gradient: ved inngangen er den veldig høy, men med en reduksjon i konsentrasjonen av reagenser og en økning i innholdet av utgangsprodukter, reduseres hastigheten. Vanligvis oppnås en tilstand av dynamisk likevekt.

Både horisontale og vertikale reaktororienteringer er vanlige.

Når varmeoverføring er nødvendig, er individuelle rør mantelet eller en varmeveksler med skall og rør brukes. I sistnevnte tilfelle kan kjemikaliene værebåde i skall og rør.

Metallbeholdere med stor diameter med dyser eller badekar ligner på RPP og er mye brukt. Noen konfigurasjoner bruker aksial og radiell strømning, flere skall med innebygde varmevekslere, horisontal eller vertikal reaktorposisjon, og så videre.

Reagensbeholderen kan fylles med katalytiske eller inerte faste stoffer for å forbedre grenseflatekontakten ved heterogene reaksjoner.

Det er viktig i RPP at beregningene ikke tar hensyn til vertikal eller horisontal blanding - det er dette som menes med begrepet "plugg flow". Reagenser kan innføres i reaktoren ikke bare gjennom innløpet. Dermed er det mulig å oppnå en høyere effektivitet av RPP eller redusere størrelsen og kostnadene. Ytelsen til RPP er vanligvis høyere enn for HPP med samme volum. Med like verdier av volum og tid i stempelreaktorer vil reaksjonen ha en høyere fullføringsprosent enn i blandeenheter.

Dynamisk saldo

For de fleste kjemiske prosesser er det umulig å oppnå 100 prosent fullføring. Hastigheten deres avtar med veksten av denne indikatoren til øyeblikket da systemet når dynamisk likevekt (når den totale reaksjonen eller endringen i sammensetningen ikke oppstår). Likevektspunktet for de fleste systemer er under 100 % prosessfullføring. Av denne grunn er det nødvendig å utføre en separasjonsprosess, for eksempel destillasjon, for å separere de gjenværende reaktantene eller biproduktene framål. Disse reagensene kan noen ganger gjenbrukes i starten av en prosess som Haber-prosessen.

Anvendelse av PFA

Stempelstrømreaktorer brukes til å utføre kjemisk transformasjon av forbindelser når de beveger seg gjennom et rørlignende system for storskala, raske, homogene eller heterogene reaksjoner, kontinuerlig produksjon og høy varmegenererende prosesser.

En ideell RPP har en fast oppholdstid, dvs. enhver væske (stempel) som kommer inn på tidspunkt t vil forlate den på tidspunkt t + τ, der τ er oppholdstiden i installasjonen.

Kjemiske reaktorer av denne typen har høy ytelse over lange perioder, samt utmerket varmeoverføring. Ulempene med RPP er vanskeligheten med å kontrollere prosesstemperaturen, noe som kan føre til uønskede temperatursvingninger, og deres høyere kostnad.

Katalytiske reaktorer

Selv om denne typen enheter ofte implementeres som RPP, krever de mer komplekst vedlikehold. Hastigheten til en katalytisk reaksjon er proporsjonal med mengden katalysator i kontakt med kjemikaliene. Når det gjelder en fast katalysator og flytende reaktanter, er prosesshastigheten proporsjonal med tilgjengelig areal, tilførsel av kjemikalier og uttak av produkter og avhenger av tilstedeværelsen av turbulent blanding.

En katalytisk reaksjon er faktisk ofte flertrinns. Ikke barede første reaktantene samvirker med katalysatoren. Noen mellomprodukter reagerer også med det.

Atferden til katalysatorer er også viktig i kinetikken til denne prosessen, spesielt i petrokjemiske reaksjoner ved høye temperaturer, ettersom de deaktiveres ved sintring, forkoksing og lignende prosesser.

Ta i bruk nye teknologier

RPP brukes til biomassekonvertering. Høytrykksreaktorer brukes i forsøkene. Trykket i dem kan nå 35 MPa. Bruk av flere størrelser gjør at oppholdstiden kan varieres fra 0,5 til 600 s. For å oppnå temperaturer over 300 °C brukes elektrisk oppvarmede reaktorer. Biomasse tilføres av HPLC-pumper.

RPP aerosol nanopartikler

Det er betydelig interesse for syntese og anvendelse av partikler i nanostørrelse til ulike formål, inkludert høylegerte legeringer og tykkfilmsledere for elektronikkindustrien. Andre applikasjoner inkluderer magnetiske følsomhetsmålinger, fjerninfrarød overføring og kjernemagnetisk resonans. For disse systemene er det nødvendig å produsere partikler av kontrollert størrelse. Diameteren deres er vanligvis i området 10 til 500 nm.

På grunn av deres størrelse, form og høye spesifikke overflateareal, kan disse partiklene brukes til å produsere kosmetiske pigmenter, membraner, katalysatorer, keramikk, katalytiske og fotokatalytiske reaktorer. Brukseksempler for nanopartikler inkluderer SnO₂ for sensorerkarbonmonoksid, TiO₂ for lysledere, SiO_{2 for kolloid alt silisiumdioksid og optiske fibre, C for karbonfyllstoffer i dekk, Fe for registreringsmaterialer, Ni for batterier og i mindre grad palladium, magnesium og vismut. Alle disse materialene syntetiseres i aerosolreaktorer. I medisin brukes nanopartikler til å forebygge og behandle sårinfeksjoner, i kunstige beinimplantater og til hjerneavbildning.}

Produksjonseksempel

For å oppnå aluminiumpartikler avkjøles en argonstrøm mettet med metalldamp i en RPP med en diameter på 18 mm og en lengde på 0,5 m fra en temperatur på 1600 °C med en hastighet på 1000 °C/s. Når gassen passerer gjennom reaktoren, oppstår kjernedannelse og vekst av aluminiumpartikler. Strømningshastigheten er 2 dm3/min og trykket er 1 atm (1013 Pa). Når den beveger seg, avkjøles gassen og blir overmettet, noe som fører til kjernedannelse av partikler som følge av kollisjoner og fordampning av molekyler, gjentatt til partikkelen når en kritisk størrelse. Når de beveger seg gjennom den overmettede gassen, kondenserer aluminiumsmolekylene på partiklene og øker størrelsen deres.