Kas yra cheminiai reaktoriai? Cheminių reaktorių tipai

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 13:59

Cheminė reakcija yra procesas, kurio metu virsta reaguojančios medžiagos. Jai būdingi pokyčiai, dėl kurių vienas ar keli produktai skiriasi nuo originalo. Cheminės reakcijos yra kitokio pobūdžio. Tai priklauso nuo reagentų tipo, gaunamos medžiagos, sintezės sąlygų ir laiko, skilimo, išstūmimo, izomerizacijos, rūgščių-šarmų, redokso, organinių procesų ir kt.

Cheminiai reaktoriai yra talpyklos, skirtos reakcijoms atlikti, kad būtų pagamintas galutinis produktas. Jų dizainas priklauso nuo įvairių veiksnių ir turėtų užtikrinti didžiausią našumą ekonomiškiausiu būdu.

Peržiūros

Yra trys pagrindiniai pagrindiniai cheminių reaktorių modeliai:

• Periodinis.
• Nuolatinis maišymas (MUT).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Šiuos pagrindinius modelius galima modifikuoti, kad atitiktų cheminio proceso reikalavimus.

Paketinis reaktorius

Šio tipo cheminiai vienetai naudojami periodiniuose procesuose, kurių gamybos apimtis yra maža, reakcijos laikas yra ilgas arba kur pasiekiamas geresnis selektyvumas, kaip kai kuriuose polimerizacijos procesuose.

Tam, pavyzdžiui, naudojami nerūdijančio plieno indai, kurių turinys sumaišomas su vidinėmis darbinėmis mentėmis, dujų burbuliukais arba naudojant siurblius. Temperatūros kontrolė atliekama naudojant šilumos mainų gaubtus, drėkinimo aušintuvus arba siurbiant per šilumokaitį.

Paketiniai reaktoriai šiuo metu naudojami chemijos ir maisto perdirbimo pramonėje. Jų automatizavimas ir optimizavimas sukelia sunkumų, nes reikia derinti nuolatinius ir atskirus procesus.

Pusiau serijiniai cheminiai reaktoriai derina nuolatinį ir periodinį darbą. Pavyzdžiui, bioreaktorius yra periodiškai apkraunamas ir nuolat išskiria anglies dvideginį, kuris turi būti nuolat šalinamas. Panašiai ir chlorinimo reakcijoje, kai chloro dujos yra viena iš reagentų, jei jos nebus nuolat įvedamos, didžioji jų dalis išgaruos.

Siekiant užtikrinti didelius gamybos kiekius, daugiausia naudojami nuolatiniai cheminių medžiagų reaktoriai arba metaliniai rezervuarai su maišytuvu arba nuolatiniu srautu.

Nepertraukiamo maišymo reaktorius

Skysti reagentai tiekiami į nerūdijančio plieno talpas. Siekiant užtikrinti tinkamą sąveiką, jie sumaišomi darbiniais peiliais. Taigi, įŠio tipo reaktoriuose reagentai nuolat tiekiami į pirmąjį rezervuarą (vertikalią, plieninę), tada jie patenka į vėlesnius, o kiekvienoje talpykloje kruopščiai sumaišomi. Nors mišinio sudėtis kiekviename rezervuare yra vienalytė, sistemoje kaip visumoje koncentracija skiriasi priklausomai nuo rezervuaro.

Vidutinį laiką, kurį atskiras reagento kiekis praleidžia rezervuare (buvimo laiką), galima apskaičiuoti tiesiog padalijus bako tūrį iš vidutinio tūrinio srauto per jį. Tikėtinas reakcijos užbaigimo procentas apskaičiuojamas naudojant cheminę kinetiką.

Bakai pagaminti iš nerūdijančio plieno arba lydinių, taip pat su emalio danga.

Kai kurie svarbūs NPM aspektai

Visi skaičiavimai pagrįsti tobulu maišymu. Reakcija vyksta greičiu, susijusiu su galutine koncentracija. Esant pusiausvyrai, srautas turi būti lygus debitui, antraip bakas persipildys arba ištuštės.

Dažnai ekonomiškai efektyvu dirbti su keliais nuosekliais arba lygiagrečiais HPM. Nerūdijančio plieno rezervuarai, surinkti į kaskadą iš penkių ar šešių blokų, gali veikti kaip kamštinis srauto reaktorius. Tai leidžia pirmajam blokui veikti esant didesnei reagento koncentracijai, taigi ir greitesniam reakcijos greičiui. Be to, keli HPM etapai gali būti dedami į vertikalią plieninę talpą, o ne procesus, vykstančius skirtinguose konteineriuose.

Horizontaliame variante daugiapakopis įrenginys yra atskirtas vertikaliomis įvairaus aukščio pertvaromis, per kurias mišinys teka kaskadomis.

Kai reagentai prastai sumaišomi arba labai skiriasi tankis, priešsrovės režimu naudojamas vertikalus kelių pakopų reaktorius (apmuštas arba nerūdijančio plieno). Tai efektyvu atliekant grįžtamas reakcijas.

Mažas pseudoskysčio sluoksnis yra visiškai sumaišytas. Didelis komercinis verdančio sluoksnio reaktorius turi iš esmės vienodą temperatūrą, tačiau maišosi ir išstumtos srovės bei pereinamosios būsenos tarp jų.

Prijungimo srauto cheminis reaktorius

RPP yra reaktorius (nerūdijančio plieno), kuriame vienas ar daugiau skystų reagentų pumpuojami vamzdžiu ar vamzdeliais. Jie taip pat vadinami vamzdiniu srautu. Jame gali būti keli vamzdžiai arba vamzdeliai. Reagentai nuolat patenka per vieną galą, o produktai išeina iš kito. Mišiniui pereinant vyksta cheminiai procesai.

RPP reakcijos greitis yra gradientas: įėjime jis yra labai didelis, tačiau sumažėjus reagentų koncentracijai ir padidėjus išvesties produktų kiekiui, jo greitis sulėtėja. Paprastai pasiekiama dinaminės pusiausvyros būsena.

Tiek horizontalios, tiek vertikalios reaktoriaus orientacijos yra bendros.

Kai reikalingas šilumos perdavimas, atskiri vamzdžiai uždengiami apvalkalu arba naudojamas korpuso ir vamzdžio šilumokaitis. Pastaruoju atveju cheminės medžiagos gali būtitiek apvalkale, tiek vamzdyje.

Metaliniai didelio skersmens konteineriai su antgaliais ar vonelėmis yra panašūs į RPP ir yra plačiai naudojami. Kai kuriose konfigūracijose naudojamas ašinis ir radialinis srautas, keli korpusai su įmontuotais šilumokaičiais, horizontali arba vertikali reaktoriaus padėtis ir pan.

Reagento indas gali būti užpildytas katalizinėmis arba inertinėmis kietosiomis medžiagomis, kad būtų pagerintas paviršinis kontaktas vykstant nevienalytei reakcijai.

RPP svarbu, kad atliekant skaičiavimus nebūtų atsižvelgta į vertikalų ar horizontalų maišymąsi – štai ką reiškia terminas „plug flow“. Reagentai į reaktorių gali būti įvedami ne tik per įvadą. Taigi galima pasiekti didesnį RPP efektyvumą arba sumažinti jo dydį ir kainą. RPP našumas paprastai yra didesnis nei to paties tūrio HPP. Esant vienodoms tūrio ir laiko reikšmėms stūmokliniuose reaktoriuose, reakcijos užbaigimo procentas bus didesnis nei maišymo blokuose.

Dinaminis balansas

Daugelio cheminių procesų atveju neįmanoma pasiekti 100 procentų užbaigimo. Jų greitis mažėja augant šiam rodikliui iki to momento, kai sistema pasiekia dinaminę pusiausvyrą (kai nevyksta suminė reakcija ar sudėties pokytis). Daugumos sistemų pusiausvyros taškas yra mažesnis nei 100 % proceso užbaigimo. Dėl šios priežasties būtina atlikti atskyrimo procesą, pvz., distiliavimą, kad būtų galima atskirti likusius reagentus arba šalutinius produktus nuotaikinys. Šie reagentai kartais gali būti pakartotinai naudojami proceso, pvz., Haberio proceso, pradžioje.

PFA taikymas

Stūmokliniai srauto reaktoriai naudojami cheminei junginių transformacijai, kai jie juda vamzdžio pavidalo sistema, kad vyktų didelio masto, greitos, vienalytės arba nevienalytės reakcijos, nuolatinė gamyba ir daug šilumos generuojami procesai.

Idealios RPP buvimo laikas yra fiksuotas, t. y. bet koks skystis (stūmoklis), patekęs į vidų momentu t, iš jo išeis momentu t + τ, kur τ yra buvimo įrenginyje laikas.

Šio tipo cheminiai reaktoriai pasižymi dideliu našumu ilgą laiką, taip pat puikiai perduoda šilumą. RPP trūkumai yra tai, kad sunku kontroliuoti proceso temperatūrą, dėl kurios gali atsirasti nepageidaujamų temperatūros svyravimų, ir didesnė jų kaina.

Kataliziniai reaktoriai

Nors tokio tipo įrenginiai dažnai naudojami kaip RPP, jiems reikalinga sudėtingesnė priežiūra. Katalizinės reakcijos greitis yra proporcingas katalizatoriaus, besiliečiančio su cheminėmis medžiagomis, kiekiui. Kieto katalizatoriaus ir skystų reagentų atveju procesų greitis yra proporcingas turimam plotui, cheminių medžiagų įvedimui ir produktų pašalinimui bei priklauso nuo turbulencinio maišymosi.

Katalizinė reakcija dažnai yra daugiapakopė. Ne tikpradiniai reagentai sąveikauja su katalizatoriumi. Kai kurie tarpiniai produktai taip pat reaguoja su juo.

Katalizatorių elgsena taip pat yra svarbi šio proceso kinetika, ypač vykstant aukštos temperatūros naftos cheminėms reakcijoms, nes jie deaktyvuojami sukepinant, koksuojant ir panašiais procesais.

Naujų technologijų taikymas

RPP naudojami biomasei konvertuoti. Eksperimentuose naudojami aukšto slėgio reaktoriai. Slėgis juose gali siekti 35 MPa. Kelių dydžių naudojimas leidžia keisti buvimo laiką nuo 0,5 iki 600 s. Norint pasiekti aukštesnę nei 300 °C temperatūrą, naudojami elektra šildomi reaktoriai. Biomasė tiekiama naudojant HPLC siurblius.

RPP aerozolio nanodalelės

Yra didelis susidomėjimas nanodydžių dalelių sinteze ir taikymu įvairiems tikslams, įskaitant didelio lydinio lydinius ir storosios plėvelės laidininkus elektronikos pramonei. Kitos programos apima magnetinio jautrumo matavimus, tolimųjų infraraudonųjų spindulių perdavimą ir branduolinį magnetinį rezonansą. Šioms sistemoms būtina gaminti kontroliuojamo dydžio daleles. Jų skersmuo paprastai yra nuo 10 iki 500 nm.

Dėl savo dydžio, formos ir didelio specifinio paviršiaus ploto šios dalelės gali būti naudojamos kosmetiniams pigmentams, membranoms, katalizatoriams, keramikai, kataliziniams ir fotokataliziniams reaktoriams gaminti. Nanodalelių taikymo pavyzdžiai: SnO₂ jutikliamsanglies monoksidas, TiO₂ šviesos kreiptuvams, SiO_{2 koloidiniam silicio dioksidui ir optiniams pluoštams, C anglies užpildams padangose, Fe įrašymo medžiagoms, Ni akumuliatoriams ir, kiek mažesniu mastu, paladis, magnis ir bismutas. Visos šios medžiagos sintetinamos aerozoliniuose reaktoriuose. Medicinoje nanodalelės naudojamos žaizdų infekcijų profilaktikai ir gydymui, dirbtiniuose kaulų implantuose ir smegenų vaizdavimui.}

Gamybos pavyzdys

Norint gauti aliuminio daleles, argono srautas, prisotintas metalo garų, aušinamas 18 mm skersmens ir 0,5 m ilgio RPP nuo 1600 °C temperatūros 1000 °C/s greičiu.. Kai dujos praeina per reaktorių, susidaro aliuminio dalelės ir jos auga. Srauto greitis yra 2 dm3/min., o slėgis yra 1 atm (1013 Pa). Judėdami dujos atvėsta ir tampa persotintos, o tai veda prie dalelių branduolių susidarymo dėl susidūrimų ir molekulių išgaravimo, kartojamos tol, kol dalelė pasiekia kritinį dydį. Judant per persotintas dujas, aliuminio molekulės kondensuojasi ant dalelių, padidindamos jų dydį.