Kas ir ķīmiskie reaktori? Ķīmisko reaktoru veidi

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 13:59

Ķīmiskā reakcija ir process, kura rezultātā notiek reaģentu pārveide. To raksturo izmaiņas, kuru rezultātā tiek iegūts viens vai vairāki produkti, kas atšķiras no oriģināla. Ķīmiskajām reakcijām ir atšķirīgs raksturs. Tas ir atkarīgs no reaģentu veida, iegūtās vielas, sintēzes, sadalīšanās, pārvietošanas, izomerizācijas, skābju-bāzes, redoksu, organisko procesu uc apstākļiem un laika.

Ķīmiskie reaktori ir tvertnes, kas paredzētas reakciju veikšanai, lai iegūtu galaproduktu. To dizains ir atkarīgs no dažādiem faktoriem, un tiem ir jānodrošina maksimāla izlaide visrentablākajā veidā.

Skatījumi

Ir trīs galvenie ķīmisko reaktoru pamata modeļi:

• Periodiski.
• Nepārtraukta maisīšana (MPT).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Šos pamata modeļus var modificēt, lai tie atbilstu ķīmiskā procesa prasībām.

Pakešu reaktors

Šāda veida ķīmiskās vienības tiek izmantotas sērijveida procesos ar zemu ražošanas apjomu, ilgu reakcijas laiku vai kur tiek panākta labāka selektivitāte, piemēram, dažos polimerizācijas procesos.

Šim nolūkam, piemēram, tiek izmantoti nerūsējošā tērauda konteineri, kuru saturu sajauc ar iekšējiem darba asmeņiem, gāzes burbuļiem vai izmantojot sūkņus. Temperatūras kontrole tiek veikta, izmantojot siltuma apmaiņas apvalkus, apūdeņošanas dzesētājus vai sūknēšanu caur siltummaini.

Pašlaik sērijveida reaktorus izmanto ķīmiskajā un pārtikas pārstrādes rūpniecībā. To automatizācija un optimizācija rada grūtības, jo ir nepieciešams apvienot nepārtrauktus un diskrētus procesus.

Puspartijas ķīmiskie reaktori apvieno nepārtrauktu un periodisku darbību. Piemēram, bioreaktors tiek periodiski noslogots un pastāvīgi izdala oglekļa dioksīdu, kas nepārtraukti ir jānoņem. Līdzīgi hlorēšanas reakcijā, kad hlora gāze ir viena no reaģentiem, ja tā netiek ievadīta nepārtraukti, lielākā daļa no tā iztvaiko.

Lai nodrošinātu lielus ražošanas apjomus, galvenokārt tiek izmantoti nepārtraukti ķīmiskie reaktori vai metāla tvertnes ar maisītāju vai nepārtrauktu plūsmu.

Nepārtrauktas maisīšanas reaktors

Šķidrie reaģenti tiek ievadīti nerūsējošā tērauda tvertnēs. Lai nodrošinātu pareizu mijiedarbību, tie tiek sajaukti ar darba asmeņiem. Tādējādi iekšāŠāda veida reaktoros reaģentus nepārtraukti ievada pirmajā tvertnē (vertikālā, tērauda), pēc tam tie nonāk nākamajās, katrā tvertnē rūpīgi sajaucot. Lai gan maisījuma sastāvs katrā atsevišķā tvertnē ir viendabīgs, sistēmā kopumā koncentrācija dažādās tvertnēs ir atšķirīga.

Vidējo laiku, ko diskrēts reaģenta daudzums pavada tvertnē (uzturēšanās laiku), var aprēķināt, vienkārši izdalot tvertnes tilpumu ar vidējo tilpuma plūsmas ātrumu caur to. Paredzamo reakcijas pabeigšanas procentuālo daudzumu aprēķina, izmantojot ķīmisko kinētiku.

Tvertnes ir izgatavotas no nerūsējošā tērauda vai sakausējumiem, kā arī ar emaljas pārklājumu.

Daži svarīgi NPM aspekti

Visu aprēķinu pamatā ir ideāla sajaukšana. Reakcija notiek ar ātrumu, kas saistīts ar galīgo koncentrāciju. Līdzsvara stāvoklī plūsmas ātrumam jābūt vienādam ar plūsmas ātrumu, pretējā gadījumā tvertne pārplūdīs vai iztukšosies.

Bieži vien ir rentabli strādāt ar vairākiem seriālajiem vai paralēlajiem HPM. Nerūsējošā tērauda tvertnes, kas samontētas piecu vai sešu vienību kaskādē, var darboties kā aizbāžņa plūsmas reaktors. Tas ļauj pirmajai iekārtai darboties ar lielāku reaģenta koncentrāciju un līdz ar to arī ātrāku reakcijas ātrumu. Tāpat vairākus HPM posmus var ievietot vertikālā tērauda tvertnē, nevis procesus, kas notiek dažādos konteineros.

Horizontālajā versijā daudzpakāpju bloks ir sadalīts ar dažāda augstuma vertikālām starpsienām, caur kurām maisījums plūst kaskādēs.

Ja reaģenti ir slikti sajaukti vai būtiski atšķiras pēc blīvuma, pretstrāvas režīmā tiek izmantots vertikāls daudzpakāpju reaktors (izklāts vai nerūsējošais tērauds). Tas ir efektīvs atgriezenisku reakciju veikšanai.

Mazais pseidošķidrais slānis ir pilnībā sajaukts. Lielam komerciālam verdošā slāņa reaktoram ir gandrīz vienmērīga temperatūra, taču tajā ir sajauktas un pārvietotas plūsmas un pārejas stāvokļi starp tām.

Pieslēgšanas plūsmas ķīmiskais reaktors

RPP ir reaktors (nerūsējošā tērauda), kurā caur cauruli vai caurulēm tiek sūknēts viens vai vairāki šķidrie reaģenti. Tos sauc arī par cauruļveida plūsmu. Tam var būt vairākas caurules vai caurules. Reaģenti pastāvīgi iekļūst caur vienu galu, un produkti iziet no otra. Maisījumam ejot cauri, notiek ķīmiski procesi.

RPP reakcijas ātrums ir gradients: ieejā tas ir ļoti augsts, bet, samazinoties reaģentu koncentrācijai un palielinoties izejas produktu saturam, tā ātrums palēninās. Parasti tiek sasniegts dinamiskā līdzsvara stāvoklis.

Reaktora horizontālā un vertikālā orientācija ir izplatīta.

Ja nepieciešama siltuma pārnese, atsevišķas caurules tiek pārklātas ar apvalku vai tiek izmantots apvalka un cauruļu siltummainis. Pēdējā gadījumā ķīmiskās vielas var būtgan apvalkā, gan caurulē.

Liela diametra metāla konteineri ar sprauslām vai vannām ir līdzīgi RPP un tiek plaši izmantoti. Dažās konfigurācijās tiek izmantota aksiālā un radiālā plūsma, vairāki apvalki ar iebūvētiem siltummaiņiem, horizontāla vai vertikāla reaktora pozīcija un tā tālāk.

Reaģenta trauku var piepildīt ar katalītiskām vai inertām cietām vielām, lai uzlabotu saskarnes saskarsmi neviendabīgās reakcijās.

RPP ir svarīgi, lai aprēķinos netiktu ņemta vērā vertikālā vai horizontālā sajaukšana - tas ir tas, ko saprot ar terminu "plug flow". Reaģentus var ievadīt reaktorā ne tikai caur ieplūdi. Tādējādi ir iespējams panākt lielāku RPP efektivitāti vai samazināt tā izmērus un izmaksas. RPP veiktspēja parasti ir augstāka nekā tāda paša apjoma HPP. Ar vienādām tilpuma un laika vērtībām virzuļreaktoros reakcijas pabeigšanas procents būs lielāks nekā maisīšanas blokos.

Dinamisks līdzsvars

Lielākajai daļai ķīmisko procesu nav iespējams sasniegt 100 procentu pabeigtību. To ātrums samazinās, pieaugot šim rādītājam līdz brīdim, kad sistēma sasniedz dinamisko līdzsvaru (kad nenotiek kopējā reakcija vai sastāva izmaiņas). Līdzsvara punkts lielākajai daļai sistēmu ir zem 100% procesa pabeigšanas. Šī iemesla dēļ ir nepieciešams veikt atdalīšanas procesu, piemēram, destilāciju, lai atdalītu atlikušos reaģentus vai blakusproduktus nomērķis. Šos reaģentus dažkārt var izmantot atkārtoti tāda procesa sākumā kā Hābera process.

PFA piemērošana

Vizuļa plūsmas reaktorus izmanto, lai veiktu savienojumu ķīmisko pārveidošanu, kad tie pārvietojas cauri caurulēm līdzīgai sistēmai liela mēroga, ātrām, viendabīgām vai neviendabīgām reakcijām, nepārtrauktai ražošanai un augstas siltuma ražošanas procesiem.

Ideālam RPP ir noteikts uzturēšanās laiks, t.i., jebkurš šķidrums (virzulis), kas ieplūst laikā t, no tā iziet laikā t + τ, kur τ ir uzturēšanās laiks instalācijā.

Šāda veida ķīmiskajiem reaktoriem ir augsta veiktspēja ilgā laika periodā, kā arī lieliska siltuma pārnese. RPP trūkumi ir grūtības kontrolēt procesa temperatūru, kas var izraisīt nevēlamas temperatūras svārstības, un to augstākās izmaksas.

Katalītiskie reaktori

Lai gan šāda veida vienības bieži tiek ieviestas kā RPP, tām nepieciešama sarežģītāka apkope. Katalītiskās reakcijas ātrums ir proporcionāls katalizatora daudzumam, kas saskaras ar ķīmiskajām vielām. Cieta katalizatora un šķidro reaģentu gadījumā procesu ātrums ir proporcionāls pieejamajam laukumam, ķimikāliju ievadīšanai un produktu izņemšanai un ir atkarīgs no turbulentas sajaukšanās.

Katalītiskā reakcija patiesībā bieži vien ir daudzpakāpju. Ne tikaisākotnējie reaģenti mijiedarbojas ar katalizatoru. Ar to reaģē arī daži starpprodukti.

Šā procesa kinētikā svarīga ir arī katalizatoru darbība, jo īpaši augstas temperatūras naftas ķīmijas reakcijās, jo tos dezaktivē saķepināšana, koksēšana un līdzīgi procesi.

Jaunu tehnoloģiju pielietošana

RPP izmanto biomasas konversijai. Eksperimentos tiek izmantoti augstspiediena reaktori. Spiediens tajos var sasniegt 35 MPa. Vairāku izmēru izmantošana ļauj mainīt uzturēšanās laiku no 0,5 līdz 600 s. Lai sasniegtu temperatūru virs 300 °C, tiek izmantoti elektriski apsildāmi reaktori. Biomasu piegādā HPLC sūkņi.

RPP aerosola nanodaļiņas

Ir liela interese par nanoizmēra daļiņu sintēzi un pielietošanu dažādiem mērķiem, tostarp augstas sakausējuma sakausējumiem un biezu kārtiņu vadītājiem elektronikas rūpniecībai. Citi lietojumi ietver magnētiskās jutības mērījumus, tālu infrasarkano staru pārraidi un kodolmagnētisko rezonansi. Šīm sistēmām ir nepieciešams ražot kontrolēta izmēra daļiņas. To diametrs parasti ir diapazonā no 10 līdz 500 nm.

To izmēra, formas un lielā īpatnējās virsmas dēļ šīs daļiņas var izmantot kosmētikas pigmentu, membrānu, katalizatoru, keramikas, katalītisko un fotokatalītisko reaktoru ražošanai. Pielietojuma piemēri nanodaļiņām ietver SnO₂ sensoriemoglekļa monoksīds, TiO₂ gaismas vadotnēm, SiO_{2 koloidālajam silīcija dioksīdam un optiskajām šķiedrām, C oglekļa pildvielām riepās, Fe ierakstīšanas materiāliem, Ni akumulatoriem un, mazākā mērā, palādijs, magnijs un bismuts. Visi šie materiāli tiek sintezēti aerosola reaktoros. Medicīnā nanodaļiņas izmanto, lai novērstu un ārstētu brūču infekcijas, mākslīgos kaulu implantos un smadzeņu attēlveidošanā.}

Ražošanas piemērs

Lai iegūtu alumīnija daļiņas, argona plūsmu, kas piesātināta ar metāla tvaikiem, atdzesē RPP ar diametru 18 mm un garumu 0,5 m no 1600 °C temperatūras ar ātrumu 1000 °C/s.. Gāzei ejot cauri reaktoram, notiek alumīnija daļiņu veidošanās un augšana. Plūsmas ātrums ir 2 dm3/min, un spiediens ir 1 atm (1013 Pa). Gāze kustoties atdziest un kļūst pārsātināta, kas izraisa daļiņu kodolu veidošanos sadursmju un molekulu iztvaikošanas rezultātā, kas atkārtojas, līdz daļiņa sasniedz kritisko izmēru. Pārvietojoties cauri pārsātinātajai gāzei, alumīnija molekulas kondensējas uz daļiņām, palielinot to izmēru.