Mik azok a vegyi reaktorok? A kémiai reaktorok típusai

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A kémiai reakció olyan folyamat, amely a reagensek átalakulásához vezet. Olyan változtatások jellemzik, amelyek egy vagy több terméket eredményeznek, amelyek eltérnek az eredetitől. A kémiai reakciók más természetűek. Ez függ a reagensek típusától, a kapott anyagtól, a szintézis, bomlás, kiszorítás, izomerizáció, sav-bázis, redox, szerves folyamatok stb. körülményeitől és idejétől.

A vegyi reaktorok olyan tartályok, amelyeket úgy terveztek, hogy reakciókat hajtsanak végre a végtermék előállítása érdekében. Kialakításuk különböző tényezőktől függ, és a lehető legköltséghatékonyabb módon kell maximális teljesítményt nyújtania.

Megtekintések

A kémiai reaktoroknak három fő alapmodellje van:

• Időszakos.
• Folyamatos keverés (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Ezek az alapmodellek módosíthatók, hogy megfeleljenek a kémiai folyamat követelményeinek.

Batch reaktor

Az ilyen típusú vegyi egységeket kis gyártási térfogatú, hosszú reakcióidővel vagy jobb szelektivitással járó szakaszos eljárásokban használják, mint egyes polimerizációs eljárásokban.

Ehhez például rozsdamentes acél tartályokat használnak, amelyek tartalmát belső munkalapátokkal, gázbuborékokkal vagy szivattyúkkal keverik össze. A hőmérséklet szabályozása hőcserélő köpenyekkel, öntözőhűtőkkel vagy hőcserélőn keresztül történő szivattyúzással történik.

A szakaszos reaktorokat jelenleg a vegyiparban és az élelmiszer-feldolgozó iparban használják. Automatizálásuk és optimalizálásuk nehézségeket okoz, mivel szükséges a folyamatos és diszkrét folyamatok kombinálása.

A félszakaszos vegyi reaktorok kombinálják a folyamatos és szakaszos működést. Egy bioreaktor például periodikusan terhelt és folyamatosan szén-dioxidot bocsát ki, amit folyamatosan el kell távolítani. Hasonlóképpen, a klórozási reakcióban, amikor a klórgáz az egyik reagens, ha nem vezetjük be folyamatosan, a legtöbb elpárolog.

A nagy termelési mennyiségek biztosítására főként folyamatos vegyi reaktorokat vagy fémtartályokat használnak keverővel vagy folyamatos áramlással.

Folyamatos keverésű reaktor

A folyékony reagenseket rozsdamentes acél tartályokba táplálják. A megfelelő kölcsönhatás biztosítása érdekében a munkalapátok keverik össze őket. Így, beAz ilyen típusú reaktorokban a reagenseket folyamatosan betáplálják az első tartályba (függőleges, acél), majd a következő tartályokba kerülnek, miközben minden tartályban alaposan összekeverik. Bár a keverék összetétele minden egyes tartályban homogén, a rendszer egészében a koncentráció tartályonként változik.

Az átlagos idő, ameddig egy diszkrét mennyiségű reagens egy tartályban eltölt (tartózkodási idő), úgy számítható ki, hogy egyszerűen elosztjuk a tartály térfogatát a rajta áthaladó átlagos térfogati áramlási sebességgel. A reakció várható százalékos befejeződését a kémiai kinetika segítségével számítjuk ki.

A tartályok rozsdamentes acélból vagy ötvözetekből, valamint zománcbevonattal készülnek.

Az NPM néhány fontos szempontja

Minden számítás a tökéletes keverésen alapul. A reakció a végső koncentrációtól függően megy végbe. Egyensúlyi állapotban az áramlási sebességnek meg kell egyeznie az áramlási sebességgel, különben a tartály túlcsordul vagy kiürül.

Gyakran költséghatékony több soros vagy párhuzamos HPM-mel dolgozni. Az öt vagy hat egységből álló kaszkádban összeállított rozsdamentes acél tartályok dugós áramlású reaktorként viselkedhetnek. Ez lehetővé teszi, hogy az első egység magasabb reagenskoncentrációval működjön, és ezáltal gyorsabb reakciósebességgel. Ezenkívül a HPM több fázisa elhelyezhető egy függőleges acéltartályban, ahelyett, hogy a folyamatok különböző tartályokban mennének végbe.

A vízszintes változatban a többlépcsős egységet különböző magasságú függőleges válaszfalak választják el, amelyeken a keverék lépcsőzetesen áramlik.

Amikor a reagensek rosszul keverednek, vagy sűrűségük jelentősen eltér, egy függőleges többlépcsős reaktort (bélelt vagy rozsdamentes acél) használnak ellenáramú üzemmódban. Ez hatékony reverzibilis reakciók végrehajtására.

A kis pszeudo-folyékony réteg teljesen összekeveredett. Egy nagy kereskedelmi forgalomban lévő fluidágyas reaktor hőmérséklete lényegében egyenletes, de keveredő és kiszorított áramok, valamint a köztük lévő átmeneti állapotok keveréke.

Plug-flow vegyi reaktor

Az RPP egy reaktor (rozsdamentes), amelyben egy vagy több folyékony reagenst szivattyúznak át egy csövön vagy csöveken. Csőszerű áramlásnak is nevezik őket. Több cső vagy cső is lehet. A reagensek folyamatosan belépnek az egyik végén, a termékek pedig a másikon távoznak. A keverék áthaladásakor kémiai folyamatok mennek végbe.

Az RPP-ben a reakciósebesség gradiens: a bemeneten nagyon magas, de a reagensek koncentrációjának csökkenésével és a kimeneti termékek tartalmának növekedésével a sebesség lelassul. Általában elérjük a dinamikus egyensúlyi állapotot.

A reaktor vízszintes és függőleges tájolása is gyakori.

Ha hőátadásra van szükség, az egyes csöveket burkolattal látják el, vagy héj-cső hőcserélőt használnak. Az utóbbi esetben a vegyszerek lehetnekhéjban és csőben egyaránt.

A nagy átmérőjű, fúvókákkal vagy fürdőkádakkal ellátott fémtartályok hasonlóak az RPP-hez, és széles körben használatosak. Egyes konfigurációk axiális és radiális áramlást, több héjat beépített hőcserélővel, vízszintes vagy függőleges reaktorhelyzetet használnak, és így tovább.

A reagenstartály megtölthető katalitikus vagy inert szilárd anyagokkal, hogy javítsa a felületi érintkezést heterogén reakciókban.

Az RPP-ben fontos, hogy a számítások ne vegyék figyelembe a vertikális vagy vízszintes keveredést – ezt jelenti a "dugós áramlás" kifejezés. A reagenseket nem csak a bemeneten keresztül lehet bevinni a reaktorba. Így lehetőség nyílik az RPP nagyobb hatékonyságának elérésére vagy méretének és költségének csökkentésére. Az RPP teljesítménye általában magasabb, mint az azonos térfogatú HPP-é. A dugattyús reaktorokban azonos térfogat- és időértékekkel a reakció nagyobb százalékban fejeződik be, mint a keverőegységeknél.

Dinamikus egyensúly

A legtöbb kémiai folyamat esetében lehetetlen 100 százalékos befejezést elérni. Sebességük ennek a mutatónak a növekedésével csökken egészen addig a pillanatig, amíg a rendszer el nem éri a dinamikus egyensúlyt (amikor a teljes reakció vagy összetételváltozás nem következik be). A legtöbb rendszer egyensúlyi pontja a folyamat 100%-a alatt van. Emiatt el kell végezni egy elválasztási eljárást, például desztillációt, hogy a megmaradt reagenseket vagy melléktermékeket acél. Ezek a reagensek néha újra felhasználhatók egy folyamat, például a Haber-eljárás elején.

PFA alkalmazása

A dugattyús áramlású reaktorokat a vegyületek kémiai átalakítására használják, miközben azok egy csőszerű rendszeren keresztül haladnak nagy léptékű, gyors, homogén vagy heterogén reakciók, folyamatos termelés és nagy hőtermelési folyamatok érdekében.

Egy ideális RPP-nek fix tartózkodási ideje van, azaz a t időpontban belépő bármely folyadék (dugattyú) t + τ időpontban hagyja el, ahol τ a telepítésben való tartózkodási idő.

Az ilyen típusú vegyi reaktorok nagy teljesítményűek hosszú ideig, valamint kiváló hőátadást biztosítanak. Az RPP-k hátránya a folyamat hőmérsékletének szabályozásának nehézsége, ami nemkívánatos hőmérséklet-ingadozásokhoz vezethet, valamint magasabb költségük.

Katalitikus reaktorok

Bár az ilyen típusú egységeket gyakran RPP-ként valósítják meg, bonyolultabb karbantartást igényelnek. A katalitikus reakció sebessége arányos a vegyszerekkel érintkező katalizátor mennyiségével. Szilárd katalizátor és folyékony reagensek esetén a folyamatok sebessége arányos a rendelkezésre álló területtel, a vegyszerbevitellel és a termékek kivonásával, és függ a turbulens keveredés jelenlététől.

A katalitikus reakció valójában gyakran többlépcsős. Nem csaka kezdeti reagensek kölcsönhatásba lépnek a katalizátorral. Néhány köztes termék is reagál vele.

A katalizátorok viselkedése is fontos ennek a folyamatnak a kinetikájában, különösen a magas hőmérsékletű petrolkémiai reakciókban, mivel szinterezés, kokszolás és hasonló folyamatok hatására deaktiválódnak.

Új technológiák alkalmazása

A RPP-t a biomassza átalakítására használják. A kísérletekben nagynyomású reaktorokat használnak. A nyomás bennük elérheti a 35 MPa-t. A többféle méret alkalmazása lehetővé teszi a tartózkodási idő 0,5 és 600 s között történő változtatását. A 300 °C feletti hőmérséklet eléréséhez elektromos fűtésű reaktorokat használnak. A biomasszát HPLC-szivattyúk biztosítják.

RPP aeroszol nanorészecskék

Számos érdeklődés mutatkozik a nanoméretű részecskék szintézise és alkalmazása iránt különféle célokra, beleértve a nagymértékben ötvözött ötvözetek és vastagrétegű vezetők az elektronikai ipar számára. Egyéb alkalmazások közé tartozik a mágneses szuszceptibilitás mérése, a távoli infravörös átvitel és a magmágneses rezonancia. Ezekhez a rendszerekhez szabályozott méretű részecskék előállítása szükséges. Átmérőjük általában 10-500 nm.

Méretük, alakjuk és nagy fajlagos felületük miatt ezek a részecskék felhasználhatók kozmetikai pigmentek, membránok, katalizátorok, kerámiák, katalitikus és fotokatalitikus reaktorok előállítására. A nanorészecskék alkalmazási példái közé tartozik az SnO₂ szenzorokhozszén-monoxid, TiO₂ a fényvezetőkhöz, SiO_{2 a kolloid szilícium-dioxidhoz és optikai szálakhoz, C a gumiabroncsok széntöltőanyagához, Fe a rögzítő anyagokhoz, Ni az akkumulátorokhoz és kisebb mértékben a palládium, magnézium és bizmut. Mindezeket az anyagokat aeroszolos reaktorokban szintetizálják. Az orvostudományban a nanorészecskéket sebfertőzések megelőzésére és kezelésére, mesterséges csontimplantátumokban és agyi képalkotásban használják.}

Gyártási példa

Alumíniumrészecskék előállításához fémgőzzel telített argonáramot 18 mm átmérőjű és 0,5 m hosszúságú RPP-ben 1600 °C hőmérsékletről 1000 °C/s sebességgel hűtenek.. Ahogy a gáz áthalad a reaktoron, az alumínium részecskék gócképződése és növekedése következik be. Az áramlási sebesség 2 dm3/perc, a nyomás pedig 1 atm (1013 Pa). Mozgása során a gáz lehűl és túltelítetté válik, ami a részecskék gócképződéséhez vezet az ütközések és a molekulák párolgása következtében, ami addig ismétlődik, amíg a részecske el nem éri a kritikus méretet. Ahogy áthaladnak a túltelített gázon, az alumíniummolekulák kondenzálódnak a részecskéken, növelve azok méretét.