Hvad er kemiske reaktorer? Typer af kemiske reaktorer

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 13:52

En kemisk reaktion er en proces, der fører til omdannelse af reaktanter. Det er kendetegnet ved ændringer, der resulterer i et eller flere produkter, der er forskellige fra originalen. Kemiske reaktioner er af forskellig karakter. Det afhænger af typen af reagenser, det opnåede stof, betingelserne og tidspunktet for syntese, nedbrydning, fortrængning, isomerisering, syre-base, redox, organiske processer osv.

Kemiske reaktorer er beholdere designet til at udføre reaktioner for at producere det endelige produkt. Deres design afhænger af forskellige faktorer og bør give maksim alt output på den mest omkostningseffektive måde.

Visninger

Der er tre hovedmodeller af kemiske reaktorer:

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

Disse grundlæggende modeller kan modificeres, så de opfylder kravene til den kemiske proces.

Batch-reaktor

Kemiske enheder af denne type bruges i batchprocesser med lave produktionsvolumener, lange reaktionstider eller hvor der opnås bedre selektivitet, som i nogle polymerisationsprocesser.

Hertil bruges f.eks. rustfri stålbeholdere, hvis indhold blandes med indvendige arbejdsblade, gasbobler eller ved hjælp af pumper. Temperaturregulering udføres ved hjælp af varmevekslerkapper, kunstvandingskølere eller pumpning gennem en varmeveksler.

Batch-reaktorer bruges i øjeblikket i den kemiske industri og fødevareindustrien. Deres automatisering og optimering skaber vanskeligheder, da det er nødvendigt at kombinere kontinuerlige og diskrete processer.

Kemiske semi-batch-reaktorer kombinerer kontinuerlig og batch-drift. En bioreaktor bliver for eksempel periodisk belastet og udsender konstant kuldioxid, som løbende skal fjernes. På samme måde, i chloreringsreaktionen, når klorgas er en af reaktanterne, vil det meste af den fordampe, hvis den ikke indføres kontinuerligt.

For at sikre store produktionsvolumener anvendes hovedsageligt kontinuerlige kemiske reaktorer eller met altanke med omrører eller kontinuerlig flow.

Kontinuerlig omrørt reaktor

Væske reagenser føres ind i rustfri ståltanke. For at sikre korrekt interaktion blandes de af de arbejdende knive. Således iI reaktorer af denne type føres reaktanterne kontinuerligt ind i den første tank (lodret, stål), derefter kommer de ind i de efterfølgende, mens de blandes grundigt i hver tank. Selvom sammensætningen af blandingen er homogen i hver enkelt tank, varierer koncentrationen i systemet som helhed fra tank til tank.

Den gennemsnitlige tid, en diskret mængde reagens tilbringer i en tank (opholdstid), kan beregnes ved blot at dividere tankens volumen med den gennemsnitlige volumetriske flowhastighed gennem den. Den forventede procentvise afslutning af reaktionen beregnes ved hjælp af kemisk kinetik.

Tanke er lavet af rustfrit stål eller legeringer, samt med emaljebelægning.

Nogle vigtige aspekter af NPM

Alle beregninger er baseret på perfekt blanding. Reaktionen forløber med en hastighed, der er relateret til den endelige koncentration. Ved ligevægt skal flowhastigheden være lig med flowhastigheden, ellers vil tanken flyde over eller tømmes.

Det er ofte omkostningseffektivt at arbejde med flere serielle eller parallelle HPM'er. Rustfri ståltanke samlet i en kaskade på fem eller seks enheder kan opføre sig som en propstrømsreaktor. Dette gør det muligt for den første enhed at fungere ved en højere reaktantkoncentration og derfor en hurtigere reaktionshastighed. Desuden kan flere trin af HPM placeres i en lodret ståltank, i stedet for at processer finder sted i forskellige beholdere.

I den vandrette version er flertrinsenheden opdelt af lodrette skillevægge i forskellige højder, gennem hvilke blandingen flyder i kaskader.

Når reaktanterne er dårligt blandet eller afviger væsentligt i densitet, bruges en vertikal flertrinsreaktor (foret eller rustfrit stål) i modstrømstilstand. Dette er effektivt til at udføre reversible reaktioner.

Det lille pseudo-flydende lag er fuldt blandet. En stor kommerciel reaktor med fluidiseret leje har en i det væsentlige ensartet temperatur, men en blanding af blandbare og fortrængte strømme og overgangstilstande mellem dem.

Plug-flow kemisk reaktor

RPP er en reaktor (rustfri), hvor en eller flere flydende reaktanter pumpes gennem et eller flere rør. De kaldes også rørformet flow. Det kan have flere rør eller rør. Reagenser kommer konstant ind gennem den ene ende, og produkter kommer ud fra den anden. Kemiske processer forekommer, når blandingen passerer igennem.

I RPP er reaktionshastigheden gradient: ved input er den meget høj, men med et fald i koncentrationen af reagenser og en stigning i indholdet af outputprodukter, sænkes dens hastighed. Norm alt nås en tilstand af dynamisk ligevægt.

Både vandrette og lodrette reaktororienteringer er almindelige.

Når varmeoverførsel er påkrævet, er individuelle rør forsynet med kappe, eller der bruges en skal- og rørvarmeveksler. I sidstnævnte tilfælde kan kemikalierne værebåde i skal og rør.

Metalbeholdere med stor diameter med dyser eller bade ligner RPP og er meget udbredt. Nogle konfigurationer bruger aksial og radial strømning, flere skaller med indbyggede varmevekslere, vandret eller lodret reaktorposition og så videre.

Reagensbeholderen kan fyldes med katalytiske eller inerte faste stoffer for at forbedre grænsefladekontakten ved heterogene reaktioner.

Det er vigtigt i RPP'en, at beregningerne ikke tager højde for vertikal eller horisontal blanding - det er det, der menes med begrebet "plug flow". Reagenser kan indføres i reaktoren ikke kun gennem indløbet. Således er det muligt at opnå en højere effektivitet af RPP eller reducere dens størrelse og omkostninger. Ydeevnen af RPP er norm alt højere end for HPP af samme volumen. Med ens værdier af volumen og tid i stempelreaktorer vil reaktionen have en højere fuldførelsesprocent end i blandeenheder.

Dynamisk balance

For de fleste kemiske processer er det umuligt at opnå 100 procent fuldførelse. Deres hastighed falder med væksten af denne indikator indtil det øjeblik, hvor systemet når dynamisk ligevægt (når den totale reaktion eller ændring i sammensætning ikke forekommer). Ligevægtspunktet for de fleste systemer er under 100 % procesafslutning. Af denne grund er det nødvendigt at udføre en separationsproces, såsom destillation, for at adskille de resterende reaktanter eller biprodukter framål. Disse reagenser kan nogle gange genbruges i starten af en proces som f.eks. Haber-processen.

Anvendelse af PFA

Stempelstrømsreaktorer bruges til at udføre den kemiske omdannelse af forbindelser, når de bevæger sig gennem et rørlignende system til hurtige, homogene eller heterogene reaktioner i stor skala, kontinuerlig produktion og høje varmegenererende processer.

En ideel RPP har en fast opholdstid, dvs. enhver væske (stempel), der kommer ind på tidspunktet t, vil forlade den på tidspunktet t + τ, hvor τ er opholdstiden i installationen.

Kemiske reaktorer af denne type har høj ydeevne over lange perioder, samt fremragende varmeoverførsel. Ulemperne ved RPP'er er vanskeligheden ved at kontrollere procestemperaturen, hvilket kan føre til uønskede temperaturudsving, og deres højere omkostninger.

Katalytiske reaktorer

Selvom disse typer enheder ofte implementeres som RPP, kræver de mere kompleks vedligeholdelse. Hastigheden af en katalytisk reaktion er proportional med mængden af katalysator i kontakt med kemikalierne. I tilfælde af en fast katalysator og flydende reaktanter er hastigheden af processer proportional med det tilgængelige areal, tilførsel af kemikalier og tilbagetrækning af produkter og afhænger af tilstedeværelsen af turbulent blanding.

En katalytisk reaktion er faktisk ofte flere trin. Ikke kunde indledende reaktanter interagerer med katalysatoren. Nogle mellemprodukter reagerer også med det.

Katalysatorers opførsel er også vigtig i kinetikken af denne proces, især i petrokemiske reaktioner ved høje temperaturer, da de deaktiveres ved sintring, forkoksning og lignende processer.

Anvendelse af nye teknologier

RPP bruges til biomassekonvertering. I forsøgene anvendes højtryksreaktorer. Trykket i dem kan nå 35 MPa. Brugen af flere størrelser gør det muligt at variere opholdstiden fra 0,5 til 600 s. For at opnå temperaturer over 300 °C anvendes elektrisk opvarmede reaktorer. Biomasse leveres af HPLC-pumper.

RPP aerosol nanopartikler

Der er stor interesse for syntese og anvendelse af partikler i nanostørrelse til forskellige formål, herunder højlegerede legeringer og tykfilmsledere til elektronikindustrien. Andre applikationer omfatter magnetiske følsomhedsmålinger, fjerninfrarød transmission og kernemagnetisk resonans. For disse systemer er det nødvendigt at producere partikler af en kontrolleret størrelse. Deres diameter er norm alt i området 10 til 500 nm.

På grund af deres størrelse, form og høje specifikke overfladeareal kan disse partikler bruges til at fremstille kosmetiske pigmenter, membraner, katalysatorer, keramik, katalytiske og fotokatalytiske reaktorer. Anvendelseseksempler for nanopartikler omfatter SnO₂ for sensorerkulilte, TiO₂ til lysledere, SiO_{2 til kolloid siliciumdioxid og optiske fibre, C til kulstoffyldstoffer i dæk, Fe til registreringsmaterialer, Ni til batterier og i mindre grad palladium, magnesium og bismuth. Alle disse materialer syntetiseres i aerosolreaktorer. I medicin bruges nanopartikler til at forebygge og behandle sårinfektioner, i kunstige knogleimplantater og til hjernebilleddannelse.}

Produktionseksempel

For at opnå aluminiumpartikler afkøles en argonstrøm mættet med metaldamp i en RPP med en diameter på 18 mm og en længde på 0,5 m fra en temperatur på 1600 °C med en hastighed på 1000 °C/s. Når gassen passerer gennem reaktoren, sker kernedannelse og vækst af aluminiumpartikler. Strømningshastigheden er 2 dm3/min, og trykket er 1 atm (1013 Pa). Når den bevæger sig, afkøles gassen og bliver overmættet, hvilket fører til kernedannelse af partikler som følge af kollisioner og fordampning af molekyler, gentaget indtil partiklen når en kritisk størrelse. Når de bevæger sig gennem den overmættede gas, kondenserer aluminiumsmolekylerne på partiklerne, hvilket øger deres størrelse.