Ce sunt reactoarele chimice? Tipuri de reactoare chimice

O reacție chimică este un proces care duce la transformarea reactivilor. Se caracterizează prin modificări care au ca rezultat unul sau mai multe produse diferite de cele originale. Reacțiile chimice au o natură diferită. Depinde de tipul de reactanți, substanța rezultată, condițiile și timpul de sinteză, descompunere, înlocuire, izomerizare, acid-alcalin, redox, etc. și procese organice.

Reactoarele chimice sunt rezervoare destinate să efectueze reacții pentru a produce produsul final. Designul lor depinde de diverși factori și ar trebui să ofere un randament maxim în modul cel mai rentabil.

tipuri

Există trei modele de bază ale reactoarelor chimice:

• Acțiune periodică.
• Continuă cu un agitator (HPM).
• Reactor cu debit de piston (PFR).

Aceste modele de bază pot fi modificate în conformitate cu cerințele procesului chimic.

Reactorul lotului

Agregatele chimice de acest tip sunt utilizate în procese discontinue cu volume mici de producție, timpi lungi de reacție sau în care se obține o selectivitate mai bună, ca și în cazul unor procese de polimerizare.

Pentru aceasta, de exemplu, se utilizează rezervoare din oțel inoxidabil, ale căror conținuturi sunt amestecate cu lamele de lucru interne, bule de gaz sau cu pompe. Controlul temperaturii se realizează cu ajutorul schimbătoarelor de căldură, răcitoarelor de răcire sau pompării printr-un schimbător de căldură.

Reactoarele în serie sunt utilizate în prezent în industria chimică și de prelucrare a alimentelor. Automatizarea și optimizarea lor creează dificultăți, deoarece este necesară combinarea proceselor continue și discrete.

Reactoarele chimice semi-periodice combină funcționarea în moduri continue și periodice. Bioreactorul, de exemplu, este încărcat periodic și eliberează în mod constant dioxid de carbon, care trebuie să fie înlăturat în mod continuu. În mod similar, în reacția de clorurare, atunci când unul dintre reactanți este clor gazos, dacă acesta nu este introdus în mod continuu, cea mai mare parte se evaporă.

Pentru a asigura volume mari de producție, se folosesc în principal reactoare chimice cu acțiune continuă sau rezervoare metalice cu agitator sau cu flux continuu.

Reactor rezervor cu agitare continuă

Rezervoarele din oțel inoxidabil sunt livrate cu reactivi lichizi. Pentru a asigura interacțiunea corectă, acestea sunt amestecate de lamele de lucru. Astfel, în acest tip de reactor reactanții se alimentează continuu în primul rezervor (vertical, oțel), și apoi ei a lua în ulterioare, amestecarea simultană cu grijă în fiecare vas. Deși compoziția amestecul este omogen în fiecare rezervor individual, în sistem ca întreg, concentrația variază de la capacitate la capacitate.

Suma medie de timp în care cantitatea de reactant discret petrece în rezervor (timpul de staționare) se poate calcula simplu prin împărțirea volumului containerului la o rată medie volumetrică a curgerii. Procentul așteptat al finalizării reacției este calculat utilizând cinetica chimică.

Containerele sunt fabricate din oțel inoxidabil sau aliaje, precum și cu înveliș emailat.

Unele aspecte importante ale HPM

Toate calculele sunt efectuate ținând cont de amestecarea ideală. Reacția are loc la o viteză asociată cu concentrația finală. Într-o stare de echilibru, viteza de curgere trebuie să fie egală cu debitul, în caz contrar rezervorul se va depăși sau va fi golit.

Este adesea economic să lucrați cu mai multe HPM secvențiale sau paralele. Rezervoarele inox, asamblate într-o cascadă de cinci sau șase unități, se pot comporta ca un reactor cu un flux de pistoane. Acest lucru permite ca prima unitate să funcționeze cu o concentrație mai mare de reactivi și, prin urmare, o rată de reacție mai mare. De asemenea, mai multe etape HPM pot fi plasate în rezervorul vertical de oțel, în locul proceselor care au loc în diferite capacități.

În versiunea orizontală, unitatea în mai multe trepte este secționată prin pereți despărțitori verticali de diferite înălțimi, prin care amestecul intră în cascade.

Atunci când reactivii sunt amestecați prost sau cu o densitate semnificativ diferită, se utilizează un reactor vertical multistrat (emailate sau oțel inoxidabil) în modul contracurent. Acest lucru este eficient pentru efectuarea reacțiilor reversibile.

Un mic strat pseudo-lichid este complet amestecat. Un reactor industrial cu pat fluidizat comercial are o temperatură practic uniformă, dar combină fluxurile de amestecare și deplasare și stările de tranziție între ele.

Reactorul chimic al deplasării ideale

Un PFR este un reactor (inoxidabil) în care unul sau mai mulți reactanți lichizi sunt pompați printr-o țeavă sau țevi. Acestea sunt numite și fluxuri tubulare. Poate avea mai multe țevi sau tuburi. Reactivii sunt furnizați în mod constant prin unul dintre capete, iar produsele ieșesc din celălalt. Procese chimice curge ca amestecul trece.

În RPP rata de reacție gradient: la intrare este foarte mare, dar cu o scădere a concentrației de reactivi și o creștere a conținutului produselor randamentului, viteza sa încetinește. De obicei, se atinge o stare de echilibru dinamic.

Atât orientarea orizontală cât și verticală a reactorului sunt comune.

Atunci când este necesar transferul de căldură, țevile individuale sunt plasate într-o manta sau se folosește un schimbător de căldură cu carcasă și tub. În ultimul caz, substanțele chimice pot fi găsite atât în ​​carcasă, cât și în conductă.

Containerele metalice cu diametru mare cu duze sau băi sunt similare cu PFR și sunt utilizate pe scară largă. În unele configurații se utilizează un flux axial și radial, mai multe cochilii cu schimbătoare de căldură încorporate, o poziție a reactorului orizontală sau verticală și așa mai departe.

Recipientul reactiv poate fi umplut cu particule solide catalitice sau inerte pentru a imbunatati contactul interfacial in reacții eterogene.

Un factor important în RFP este faptul că amestecarea verticală sau orizontală nu este luată în considerare în calcule - aceasta este ceea ce se înțelege prin termenul "debit piston". Reactivii pot fi introduși în reactor nu numai în intrare. Astfel, este posibil să se obțină o eficiență mai mare a PFR sau să se reducă dimensiunea și costul acestuia. Performanța PFR este de obicei mai mare decât cea a HPM de același volum. Cu valori egale ale volumului și ale timpului în reactoarele cu piston, reacția va avea un procentaj de completare mai mare decât în ​​unitățile de amestecare.

Dynamic balance

Pentru majoritatea proceselor chimice, nu este posibilă completarea a 100%. Viteza lor scade odată cu creșterea acestui indicator până în momentul în care sistemul atinge un echilibru dinamic (atunci când reacția totală sau schimbarea compoziției nu se produce). Punctul de echilibru pentru majoritatea sistemelor este situat sub 100% finalizare a procesului. Din acest motiv, este necesar un proces de separare, cum ar fi distilarea, pentru a separa reactivii sau subprodusele rămase din țintă. Acești reactivi pot fi reutilizați uneori la începutul procesului, de exemplu, cum ar fi procesul Haber.

Aplicarea PPP

reactoare cu curgere Plug utilizate pentru conversia chimică a compușilor în timpul mișcării lor prin sistem, care seamănă cu un tub, în ​​scopul pe scară largă, reacții rapide, omogene sau eterogene, procese de producție continue și la eliberarea unor cantități mari de căldură.

PFR ideal are un timp de staționare fix, adică orice lichid (piston) care sosește la momentul t îl va lăsa la ora t + tau-, unde tau - este timpul de ședere în instalație.

Reactoarele chimice de acest tip au performanțe ridicate pentru perioade lungi de timp, precum și transferul excelent al căldurii. Dezavantajele PPP constau în dificultatea monitorizării temperaturii procesului, ceea ce poate duce la modificări nedorite ale temperaturii, precum și la costul mai mare al acestora.

Reactoare catalitice

Deși agregatele de acest tip sunt adesea puse în aplicare sub forma unui PPP, acestea necesită o întreținere mai complexă. Rata reacției catalitice este proporțională cu cantitatea de catalizator care vine în contact cu substanțele chimice. În cazul unui catalizator solid și al reactivilor lichizi, viteza proceselor este proporțională cu aria disponibilă, intrarea substanțelor chimice și selecția produselor și depinde de prezența amestecului turbulent.

Reacția catalitică este adesea o reacție în mai multe etape. Nu numai reactivii inițiali interacționează cu catalizatorul. Unele produse intermediare reacționează cu acestea.

Comportamentul catalizatorilor este de asemenea important în cinetica acestui proces, în special în reacții petrochimice mari, deoarece acestea sunt dezactivate prin sinterizare, cocsificarea și procese similare.

Aplicarea de noi tehnologii

PFR-urile sunt utilizate pentru conversia biomasei. În experimente se utilizează reactoare de înaltă presiune. Presiunea din ele poate atinge 35 MPa. Utilizarea mai multor dimensiuni face posibilă modificarea duratei de rezidență de la 0,5 la 600 s. Pentru atingerea temperaturilor peste 300 ° C se folosesc reactoare cu încălzire electrică. Alimentarea cu biomasă se face folosind pompe de HPLC.

PFR de nanoparticule de aerosoli

Există un interes considerabil pentru sinteza și utilizarea particulelor nanosized în diverse scopuri, inclusiv aliajele din aliaj de înaltă calitate și conductorii de peliculă groasă pentru industria electronică. Alte aplicații includ măsurători de susceptibilitate magnetică, transmisie în infraroșu și rezonanță magnetică nucleară. Pentru aceste sisteme, este necesar să se producă particule de dimensiune controlată. Diametrul lor, ca regulă, este în intervalul de la 10 la 500 nm.

Datorită dimensiunilor, formei și o suprafață mare specifică a acestor particule pot fi utilizate pentru producerea de pigmenți cosmetice, membrane, catalizatori, ceramică, catalitice și reactoarele fotocatalitice. Exemple de aplicații nanoparticule includ SnO₂ pentru senzori de monoxid de carbon, TiO₂ pentru fibrele optice, SiO₂ pentru dioxidul de siliciu coloidal și fibrele optice, C pentru umpluturile de carbon din anvelope, Fe pentru materialele de înregistrare, Ni pentru baterii și, în volume mai mici, paladiu, magneziu și bismut. Toate aceste materiale sunt sintetizate în reactoare cu aerosoli. În medicină, nanoparticulele sunt folosite pentru a preveni și a trata infecțiile ranilor, implanturile osoase artificiale și, de asemenea, pentru a vizualiza creierul.

Exemplul de producție

Pentru a obține particule de aluminiu, fluxul de argon, saturat cu vapori metal, este răcit în RPM cu un diametru de 18 mm și o lungime de 0,5 m de la 1600 ° C la o viteză de 1000 ° C / s. Pe măsură ce gazul trece prin reactor, apare formarea și creșterea particulelor de aluminiu. Debitul este de 2 dm³/ min, iar presiunea este de 1 atm (1013 Pa). Pe măsură ce gazul se mișcă, gazul se răcește și devine suprasaturat, ceea ce duce la nuclearea particulelor ca urmare a coliziunilor și evaporării moleculelor, repetate până când particula atinge o dimensiune critică. Pe măsură ce se deplasează printr-un gaz suprasaturat, moleculele de aluminiu condensează particulele, mărind dimensiunea lor.