Vad är kemiska reaktorer? Typer av kemiska reaktorer

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 14:03

En kemisk reaktion är en process som leder till omvandling av reaktanter. Den kännetecknas av förändringar som resulterar i en eller flera produkter som skiljer sig från originalet. Kemiska reaktioner är av en annan karaktär. Det beror på typen av reagens, den erhållna substansen, betingelserna och tiden för syntes, sönderdelning, undanträngning, isomerisering, syra-bas, redox, organiska processer, etc.

Kemiska reaktorer är behållare utformade för att utföra reaktioner för att producera slutprodukten. Deras design beror på olika faktorer och bör ge maximal effekt på det mest kostnadseffektiva sättet.

Visningar

Det finns tre huvudmodeller av kemiska reaktorer:

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

Dessa grundmodeller kan modifieras för att uppfylla kraven för den kemiska processen.

Satsreaktor

Kemiska enheter av denna typ används i satsvisa processer med låga produktionsvolymer, långa reaktionstider eller där bättre selektivitet uppnås, som i vissa polymerisationsprocesser.

Till detta används till exempel behållare av rostfritt stål, vars innehåll blandas med invändiga arbetsblad, gasbubblor eller med hjälp av pumpar. Temperaturkontroll utförs med värmeväxlarmantel, bevattningskylare eller pumpning genom en värmeväxlare.

Satsreaktorer används för närvarande inom kemi- och livsmedelsindustrin. Deras automatisering och optimering skapar svårigheter, eftersom det är nödvändigt att kombinera kontinuerliga och diskreta processer.

Kemiska halvbatchreaktorer kombinerar kontinuerlig drift och satsvis drift. En bioreaktor laddas till exempel periodiskt och släpper ständigt ut koldioxid som kontinuerligt måste avlägsnas. På liknande sätt, i kloreringsreaktionen, när klorgas är en av reaktanterna, om den inte införs kontinuerligt, kommer det mesta av den att förångas.

För att säkerställa stora produktionsvolymer används huvudsakligen kontinuerliga kemiska reaktorer eller metalltankar med omrörare eller kontinuerligt flöde.

Kontinuerlig omrörd reaktor

Flytande reagenser matas in i tankar av rostfritt stål. För att säkerställa korrekt interaktion blandas de av arbetsbladen. Alltså iI reaktorer av denna typ matas reaktanterna kontinuerligt in i den första tanken (vertikal, stål), sedan kommer de in i de efterföljande, samtidigt som de blandas noggrant i varje tank. Även om sammansättningen av blandningen är homogen i varje enskild tank, varierar koncentrationen i systemet som helhet från tank till tank.

Den genomsnittliga tid som en diskret mängd reagens tillbringar i en tank (uppehållstid) kan beräknas genom att helt enkelt dividera tankens volym med det genomsnittliga volymetriska flödet genom den. Den förväntade procentuella slutförandet av reaktionen beräknas med kemisk kinetik.

Tankar är gjorda av rostfritt stål eller legeringar, samt med emaljbeläggning.

Några viktiga aspekter av NPM

Alla beräkningar är baserade på perfekt blandning. Reaktionen fortskrider med en hastighet som är relaterad till den slutliga koncentrationen. Vid jämvikt måste flödet vara lika med flödet, annars kommer tanken att svämma över eller tömmas.

Det är ofta kostnadseffektivt att arbeta med flera seriella eller parallella HPM:er. Rostfria ståltankar monterade i en kaskad av fem eller sex enheter kan bete sig som en pluggflödesreaktor. Detta gör att den första enheten kan arbeta med en högre reaktantkoncentration och därför en snabbare reaktionshastighet. Dessutom kan flera steg av HPM placeras i en vertikal ståltank, istället för att processer äger rum i olika behållare.

I den horisontella versionen är flerstegsenheten sektionerad av vertikala skiljeväggar av olika höjder genom vilka blandningen flödar i kaskader.

När reaktanterna är dåligt blandade eller skiljer sig markant i densitet, används en vertikal flerstegsreaktor (fodrat eller rostfritt stål) i motströmsläge. Detta är effektivt för att utföra reversibla reaktioner.

Det lilla pseudo-vätskelagret är helt blandat. En stor kommersiell reaktor med fluidiserad bädd har en väsentligen enhetlig temperatur, men en blandning av blandbara och förskjutna strömmar och övergångstillstånd mellan dem.

Plug-flow kemisk reaktor

RPP är en reaktor (rostfri) i vilken en eller flera flytande reaktanter pumpas genom ett eller flera rör. De kallas också rörformigt flöde. Den kan ha flera rör eller rör. Reagenser kommer ständigt in genom ena änden och produkter kommer ut från den andra. Kemiska processer inträffar när blandningen passerar igenom.

I RPP är reaktionshastigheten gradient: vid ingången är den mycket hög, men med en minskning av koncentrationen av reagens och en ökning av innehållet av utgående produkter saktar dess hastighet ner. Vanligtvis uppnås ett tillstånd av dynamisk jämvikt.

Både horisontell och vertikal reaktororientering är vanliga.

När värmeöverföring krävs, mantlas enskilda rör eller så används en skal- och rörvärmeväxlare. I det senare fallet kan kemikalierna varabåde i skal och tub.

Metallbehållare med stor diameter med munstycken eller bad liknar RPP och används ofta. Vissa konfigurationer använder axiellt och radiellt flöde, flera skal med inbyggda värmeväxlare, horisontell eller vertikal reaktorposition och så vidare.

Reagenskärlet kan fyllas med katalytiska eller inerta fasta ämnen för att förbättra gränsytkontakten vid heterogena reaktioner.

Det är viktigt i RPP att beräkningarna inte tar hänsyn till vertikal eller horisontell blandning - det är vad som menas med termen "pluggflöde". Reagens kan införas i reaktorn inte bara genom inloppet. Således är det möjligt att uppnå en högre effektivitet hos RPP eller minska dess storlek och kostnad. RPPs prestanda är vanligtvis högre än för HPP med samma volym. Med lika värden på volym och tid i kolvreaktorer kommer reaktionen att ha en högre procentuell avslutning än i blandningsenheter.

Dynamiskt saldo

För de flesta kemiska processer är det omöjligt att uppnå 100 procents färdigställande. Deras hastighet minskar med tillväxten av denna indikator tills det ögonblick då systemet når dynamisk jämvikt (när den totala reaktionen eller förändringen i sammansättningen inte inträffar). Jämviktspunkten för de flesta system är under 100 % av processens slutförande. Av denna anledning är det nödvändigt att utföra en separationsprocess, såsom destillation, för att separera de återstående reaktanterna eller biprodukterna frånmål. Dessa reagenser kan ibland återanvändas i början av en process som Haber-processen.

Ansökan av PFA

Kolvflödesreaktorer används för att utföra kemisk omvandling av föreningar när de rör sig genom ett rörliknande system för storskaliga, snabba, homogena eller heterogena reaktioner, kontinuerlig produktion och hög värmealstrande processer.

En idealisk RPP har en fast uppehållstid, d.v.s. all vätska (kolv) som kommer in vid tidpunkten t kommer att lämna den vid tidpunkten t + τ, där τ är uppehållstiden i installationen.

Kemiska reaktorer av denna typ har hög prestanda under långa tidsperioder, samt utmärkt värmeöverföring. Nackdelarna med RPP är svårigheten att kontrollera processtemperaturen, vilket kan leda till oönskade temperaturfluktuationer, och deras högre kostnad.

Katalytiska reaktorer

Även om dessa typer av enheter ofta implementeras som RPP, kräver de mer komplext underhåll. Hastigheten för en katalytisk reaktion är proportionell mot mängden katalysator i kontakt med kemikalierna. När det gäller en fast katalysator och flytande reaktanter är processhastigheten proportionell mot tillgänglig yta, tillförseln av kemikalier och uttag av produkter och beror på närvaron av turbulent blandning.

En katalytisk reaktion är i själva verket ofta flerstegs. Inte barade initiala reaktanterna interagerar med katalysatorn. Vissa mellanprodukter reagerar också med det.

Katalysatorernas beteende är också viktigt i kinetiken för denna process, särskilt vid petrokemiska reaktioner vid höga temperaturer, eftersom de avaktiveras genom sintring, koksning och liknande processer.

Tillämpa ny teknik

RPP används för biomassakonvertering. Högtrycksreaktorer används i experimenten. Trycket i dem kan nå 35 MPa. Användningen av flera storlekar gör att uppehållstiden kan varieras från 0,5 till 600 s. För att uppnå temperaturer över 300 °C används elektriskt uppvärmda reaktorer. Biomassa tillförs av HPLC-pumpar.

RPP aerosolnanopartiklar

Det finns ett stort intresse för syntes och tillämpning av nanostora partiklar för olika ändamål, inklusive höglegerade legeringar och tjockfilmsledare för elektronikindustrin. Andra tillämpningar inkluderar magnetiska känslighetsmätningar, fjärrinfraröd överföring och kärnmagnetisk resonans. För dessa system är det nödvändigt att producera partiklar av en kontrollerad storlek. Deras diameter är vanligtvis i intervallet 10 till 500 nm.

På grund av deras storlek, form och höga specifika ytarea kan dessa partiklar användas för att producera kosmetiska pigment, membran, katalysatorer, keramik, katalytiska och fotokatalytiska reaktorer. Tillämpningsexempel för nanopartiklar inkluderar SnO₂ för sensorerkolmonoxid, TiO₂ för ljusledare, SiO_{2 för kolloidal kiseldioxid och optiska fibrer, C för kolfyllmedel i däck, Fe för registreringsmaterial, Ni för batterier och i mindre utsträckning palladium, magnesium och vismut. Alla dessa material syntetiseras i aerosolreaktorer. Inom medicin används nanopartiklar för att förebygga och behandla sårinfektioner, i konstgjorda benimplantat och för hjärnavbildning.}

Produktionsexempel

För att erhålla aluminiumpartiklar kyls ett argonflöde mättat med metallånga i en RPP med en diameter på 18 mm och en längd av 0,5 m från en temperatur på 1600 °C med en hastighet av 1000 °C/s. När gasen passerar genom reaktorn sker kärnbildning och tillväxt av aluminiumpartiklar. Flödeshastigheten är 2 dm3/min och trycket är 1 atm (1013 Pa). När den rör sig kyls gasen och blir övermättad, vilket leder till kärnbildning av partiklar som ett resultat av kollisioner och avdunstning av molekyler, upprepat tills partikeln når en kritisk storlek. När de rör sig genom den övermättade gasen kondenserar aluminiummolekylerna på partiklarna, vilket ökar deras storlek.