Kimyasal reaktörler nelerdir? Kimyasal reaktör türleri

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 14:04

Kimyasal reaksiyon, reaktanların dönüşümüne yol açan bir süreçtir. Orijinalden farklı bir veya daha fazla ürünle sonuçlanan değişikliklerle karakterize edilir. Kimyasal reaksiyonlar farklı bir yapıya sahiptir. Reaktiflerin tipine, elde edilen maddeye, sentez, ayrışma, yer değiştirme, izomerizasyon, asit-baz, redoks, organik işlemler vb. koşulları ve süresine bağlıdır.

Kimyasal reaktörler, nihai ürünü üretmek için reaksiyonları yürütmek üzere tasarlanmış kaplardır. Tasarımları çeşitli faktörlere bağlıdır ve en uygun maliyetli şekilde maksimum çıktı sağlamalıdır.

Görüntülemeler

Kimyasal reaktörlerin üç ana temel modeli vardır:

• Periyodik.
• Sürekli Karıştırılan (CPM).
• Plunger Akış Reaktörü (PFR).

Bu temel modeller, kimyasal işlemin gereksinimlerini karşılamak için değiştirilebilir.

Yığın reaktör

Bu tip kimyasal birimler, bazı polimerizasyon proseslerinde olduğu gibi, düşük üretim hacimleri, uzun reaksiyon süreleri veya daha iyi seçiciliğin sağlandığı kesikli proseslerde kullanılır.

Bunun için örneğin içeriği dahili çalışma bıçakları, gaz kabarcıkları veya pompalar kullanılarak karıştırılmış paslanmaz çelik kaplar kullanılır. Sıcaklık kontrolü, ısı eşanjör ceketleri, sulama soğutucuları veya bir ısı eşanjöründen pompalama kullanılarak gerçekleştirilir.

Yığın reaktörler şu anda kimya ve gıda işleme endüstrilerinde kullanılmaktadır. Sürekli ve ayrık süreçleri birleştirmek gerektiğinden, bunların otomasyonu ve optimizasyonu zorluklar yaratır.

Yarı kesikli kimyasal reaktörler, sürekli ve kesikli çalışmayı birleştirir. Örneğin bir biyoreaktör periyodik olarak yüklenir ve sürekli olarak çıkarılması gereken karbondioksit yayar. Benzer şekilde, klorlama reaksiyonunda, klor gazı reaktanlardan biri olduğunda, sürekli olarak verilmediği takdirde çoğu buharlaşacaktır.

Büyük üretim hacimleri sağlamak için, esas olarak sürekli kimyasal reaktörler veya karıştırıcılı veya sürekli akışlı metal tanklar kullanılır.

Sürekli karıştırmalı reaktör

Sıvı reaktifler paslanmaz çelik tanklara beslenir. Uygun etkileşimi sağlamak için çalışma bıçakları tarafından karıştırılırlar. Böylece,Bu tip reaktörlerde, reaktanlar sürekli olarak ilk tanka (dikey, çelik) beslenir, ardından sonrakilere girer ve her tankta iyice karıştırılır. Karışımın bileşimi her bir tankta homojen olsa da, bir bütün olarak sistemde konsantrasyon tanktan tanka değişir.

Ayrık miktarda bir reaktifin bir tankta geçirdiği ortalama süre (kalma süresi), tankın hacmini, içinden geçen ortalama hacimsel akış hızına basitçe bölerek hesaplanabilir. Reaksiyonun beklenen tamamlanma yüzdesi kimyasal kinetik kullanılarak hesaplanır.

Tanklar paslanmaz çelik veya alaşımlardan ve ayrıca emaye kaplamadan yapılmıştır.

NPM'nin bazı önemli yönleri

Tüm hesaplamalar mükemmel karıştırmaya dayanmaktadır. Reaksiyon, nihai konsantrasyonla ilgili bir hızda ilerler. Dengede, akış hızı akış hızına eşit olmalıdır, aksi takdirde tank taşar veya boşalır.

Birden çok seri veya paralel HPM ile çalışmak genellikle uygun maliyetlidir. Beş veya altı üniteden oluşan bir kademeli olarak monte edilen paslanmaz çelik tanklar, tıkaçlı akış reaktörü gibi davranabilir. Bu, birinci ünitenin daha yüksek bir reaktan konsantrasyonunda ve dolayısıyla daha hızlı bir reaksiyon hızında çalışmasına izin verir. Ayrıca, HPM'nin birkaç aşaması, farklı kaplarda gerçekleşen işlemler yerine dikey bir çelik tanka yerleştirilebilir.

Yatay versiyonda, çok aşamalı ünite, karışımın kaskadlar halinde aktığı çeşitli yükseklikteki dikey bölmelerle bölümlere ayrılmıştır.

Reaktanlar yetersiz karıştırıldığında veya yoğunlukları önemli ölçüde farklı olduğunda, karşı akım modunda dikey çok aşamalı bir reaktör (kaplı veya paslanmaz çelik) kullanılır. Bu, tersine çevrilebilir reaksiyonların gerçekleştirilmesi için etkilidir.

Küçük sözde sıvı katman tamamen karıştırılır. Büyük bir ticari akışkan yataklı reaktör, esasen üniform bir sıcaklığa, ancak karışabilir ve yer değiştirmiş akışların bir karışımına ve bunlar arasındaki geçiş durumlarına sahiptir.

Fiş akışlı kimyasal reaktör

RPP, bir veya daha fazla sıvı reaktantın bir boru veya borulardan pompalandığı bir reaktördür (paslanmaz). Bunlara tübüler akış da denir. Birkaç boru veya tüpe sahip olabilir. Reaktifler sürekli olarak bir uçtan girer ve ürünler diğerinden çıkar. Karışım geçerken kimyasal işlemler gerçekleşir.

RPP'de reaksiyon hızı gradyandır: girişte çok yüksektir, ancak reaktiflerin konsantrasyonunda bir azalma ve çıkış ürünlerinin içeriğinde bir artış ile hızı yavaşlar. Genellikle dinamik bir denge durumuna ulaşılır.

Hem yatay hem de dikey reaktör yönelimleri ortaktır.

Isı transferi gerektiğinde, tek tek borular ceketlenir veya gövde borulu ısı eşanjörü kullanılır. İkinci durumda, kimyasallar olabilirhem kabukta hem de tüpte.

Nozullu veya banyolu büyük çaplı metal kaplar RPP'ye benzer ve yaygın olarak kullanılır. Bazı konfigürasyonlar eksenel ve radyal akış, yerleşik ısı eşanjörlü çoklu kabuklar, yatay veya dikey reaktör konumu vb. kullanır.

Reaktif kabı, heterojen reaksiyonlarda arayüzey temasını iyileştirmek için katalitik veya inert katılarla doldurulabilir.

RPP'de hesaplamaların dikey veya yatay karıştırmayı dikkate almaması önemlidir - "fiş akışı" terimi ile kastedilen budur. Reaktifler, reaktöre yalnızca giriş yoluyla eklenebilir. Böylece, daha yüksek bir RPP verimliliği elde etmek veya boyutunu ve maliyetini az altmak mümkündür. RPP'nin performansı genellikle aynı hacimdeki HPP'nin performansından daha yüksektir. Pistonlu reaktörlerde eşit hacim ve zaman değerleri ile reaksiyon, karıştırma ünitelerine göre daha yüksek bir tamamlanma yüzdesine sahip olacaktır.

Dinamik Denge

Çoğu kimyasal işlem için yüzde 100 tamamlama elde etmek imkansızdır. Bu göstergenin büyümesiyle hızları, sistemin dinamik dengeye ulaştığı ana kadar (toplam reaksiyon veya bileşimde değişiklik meydana gelmediğinde) azalır. Çoğu sistem için denge noktası, sürecin %100'ünün tamamlanmasının altındadır. Bu nedenle, kalan reaktanları veya yan ürünleri ayırmak için damıtma gibi bir ayırma işleminin gerçekleştirilmesi gerekir.hedef. Bu reaktifler bazen Haber işlemi gibi bir işlemin başlangıcında yeniden kullanılabilir.

PFA Uygulaması

Pistonlu akış reaktörleri, büyük ölçekli, hızlı, homojen veya heterojen reaksiyonlar, sürekli üretim ve yüksek ısı üreten işlemler için tüp benzeri bir sistem boyunca hareket ederken bileşiklerin kimyasal dönüşümünü gerçekleştirmek için kullanılır.

İdeal bir RPP'nin sabit bir kalma süresi vardır, yani t zamanında giren herhangi bir sıvı (piston) t + τ zamanında bırakacaktır, burada τ tesisattaki kalma süresidir.

Bu tip kimyasal reaktörler, mükemmel ısı transferinin yanı sıra uzun süreler boyunca yüksek performansa sahiptir. RPP'lerin dezavantajları, istenmeyen sıcaklık dalgalanmalarına yol açabilecek proses sıcaklığını kontrol etme zorluğu ve daha yüksek maliyetleridir.

Katalitik reaktörler

Bu tür birimler genellikle RPP olarak uygulansa da, daha karmaşık bakım gerektirirler. Katalitik reaksiyonun hızı, kimyasallarla temas halindeki katalizör miktarı ile orantılıdır. Bir katı katalizör ve sıvı reaktanlar durumunda, işlemlerin hızı, mevcut alan, kimyasalların girişi ve ürünlerin geri çekilmesi ile orantılıdır ve türbülanslı karışımın varlığına bağlıdır.

Bir katalitik reaksiyon aslında genellikle çok adımlıdır. sadeceilk reaktanlar katalizör ile etkileşime girer. Bazı ara ürünler de onunla reaksiyona girer.

Sinterleme, koklaştırma ve benzeri işlemlerle deaktive edildikleri için özellikle yüksek sıcaklıktaki petrokimyasal reaksiyonlarda katalizörlerin davranışı da bu işlemin kinetiğinde önemlidir.

Yeni teknolojileri uygulama

RPP, biyokütle dönüşümü için kullanılır. Deneylerde yüksek basınçlı reaktörler kullanılmıştır. İçlerindeki basınç 35 MPa'ya ulaşabilir. Birkaç boyutun kullanılması, kalma süresinin 0,5 ila 600 s arasında değiştirilmesine izin verir. 300 °C'nin üzerindeki sıcaklıklara ulaşmak için elektrikle ısıtılan reaktörler kullanılır. Biyokütle, HPLC pompaları tarafından sağlanır.

RPP aerosol nanoparçacıkları

Elektronik endüstrisi için yüksek alaşımlı alaşımlar ve kalın film iletkenler dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için nano boyutlu parçacıkların sentezine ve uygulanmasına büyük ilgi vardır. Diğer uygulamalar arasında manyetik duyarlılık ölçümleri, uzak kızılötesi iletim ve nükleer manyetik rezonans yer alır. Bu sistemler için kontrollü boyutta partiküller üretmek gereklidir. Çapları genellikle 10 ila 500 nm aralığındadır.

Boyutları, şekilleri ve yüksek spesifik yüzey alanları nedeniyle, bu parçacıklar kozmetik pigmentler, membranlar, katalizörler, seramikler, katalitik ve fotokatalitik reaktörler üretmek için kullanılabilir. Nanopartiküller için uygulama örnekleri, sensörler için SnO₂ içerirkarbon monoksit, ışık kılavuzları için TiO₂, kolloidal silikon dioksit ve optik fiberler için SiO_{2, lastiklerdeki karbon dolgu maddeleri için C, kayıt malzemeleri için Fe, Piller için Ni ve daha az ölçüde paladyum, magnezyum ve bizmut. Tüm bu malzemeler aerosol reaktörlerde sentezlenir. Tıpta nanopartiküller, yara enfeksiyonlarını önlemek ve tedavi etmek için, yapay kemik implantlarında ve beyin görüntüleme için kullanılır.}

Üretim örneği

Alüminyum partikülleri elde etmek için metal buharıyla doyurulmuş bir argon akışı 18 mm çapında ve 0,5 m uzunluğunda bir RPP'de 1600 °C sıcaklıktan 1000 °C/sn hızla soğutulur.. Gaz reaktörden geçerken alüminyum parçacıklarının çekirdeklenmesi ve büyümesi meydana gelir. Akış hızı 2 dm3/dak ve basınç 1 atm'dir (1013 Pa). Hareket ettikçe, gaz soğur ve aşırı doygun hale gelir, bu da çarpışmalar ve moleküllerin buharlaşması sonucunda parçacıkların çekirdeklenmesine yol açar, parçacık kritik bir boyuta ulaşana kadar tekrarlanır. Alüminyum molekülleri aşırı doymuş gaz içinde hareket ederken partiküllerin üzerinde yoğunlaşarak boyutlarını artırırlar.