Wat is een chemische reactor: soorten, ontwerpvergelijkingen en industriële toepassingen

Wat is een chemische reactor: soorten, ontwerpvergelijkingen en industriële toepassingen

Het beantwoorden van de kernvraag:Wat is een chemische reactor?Een chemische reactor is een vat dat is ontworpen om reactanten om te zetten in producten door middel van een gecontroleerde chemische reactie.een molbalans die het volume bepaaltDe vier canonieke configuraties zijn de batch reactor, de batch reactor, de batch reactor, en de batch reactor.waar de samenstelling in de tijd en het volume verandert als gevolg van de integratie van dN/dt = rV- de continu gerommelde tankreactor, waarbij de balans algebraïsch is, V = F ((X_out - X_in) / (-r), en de inhoud gelijk is bij de uitlaatconcentratie; de stopstroomreactor,waar de balans langs de lengte verschillend is, dV = dF/(-r), waarbij de concentratie geleidelijk afneemt; en het fluïde bed, dat wordt gebruikt wanneer de katalysator moet circuleren.Omdat de reactiesnelheid ongeveer verdubbelt voor elke 10°C stijging door de Arrhenius relatie, en omdat typische exothermen 50-250 kJ/mol vrijgeven met een adiabatische temperatuurstijging van 50-300°C, is warmteverwijdering in plaats van chemie wat een reactor meestal beperkt.

1De drie evenwichten die elke reactor definiëren

Ongeacht de configuratie, drie vergelijkingen worden altijd opgelost, en ze verklaren waarom reactoren eruit zien zoals ze doen:

• De molenbalans:De molbalans is een conservatie stelling: wat binnenkomt, min wat weggaat, min wat wegreageert, is gelijk aan wat zich ophoopt.dus de vereiste tijd is de integraal van dN_A/(r_A x V) van de eerste tot de laatste omzettingVoor een continue gerommelde tankreactor in steady state is er geen accumulatie, dus de balans is algebraïsch, V = F_A0 x X / (-r_A),wordt geëvalueerd op de uitlaatconcentratie omdat de hele tank op die concentratie zitVoor een stopstroomreactor wordt de balans op een differentiaalplaatje geschreven, dV = dF_A/(-r_A), en langs de lengte geïntegreerd.voor elke reactie van positieve orde heeft de stopstroomreactor minder volume nodig dan de CSTR voor dezelfde omzetting, meestal met een factor van twee tot tien, omdat de CSTR de volledige inhoud onmiddellijk verdunt tot de laagste, langzaamste concentratie.
• De snelheidswet en temperatuurafhankelijkheid:De snelheidsuitdrukking zet het evenwicht om in een getal, en het is bijna altijd Arrhenius in vorm, k = A x exp ((-Ea / RT), met activeringsenergieën meestal 40-120 kJ / mol.Dat betekent dat de snelheid ongeveer verdubbelt voor elke 10°C stijging van de temperatuur in de buurt van de omgeving.Het betekent ook dat een reactor die op de verkeerde temperatuur is ontworpen, met een orde van grootte kan uitvallen.Concentratie-afhankelijkheid is net zo belangrijk: een reactie van eerste orde vertraagt exponentieel naarmate het reagens wordt verbruikt, zodat de laatste paar procent van de conversie onevenredig lang duurt,Daarom stoppen veel processen bij 90-98% en recyclen ze in plaats van een volledige omzetting na te jagen.Wanneer twee reacties met elkaar concurreren, is de selectiviteit afhankelijk van de verhouding tussen hun snelheden en omdat de twee meestal verschillende activeringsenergieën hebben, is de selectiviteit van de twee reacties afhankelijk van de verhouding tussen de snelheden van de reacties.de temperatuur wordt het belangrijkste instrument voor het sturen van het product.
• De energiebalans en de warmteafvoer:Elke reactor die een reactie uitvoert met een andere warmte dan nul moet warmte verwijderen of leveren, en de balans wordt geschreven als de snelheid van warmteopwekking versus de snelheid van verwijdering door de jas,De generatie schaalt met het volume, terwijl de verwijdering schaalt met het oppervlak, dus het probleem wordt erger naarmate de reactor groter wordt; dit is het klassieke scale-up-falen,waarbij een reactie die gemakkelijk te beheersen is in een 1 L-kolf in een 5 m3 vat ontsnaptHet dimensieloze Damkohler-cijfer, de verhouding tussen de karakteristieke doorstroming of mengtijd en de reactietijd, vertelt de ontwerper welk regime van toepassing is: onder ongeveer 0.01 de reactie is kinetisch gecontroleerdWanneer een exotherm significant is, moet het ontwerp een onafhankelijke hoogtemperatuurreis, noodkoeling met een onafhankelijk hulpprogramma,en reliëf met de DIERS-methode.
• Verdeling van de verblijfsduur en reële reactoren:De verdeling van de verblijfstijd, gemeten door het injecteren van een tracer en het controleren van de uitlaatconcentratie, kwantificeert de afwijking:een CSTR geeft een exponentieel verval met een spreiding zo breed als het gemiddelde, een plug flow reactor geeft een smalle puls, en een echt vat ligt tussen en wordt gemodelleerd door het tank-in-series model met een effectief aantal tanks,of door een dispersiemodel met een Peclet-nummerDit is van belang omdat de verdeling van de verblijfstijd de productverdeling bij de polymerisatie rechtstreeks verruimt, sommige moleculen in serie-reacties overreageert en de effectieve conversie vermindert.Veel voorkomende oplossingen zijn baffels om bypassing en wervel te onderdrukken, een lengte-diameterverhouding van meer dan ongeveer 3 voor buisvormige reactoren en, voor gemengde tanks, een cascade van drie tot zes vaten in serie,die het grootste deel van het stroomvoordeel van de stekker met het mengen en de warmteoverdracht van een gemengde tank geeft.

2De vier reactorconfiguraties en de keuze

De configuratie is gebaseerd op de productiesnelheid, de warmtebelasting, de levensduur van de katalysator en de productlijst:

• Batch reactor:De batchreactor is de meest flexibele en meest gebruikte reactor in fijne chemicaliën, geneesmiddelen, harsen, coatings en specialiteiten.de reactie wordt uitgevoerd via een temperatuur- en toevoegingsprofielDe kracht is de flexibiliteit: hetzelfde vat maakt veel producten, het recept kan tussen partijen worden aangepast en de lange verblijfstijd past bij langzame reacties.De zwakke punten zijn de niet-productieve tijd voor het opladen, verwarming, koeling, reiniging en ontlading, die 30-60% van de cyclus kunnen verbruiken, variatie van batch tot batch en de moeilijkheid om warmte te verwijderen,aangezien de volledige warmtebelasting gedurende een korte periode wordt vrijgegevenDe semi-batch-operatie, waarbij één reagens in de loop van de tijd wordt gevoed, is het standaardoplossing voor het warmteprobleem en geeft ook controle over de selectiviteit en, bij polymerisatie, over het moleculaire gewicht.
• Continu gemengde tankreactor:Een CSTR wordt continu gevoed en ontladen, wordt goed gemengd zodat de inhoud gelijkmatig is in de samenstelling van de uitlaat, en werkt in steady state.goed met slijm en viskeuze materialen omgaat, en is de natuurlijke keuze voor vloeibare fase reacties die een goede vermenging nodig hebben of die moeten worden gehouden bij een vaste concentratie, zoals bij veel polymerisaties en bij fermentatie.omdat de hele tank zit op de uitlaatconcentratie, loopt de reactie overal het langzaamst, dus een CSTR heeft twee tot tien keer het volume van een plug flow reactor nodig voor dezelfde taak.Dit is de reden waarom processen die een hoge conversie nodig hebben een cascade van CSTR's in serie gebruiken, meestal drie tot zes, waardoor een groot deel van het voordelen van de stopstroom wordt hersteld, terwijl de voordelen van het mengen en de warmteoverdracht behouden blijven.
• Stroom- en buisreactoren:In een plug flow reactor beweegt materiaal zich als een reeks dunne plakjes zonder axiale vermenging.dus de concentratie en omzetting variëren langs de lengte en de gemiddelde reactiesnelheid is hoger dan in een CSTRDe tubulaire reactoren bieden de hoogste volumetrische productiviteit en een uitstekende warmteoverdracht per volume-eenheid vanwege de hoge oppervlakte-volumeverhouding.Het is van essentieel belang om de distributie van de producten te controleren.. zij zijn de standaard voor hoge temperatuur gasfase reacties zoals stoomcracking bij 750-870°C, voor snelle exotherme reacties waarbij een kleine diameter de warmte stroom beheersbaar houdt,en voor reacties waarbij een terugmenging de selectiviteit zou vernietigenDe beperkingen zijn een hoge drukdaling bij verpakte buizen, problemen met vervuiling en met vaste stoffen, en het feit dat een wegloper geen plaats heeft om zich te ontdoen.Daarom hebben buisvormige reactoren een zorgvuldige instrumentatie en vaak een verdeeld temperatuurprofiel nodig..
• Vloeibare, verpakte en gespecialiseerde bedden:Wanneer er sprake is van een vaste katalysator, wordt de contactmodus gekozen op basis van de levensduur van de katalysator en de warmtebelasting.maar de warmte verwijdering is slecht en het bed kan niet worden veranderd zonder een shutdownEen vloeibaar bed houdt de katalysator in het gas dat naar boven stroomt.het geven van uitstekende temperatuur gelijkheid en het vermogen om de katalysator continu te laten circulerenHet is essentieel wanneer het in enkele seconden wordt gedeactiveerd, zoals bij vloeistofkatalysatie bij 500 tot 540°C; de straf is slijtage, trek die cyclonen vereist en terugmenging.Een gekookt bed breidt de katalysator met vloeistofopstroom uit en maakt het mogelijk om de katalysator in de loop van de tijd te vervangen.Een slurry- of bubbelkolom suspendert fijne katalysatoren in vloeistof voor een uitstekende warmteafvoer en wordt gebruikt in Fischer-Tropsch en hydrogeneratiediensten..

Vergelijkingsmatrix voor chemische reactorconfiguratie

Vaak gestelde vragen (FAQ)

V: Wat is het verschil tussen een CSTR en een plug flow reactor?

Een continu gemengde tankreactor is perfect gemengd, zodat de inhoud gelijkmatig is en overal zit bij de laagste reactieconcentratie, de uitlaatconcentratie.Een stopstroomreactor heeft geen axiale vermengingVoor elke positieve reactie maakt dit de spuitstroomreactor gemiddeld sneller en dus kleiner:Om dezelfde omzetting te bereiken is doorgaans twee tot tien keer minder volume nodig dan bij een CSTR.In de praktijk maken ingenieurs vaak gebruik van een cascade van drie tot zes CSTR's in serie.die de stopstroom benadert en tegelijkertijd de uitstekende vermenging behoudtHet andere verschil is operationeel: een CSTR is gemakkelijk te bedienen en behoudt goed de stabiele toestand.terwijl een buisreactor een hogere drukdaling heeft en gevoeliger is voor vervuiling en ontsnapping.

V: Waarom is temperatuurbeheersing zo belangrijk in een chemische reactor?

A: Omdat de reactiesnelheid grofweg exponentieel stijgt met de temperatuur. Bij een typische activeringsenergie van 40-120 kJ/mol verdubbelt de reactiesnelheid voor elke stijging van 10 °C in de buurt van de omgeving.In een exotherme reactie creëert dit een positieve feedbacklus.Als het warmteverwijderingssysteem niet op elk punt kan bijblijven, versnelt de batch tot een ontsnapping.die het oplosmiddel kan kokenIn veel processen kost een slechte beheersing eveneens meer kwaliteit dan veiligheid:waarbij twee concurrerende reacties verschillende activeringsenergieën hebbenDe temperatuur bepaalt de selectiviteit en wanneer een polymerisatie wordt uitgevoerd, bepaalt de temperatuur het moleculaire gewicht.een interlock die het voeden stopt en volledige koeling toepast bij hoge temperatuur, en de door de DIERS-methode afgestemde ontlastingscapaciteit.

V: Hoe kan ik kiezen tussen batch- en continue werking?

A: Er zijn vier factoren die het bepalen.Onder dat is de kapitaal- en beheerscomplexiteit van een continue installatie moeilijk te rechtvaardigen.Productschilder: indien de fabriek vele soorten of producten produceert, wint de batch aan flexibiliteit, aangezien bij elke kwaliteitsverandering een continue trein overgangsmateriaal produceert dat niet aan de specificaties voldoet.Reactie kenmerken: zeer snelle of zeer exotherme reacties zijn in een reactor met een klein volume gemakkelijker continu te beheersen, terwijl langzame reacties met een lange verblijfstijd goedkoper zijn in een batchvat.En kwaliteitsconsistentieIn het kader van het programma voor de ontwikkeling van de industriële sector is de Commissie van oordeel dat het in de eerste plaats gaat om de verbetering van de kwaliteit van de produktie en de verbetering van de kwaliteit van de produktie.continue reactie met batch afwerking, of batchreactie waarbij een continue scheidingstraat wordt gevoed.

V: Welke veiligheidssystemen heeft een chemische reactor nodig?

A: Bescherming is gelaagd. Inherente veiligheid eerst: kies een halfbatch voer zodat de niet gereageerde voorraad is klein, verdunnen van de reagentia,en selecteer een oplosmiddel waarvan het kookpunt de maximale temperatuur bedraagt. basisprocesbesturing volgende: temperatuur, druk en voedingsstroom automatisch geregeld met alarmen.een onafhankelijke hoge-hoge temperatuur- en hoge-hoge drukreis die de voedingsmiddelen sluit, wordt volledig gekoeld en, indien ontworpen, wordt een reactie-remmer geïnjecteerd of wordt de partij in een blusvat gedumpt.met de door de DIERS-methodiek voor het specifieke geval van ontsnapping vastgestelde verlichtingsbelasting, aangezien reactieve systemen gasvormig, dampvormig of hybride kunnen zijn en het juiste antwoord het vereiste gebied aanzienlijk verandert.een schoonmaakmachine of een vuilnisbak die het vrijgekomen materiaal veilig kan opnemen in plaats van het in de atmosfeer te laten lossen;.