Τι είναι ένας χημικός αντιδραστήρας: Τύποι, Εξισώσεις Σχεδιασμού και Βιομηχανικές Εφαρμογές

Τι είναι ένας χημικός αντιδραστήρας: τύποι, εξισώσεις σχεδιασμού και βιομηχανικές εφαρμογές

Απαντώντας στην βασική ερώτηση:Τι είναι ένας χημικός αντιδραστήρας;Ένας χημικός αντιδραστήρας είναι ένα δοχείο που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει αντιδραστήρια σε προϊόντα με μια ελεγχόμενη χημική αντίδραση, και όλα σχετικά με το σχεδιασμό του ακολουθούν από τρεις ισορροπίες:μια ισορροπία μολ που καθορίζει τον όγκοΟι τέσσερις κανονικές διαμορφώσεις είναι ο αντιδραστήρας παρτίδας,όπου η σύνθεση αλλάζει με το χρόνο και ο όγκος προκύπτει από την ολοκλήρωση dN/dt = rVΟ αντιδραστήρας συνεχούς αναμειγνύσεως, όπου η ισορροπία είναι αλγεβρική, V = F ((X_out - X_in) / (-r), και τα περιεχόμενα είναι ομοιόμορφα στη συγκέντρωση εξόδου.όπου η ισορροπία είναι διαφορική κατά μήκος, dV = dF/(-r), και η συγκέντρωση μειώνεται προοδευτικά, και το υγροποιημένο στρώμα, που χρησιμοποιείται όταν ο καταλύτης πρέπει να κυκλοφορεί.Επειδή οι ταχύτητες αντίδρασης σχεδόν διπλασιάζονται για κάθε αύξηση 10 ° C από τη σχέση Arrhenius, και επειδή οι τυπικές εξωθερμικές θερμοκρασίες απελευθερώνουν 50-250 kJ/mol με αύξηση της αδιαβατικής θερμοκρασίας 50-300°C, η απομάκρυνση της θερμότητας και όχι η χημεία είναι αυτό που περιορίζει πιο συχνά έναν αντιδραστήρα.

1Οι τρεις ισορροπίες που καθορίζουν κάθε αντιδραστήρα

Ανεξάρτητα από τη διαμόρφωση, τρεις εξισώσεις λύνονται πάντα, και εξηγούν γιατί οι αντιδραστήρες φαίνονται όπως είναι:

• Η ισορροπία του Μολ:Η ισορροπία του μολ είναι μια δήλωση διατήρησης: αυτό που εισέρχεται, μείον αυτό που φεύγει, μείον αυτό που αντιδρά μακριά, ισούται με αυτό που συσσωρεύεται.έτσι ο χρόνος που απαιτείται είναι το ολοκληρωμένο του dN_A/(r_A x V) από την αρχική προς την τελική μετατροπήΓια έναν αδιάλειπτο αντιδραστήρα δεξαμενής αναμειγνύσεως σε σταθερή κατάσταση δεν υπάρχει συσσώρευση, οπότε η ισορροπία είναι αλγεβρική, V = F_A0 x X / (-r_A),αξιολογείται στη συγκέντρωση εξόδου επειδή ολόκληρη η δεξαμενή βρίσκεται σε αυτή τη συγκέντρωσηΓια έναν αντιδραστήρα ροής από πρίζα, η ισορροπία γράφεται σε μια διαφορική φέτα, dV = dF_A/(-r_A), και ενσωματώνεται κατά μήκος.Για κάθε αντίδραση θετικής τάξης, ο αντιδραστήρας ροής πρίζας χρειάζεται λιγότερο όγκο από τον CSTR για την ίδια μετατροπή., συνήθως κατά συντελεστή δύο έως δέκα, επειδή το CSTR αραιώνει αμέσως ολόκληρο το περιεχόμενο στην χαμηλότερη, πιο αργή συγκέντρωση.
• Ο νόμος του ρυθμού και η εξάρτηση θερμοκρασίας:Η έκφραση ρυθμού μετατρέπει το ισοζύγιο σε αριθμό, και είναι σχεδόν πάντα Arrhenius με μορφή, k = A x exp ((-Ea/RT), με ενεργειακές ενεργοποιήσεις συνήθως 40-120 kJ/mol.Αυτό σημαίνει ότι το ποσοστό σχεδόν διπλασιάζεται για κάθε αύξηση 10 ° C στην θερμοκρασία κοντά στο περιβάλλον.Αυτό σημαίνει επίσης ότι ένας αντιδραστήρας που έχει σχεδιαστεί σε λάθος θερμοκρασία μπορεί να είναι σε διαφορά μεγέθους.Η εξάρτηση από τη συγκέντρωση έχει εξίσου μεγάλη σημασία.: μια αντίδραση πρώτης τάξης επιβραδύνεται εκθετικά καθώς καταναλώνεται το αντιδραστήριο, έτσι τα τελευταία λίγα ποσοστά της μετατροπής διαρκούν δυσανάλογα πολύ,Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλές διαδικασίες σταματούν στο 90-98% και ανακυκλώνουν αντί να κυνηγήσουν την πλήρη μετατροπήΌταν δύο αντιδράσεις ανταγωνίζονται, η επιλεκτικότητα εξαρτάται από την αναλογία των ρυθμών τους, και δεδομένου ότι οι δύο συνήθως έχουν διαφορετικές ενέργειες ενεργοποίησης,Η θερμοκρασία γίνεται το κύριο εργαλείο για τη διεύθυνση της λωρίδας του προϊόντος.
• Η ενεργειακή ισορροπία και η αφαίρεση της θερμότητας:Κάθε αντιδραστήρας που εκτελεί μια αντίδραση με μη μηδενική θερμότητα της αντίδρασης πρέπει να αφαιρέσει ή να προμηθεύσει θερμότητα, και η ισορροπία γράφεται ως ο ρυθμός παραγωγής θερμότητας έναντι του ρυθμού αφαίρεσης μέσω του μανδύα,Η παραγωγή κλιμακώνεται με τον όγκο, ενώ η απομάκρυνση με την επιφάνεια, οπότε το πρόβλημα επιδεινώνεται καθώς ο αντιδραστήρας μεγαλώνει.όπου μια αντίδραση που ελέγχεται εύκολα σε φιάλη 1 λίτρων διαρρέει σε δοχείο 5 m3Ο αδιάστατος αριθμός Damkohler, η αναλογία του χαρακτηριστικού χρόνου ροής ή ανάμειξης με τον χρόνο αντίδρασης, λέει στον σχεδιαστή ποιο καθεστώς εφαρμόζεται: κάτω από περίπου 0.01 η αντίδραση ελέγχεται κινητικάΌταν η εξωθερμία είναι σημαντική, ο σχεδιασμός πρέπει να περιλαμβάνει ανεξάρτητη πορεία υψηλής θερμοκρασίας, ψύξη έκτακτης ανάγκης με ανεξάρτητη υπηρεσία,και ανάγλυφο μεγέθους με τη μεθοδολογία DIERS.
• Διανομή χρόνου διαμονής και πραγματικοί αντιδραστήρες:Η κατανομή του χρόνου διαμονής, που μετράται με την ένεση ενός ιχνηλατηρίου και την παρακολούθηση της συγκέντρωσης της έξοδος, ποσοτικοποιεί την έξοδο:ένα CSTR δίνει μια εκθετική αποσύνθεση με μια εξάπλωση τόσο μεγάλη όσο το μέσο όρο, ένας αντιδραστήρας ροής από πρίζα δίνει έναν στενό παλμό και ένα πραγματικό δοχείο βρίσκεται ανάμεσα και είναι μοντελοποιημένο από το μοντέλο δεξαμενών σε σειρά με αποτελεσματικό αριθμό δεξαμενών,ή με μοντέλο διασποράς με αριθμό PecletΑυτό έχει σημασία διότι η διαφορά του χρόνου διαμονής διευρύνει άμεσα την κατανομή του προϊόντος στην πολυμερισμό, υπερ-αντιδρά σε ορισμένα μόρια σε σειριακές αντιδράσεις και μειώνει την αποτελεσματική μετατροπή.Συνηθισμένες διορθώσεις είναι φραγμοί για την καταστολή παράκαμψης και στροβιλισμός, μια αναλογία μήκους προς διάμετρο άνω των 3 περίπου για σωλήνες αντιδραστήρων και, για δεξαμενές αναμειγνύσεως, μια κατάρρευση τριών έως έξι δοχείων σε σειρά,το οποίο παρέχει το μεγαλύτερο όφελος από την ροή του πλέγματος με το μείγμα και τη μεταφορά θερμότητας μιας αναμειγμένης δεξαμενής.

2Οι τέσσερις διαμορφώσεις αντιδραστήρα και πώς να επιλέξετε

Η διαμόρφωση προκύπτει από την ταχύτητα παραγωγής, το θερμικό φορτίο, τη διάρκεια ζωής του καταλύτη και την λίστα προϊόντων:

• Αντιδραστήρας παρτίδας:Ο αντιδραστήρας παρτίδας είναι ο πιο ευέλικτος και ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος σε λεπτές χημικές ουσίες, φαρμακευτικά προϊόντα, ρητίνες, επικαλύψεις και ειδικά προϊόντα.η αντίδραση διεξάγεται μέσω ενός προφίλ θερμοκρασίας και προσθήκηςΗ δύναμη του είναι η ευελιξία: το ίδιο δοχείο παράγει πολλά προϊόντα, η συνταγή μπορεί να προσαρμοστεί μεταξύ των παρτίδων και ο μακρύς χρόνος διαμονής ταιριάζει στις αργές αντιδράσεις.Οι αδυναμίες του είναι ο μη παραγωγικός χρόνος φόρτισης., θέρμανση, ψύξη, καθαρισμό και αποχέτευση, οι οποίες μπορούν να καταναλώσουν 30-60% του κύκλου, μεταβλητότητα από παρτίδα σε παρτίδα και δυσκολία απομάκρυνσης της θερμότητας,δεδομένου ότι το πλήρες θερμικό φορτίο απελευθερώνεται σε σύντομο χρονικό διάστημαΗ λειτουργία ημιπαρτίδας, όπου ένα αντιδραστήριο τροφοδοτείται με την πάροδο του χρόνου, είναι η τυποποιημένη απάντηση στο πρόβλημα της θερμότητας και παρέχει επίσης έλεγχο της επιλεκτικότητας και, στην πολυμερίσση, του μοριακού βάρους.
• Συνεχώς αναμειγνυόμενος αντιδραστήρας δεξαμενής:Το CSTR τροφοδοτείται και απορρίπτεται συνεχώς, αναμιγνύεται καλά έτσι ώστε το περιεχόμενο να είναι ομοιόμορφο στη σύνθεση της έξοδος και λειτουργεί σε σταθερή κατάσταση.χειρίζεται καλά τις λιπάσματα και τα ιξώδη υλικά, και είναι η φυσική επιλογή για αντιδράσεις υγρής φάσης που χρειάζονται καλή ανάμειξη ή που πρέπει να διατηρούνται σε σταθερή συγκέντρωση, όπως σε πολλές πολυμερισμοί και στη ζύμωση.επειδή ολόκληρη η δεξαμενή βρίσκεται στη συγκέντρωση εξόδου, η αντίδραση τρέχει με την πιο αργή της παντού, έτσι ώστε ένα CSTR να χρειάζεται δύο έως δέκα φορές τον όγκο ενός αντιδραστήρα ροής για την ίδια εργασία.Αυτός είναι ο λόγος για τους οποίους οι διαδικασίες που απαιτούν υψηλή μετατροπή χρησιμοποιούν μια σειρά από CSTR σε σειρά, συνήθως τρεις έως έξι, το οποίο ανακτά μεγάλο μέρος του πλεονεκτήματος ροής του πλέγματος διατηρώντας ταυτόχρονα τα οφέλη ανάμειξης και μεταφοράς θερμότητας.
• Συμπλέκτες ροής και σωληνωτοί αντιδραστήρες:Σε έναν αντιδραστήρα ροής, το υλικό κινείται μέσα από μια σειρά λεπτών φέτες χωρίς αξιακή ανάμειξη.Έτσι η συγκέντρωση και η μετατροπή ποικίλλουν κατά μήκος και ο μέσος ρυθμός αντίδρασης είναι υψηλότερος από ό, τι σε ένα CSTRΟι σωληναριώδεις αντιδραστήρες παρέχουν την υψηλότερη χωρητική παραγωγικότητα, εξαιρετική μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα όγκου λόγω της υψηλής σχέσης επιφάνειας προς όγκο,και μια στενή κατανομή του χρόνου διαμονής που είναι απαραίτητη για τον έλεγχο της διανομής των προϊόντωνΑποτελούν το πρότυπο για τις αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας σε αέρια φάση, όπως η διάσπαση με ατμό σε θερμοκρασία 750-870°C, για τις γρήγορες εξωθερμικές αντιδράσεις όπου η μικρή διάμετρος διατηρεί την ροή θερμότητας ελεγχόμενη,και για αντιδράσεις στις οποίες η ανάμειξη θα κατέστρεφε την επιλεκτικότηταΟι περιορισμοί είναι η υψηλή πτώση πίεσης σε συσκευασμένους σωλήνες, η δυσκολία με τη μόλυνση και με στερεά υλικά, και το γεγονός ότι ένας δραπέτης δεν έχει πουθενά να διαλυθεί,Γι'αυτό οι σωληνωτοί αντιδραστήρες χρειάζονται προσεκτική οργάνωση και συχνά ένα διανεμημένο προφίλ θερμοκρασίας.
• Φυτοποιημένα, συσκευασμένα και ειδικά κρεβάτια:Σε περίπτωση που χρησιμοποιείται στερεός καταλύτης, ο τρόπος επαφής επιλέγεται με βάση τη διάρκεια ζωής του καταλύτη και το θερμικό φορτίο.αλλά η απομάκρυνση της θερμότητας είναι κακή και το κρεβάτι δεν μπορεί να αλλάξει χωρίς ένα κλείσιμοΤο υγροποιημένο στρώμα αναστέλλει τον καταλύτη στο άνω ρεύμα του αερίου.παρέχοντας εξαιρετική ομοιομορφία θερμοκρασίας και ικανότητα συνεχούς κυκλοφορίας του καταλύτηΗ ατμόσφαιρα, η οποία είναι απαραίτητη όταν απενεργοποιείται μέσα σε δευτερόλεπτα, όπως στην καταλυτική διάσπαση υγρών στους 500-540 °C. Η ποινή είναι η φθορά, η σύρση που απαιτεί κυκλώνους και η αναμεμειγνύση.Ένα βραστό κρεβάτι επεκτείνει τον καταλύτη με την άνω ροή του υγρού και επιτρέπει την online αντικατάστασηΜια στήλη αποβλήτων ή φυσαλίδων αναστέλλει ένα λεπτό καταλύτη σε υγρό για εξαιρετική απομάκρυνση της θερμότητας και χρησιμοποιείται στην υπηρεσία Fischer-Tropsch και υδρογόνωσης.

Σύγκριση διαμορφώσεων χημικών αντιδραστήρων

Συχνές ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα σε έναν αντιδραστήρα CSTR και έναν αντιδραστήρα ροής;

Α: Αναμειγνύοντας. Ένας συνεχής αναμειγνυόμενος αντιδραστήρας δεξαμενής είναι τέλεια αναμειγνυμένος, έτσι ώστε το περιεχόμενό του να είναι ομοιόμορφο και να βρίσκεται παντού στην χαμηλότερη συγκέντρωση αντιδραστήρα, την συγκέντρωση εξόδου.Ένας αντιδραστήρας ροής πρίζας δεν έχει αξιακή ανάμειξηΓια κάθε αντίδραση θετικής τάξης αυτό καθιστά τον αντιδραστήρα ροής πρίζας πιο γρήγορο κατά μέσο όρο και επομένως μικρότερο:Η επίτευξη της ίδιας μετατροπής απαιτεί συνήθως δύο έως δέκα φορές λιγότερο όγκο από ένα CSTRΣτην πράξη, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν συχνά μια κατάδυση τριών έως έξι CSTR κατά σειρά,που προσεγγίζει την ροή του πρίζα διατηρώντας την εξαιρετική ανάμειξηΗ άλλη διαφορά είναι λειτουργική: ένα CSTR είναι εύκολο να ελεγχθεί και διατηρεί καλά την σταθερή κατάσταση.Ενώ ένας σωληναριώδης αντιδραστήρας έχει μεγαλύτερη πτώση πίεσης και είναι πιο ευαίσθητος στην μόλυνση και στην απόδραση.

Ε: Γιατί ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι τόσο κρίσιμος σε ένα χημικό αντιδραστήρα;

Α: Επειδή η ταχύτητα αντίδρασης αυξάνεται περίπου εκθετικά με την θερμοκρασία.Σε μια εξωθερμική αντίδραση αυτό δημιουργεί ένα θετικό κύκλο ανατροφοδότησηςΑν το σύστημα απομάκρυνσης της θερμότητας δεν μπορεί να ακολουθήσει το ρυθμό σε κάθε σημείο, η παρτίδα επιταχύνεται σε ένα ξέφρενο.που μπορεί να βράσει το διαλύτηΟμοίως, σε πολλές διεργασίες, ο κακός έλεγχος κοστίζει την ποιότητα και όχι την ασφάλεια:όπου δύο ανταγωνιστικές αντιδράσεις έχουν διαφορετικές ενέργειες ενεργοποίησης, η θερμοκρασία καθορίζει την επιλεκτικότητα, και όπου μια πολυμερίσση τρέχει, η θερμοκρασία καθορίζει το μοριακό βάρος.ένα αλληλοκλειδί που σταματά την τροφοδοσία και εφαρμόζει πλήρη ψύξη σε υψηλή θερμοκρασία, και χωρητικότητας ανάπαυσης με μέγεθος με τη μεθοδολογία DIERS.

Ε: Πώς μπορώ να διαλέξω ανάμεσα στην λειτουργία με παρτίδα και τη συνεχή λειτουργία;

Α: Τέσσερις παράγοντες καθορίζουν.Το μέγεθος της ενέργειας είναι μικρότερο από το μέγεθος της ενέργειας.- Σκάλα προϊόντος: εάν το εργοστάσιο παράγει πολλές κλάσεις ή προϊόντα, η παρτίδα κερδίζει ευελιξία, δεδομένου ότι ένα συνεχές τρένο παράγει μεταβατικό υλικό εκτός προδιαγραφών σε κάθε αλλαγή κλάσης.Χαρακτηριστικά αντίδρασης: οι πολύ γρήγορες ή πολύ εξωθερμικές αντιδράσεις είναι ευκολότερες να ελεγχθούν συνεχώς σε έναν αντιδραστήρα μικρού όγκου, ενώ οι αργές αντιδράσεις με μεγάλο χρόνο διαμονής είναι φθηνότερες σε ένα δοχείο παρτίδας.Και σταθερότητα ποιότηταςΗ διατήρηση της αλληλεγγύης μεταξύ των εργοστασίων και της βιομηχανίαςσυνεχής αντίδραση με τελική επεξεργασία παρτίδας, ή αντίδραση παρτίδας που τροφοδοτεί ένα αδιάλειπτο σύστημα διαχωρισμού.

Ε: Ποια συστήματα ασφαλείας χρειάζεται ένας χημικός αντιδραστήρας;

Α: Η προστασία είναι σε στρώματα. Η εγγενής ασφάλεια πρώτα: επιλέξτε μια τροφοδοσία ημιπαρτίδας έτσι ώστε το μη αντιδρούμενο απόθεμα να είναι μικρό, αραιώστε τα αντιδραστήρια,και επιλέξτε ένα διαλύτη του οποίου το σημείο βρασμού υπερβαίνει τη μέγιστη θερμοκρασία- Βασικός έλεγχος διαδικασίας: θερμοκρασία, πίεση και ροή τροφοδοσίας με αυτόματο έλεγχο με συναγερμό.ένα ανεξάρτητο ταξίδι υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης που κλείνει τις τροφοδοσίες, εφαρμόζει πλήρη ψύξη και, εάν έχει σχεδιαστεί, εγχύει έναν αναστολέα αντίδρασης ή απορρίπτει τη παρτίδα σε μια δεξαμενή σβήσισης.με το φορτίο ανακούφισης που καθορίζεται με τη μεθοδολογία DIERS για την ειδική περίπτωση διαφυγής, δεδομένου ότι τα αντιδραστήρια συστήματα μπορούν να είναι αέρια, ατμόσφαιρα ή υβριδικά, και η σωστή απάντηση αλλάζει σημαντικά την απαιτούμενη έκταση.πλυντήριο ή δεξαμενή απορριμμάτων που μπορεί να δέχεται με ασφάλεια το υλικό που απελευθερώνεται αντί να το εκλύει στην ατμόσφαιρα.