化学反応器とは：種類、設計方程式、および産業用途

化学 反応器 は 何 です か: 種類,設計 方程式,工業 用法

根本的な質問に答えます化学反応器とは?制御された化学反応によって反応物質を産物に変換する容器です 設計のすべては 3つのバランスから生じるものです音量を設定するモールバランス制限を設定するエネルギーバランスです. 4つの定規構成は,バッチ反応炉です.組成が時間とともに変化し,体積は dN/dt = rV を統合すると連続混ぜたタンク原子炉,バランスは代数で,V = F (x) X (x) in / (-r) であり,出口濃度では内容が均一である;プラグ流量原子炉縦横のバランスが微分する, dV = dF/(-r) で,濃度は徐々に低下し,触媒が循環しなければならないときに使用される流体化床.アレニアス関係によって 10°C上昇ごとに 2倍になります.典型的外熱は50~250kJ/molを放出し,アディアバティック温度上昇は50~300°Cであるため,化学ではなく熱除去が原子炉を制限する原因である.

1原子炉を定義する3つのバランス

3つの方程式が常に解けます 原子炉の形状を説明します

• モールバランス:モルバランスは保存の定理である.入ってくるもの,残るものをマイナスし,消えるものをマイナスすると,蓄積するものに等しい.初期から最終的な変換から dN_A/(r_A x V) の積分です安定状態の連続混ぜたタンク反応炉では蓄積はなく,バランスは代数式である,V = F_A0 x X / (-r_A),タンク全体がその濃度で座っているため,出口濃度で評価されます.プラグフローリアクターの場合は,バランスは微分切片に書き,dV = dF_A/(-r_A) と長さに沿って統合されます.実用的な結果はよく知られています:プラスの順序の反応に対して,プラグフロー反応器は同じ変換のために CSTRよりも少ない容量が必要です.CSTRは,すべての内容を最低で最慢な濃度にすぐに希釈するので,通常は2〜10倍になります.
• 速度法則と温度依存性速度の表現はバランスを数に変換し,ほぼ常にアレニアス形である,k = A x exp ((-Ea/RT),活性化エネルギーは通常40-120kJ/molである.つまり,環境の温度が10°C上昇するごとに,この割合はほぼ倍になります.温度制御に非常に敏感になる. これは,間違った温度で設計された原子炉が大きさの順番に外れることを意味します.集中依存症は同じくらい重要です反応剤が消費されるにつれて急激に減速するので 変換の最後の数パーセントは 格段に時間がかかります完全な変換を追求する代わりにリサイクルする2つの反応が競合する場合には,選択性はそれらの速度の比に依存し,通常2つの反応が異なる活性化エネルギーを持っているため,温度は製品スケールを制御する主要なツールになります.
• エネルギーバランスと熱除去:反応の熱がゼロでない反応を起こすすべての原子炉は,熱を除去または供給しなければならない. そして,バランスは,熱発生率と,外套を通しての除去率として記述されます.,発電は容量によって大きくなり 除去は表面積によって大きくなり 原子炉が大きくなるにつれて問題は悪化します これは典型的なスケールアップの失敗です1Lのコラスで簡単に制御できる反応が5m3の容器で流れていく場合形状の流量または混合時間と反応時間の比である無寸法ダムコーラー数は,設計者にどの体制が適用されるかを教えてくれます.01 反応は運動的に制御されています設計は,独立した高温旅行,独立したユーティリティを持つ緊急冷却を含む必要があります.DIERS メソッドで測定した relief.
• 居住時間分布と実際の原子炉:実用的な原子炉は,完全にプラグ流量または完全に混合していない.トレーサを注入して出口濃度をモニターすることによって測定された居住時間分布は,離散を定量化します:CSTRは平均値と同じ幅の分布を持つ指数分解を示しますプラグフロー反応炉は狭いパルスを与え,真なる容器は真ん中に位置し,有効タンクの数を持つシリーズ型タンクモデルでモデル化されています.またはペクレット数を持つ分散モデルによってこれは,居住時間の分散が直接ポリメリゼーションにおける製品分布を拡大し,一連の反応でいくつかの分子に過剰反応し,効果的な変換を減少させるため重要です.一般的な修正は,バイパスと渦巻きを抑制するバフルです管状の原子炉では長さから直径の比が約3以上,混ぜたタンクでは連続で3〜6つの容器からなるカスケード,混ぜたタンクの混合と熱転送でプラグの流量メリットの大半を与える.

2原子炉の4つの構成と 選択方法

構成は,生産速度,熱負荷,触媒寿命,製品リストから得られます.

• バッチリアクター:精密化学,製薬,樹脂,コーティング,特殊材料で最も柔軟かつ広く使用されている.反応は温度と添加プロファイルで実行されます同じ容器で多くの製品を製造し,レシピはバッチ間調整可能で,長期滞在時間は遅い反応に適しています.充電の非生産的な時間です循環の30~60%を消費する,熱,冷却,清掃,放出,バッチからバッチへの変動,熱除去の困難,全熱負荷が短時間で放出されるので一つの反応物質を時間とともに供給する半量処理は,熱問題に対する標準的な答えであり,また選択性とポリメリゼーションにおいて分子重量に対する制御を提供します.
• 連続混ぜたタンク反応器:CSTRは連続的に供給され,放出され,出口の構成が均一になるようによく混ぜられ,安定状態で動作します.一貫した製品が得られ,制御が簡単です.粘着性のある材料やスラムをうまく処理する液相反応では,多くのポリメライゼーションや発酵のように,良い混合が必要である,または固定濃度で保持しなければならない.タンク全体が出口濃度で座っているからですCSTRは同じ作業のためにプラグフロー炉の2倍から10倍の容量が必要になりますCSTRの連続でカスケードを使用する混ぜ合わせと熱伝送の利点を維持しながら,プラグの流量優位性の多くを取り戻す.
• プラグ・フローとチューブル・リアクター:プラグフロー炉では 材料は軸間混合なしに 細いスライスとして動きます平均反応速度は CSTRよりも高い管状の原子炉は,高容量対容量比により,最大容量生産性,優れた熱伝送を単位容量あたり提供します.商品の流通を制御するために不可欠です750~870°Cで蒸気クラッキングなどの高温ガス相反応の標準であり,小径が熱流を制御可能な高速な外熱反応の標準である.選択性を破壊する反応制限は,詰まった管の高圧下降,汚れや固体への難易性,そして逃げる場所がないという事実は,管状の原子炉は 慎重に計測し 温度プロフィールが 分布されることが多いのです.
• 流体化,包装,特殊ベッド:固体触媒が使用されている場合,触媒の寿命と熱負荷によって接触モードが選択されます.しかし,熱除去が悪いので,ベッドはシャットダウンなしで変更することはできません.流体化床は 流出ガスに触媒を懸垂します優れた温度均一性と 連続的に触媒を循環させる能力500~540°Cの液体触媒クレイキングのように数秒で無効になった場合,欠かせないものです.沸騰床は,液体の上流で触媒を拡張し,オンライン交換を可能にします精密な触媒を液体中に懸垂し,優れた熱除去のために,フィッシャー・トロプシュと水素化サービスで使用されます..

化学反応器の構成比較行列

よくある質問 (FAQ)

Q: CSTRとプラグフロー炉の違いは?

混ぜます 連続混ぜたタンクリアクターは 完全に混ざっています 容量は均質で 反応物質の濃度が最低で 排放量と同じですプラグフロー反応炉は軸間混合がないプラスの反応では,プラグフロー反応器は平均的に速く,したがって小さくなります.同じ変換を達成するには CSTR よりも 2~10倍少ない容量が必要です高変換と高反応順序でギャップが拡大する.実際,エンジニアはしばしば3〜6つのCSTRを連続で使用します.優れた混合を維持しながらプラグの流れを近似するCSTRは操作が容易で安定状態をよく維持する.管状の原子炉は 圧力が下がり 汚れや脱出に敏感です.

Q:化学炉では なぜ温度制御が重要なのでしょうか?

A: 反応速度は気温とともにほぼ指数関数的に上昇するからです.典型的活性化エネルギーは40~120kJ/molで,環境の近くで10°C上昇するごとに速度は倍になります.熱外反応では,これはポジティブなフィードバックループを作り出します.反応は熱を放出し 温度が上昇し 速度が上昇し より多くの熱が放出されます溶剤を沸かせるまた,不十分な制御は,多くのプロセスにおいて,安全性よりも品質に損害を与えます.2つの競合反応が異なる活性化エネルギーを持っている場合温度が選択性を決定し,ポリメリゼーションが実行されている場合,温度が分子量を決定します.高温で完全冷却を停止するインターロックDIERS 方法によって測定された救援能力.

Q: バッチと連続運転のどちらかをどう選ぶか?

A: 4つの要因が決定します. 生産量:連続で,1つの製品に対して年間約5000~1万トンを上回るのが好ましいです.連続装置の資本と制御の複雑さを正当化するのは困難です製品・スライス: 工場が多くの品種や製品を製造している場合,連続列車では,品種変更ごとに非仕様移行材料が生産されるため,バッチは柔軟性を得る.反応特性低容量の原子炉では,非常に速いまたは非常に熱外反応を継続的に制御することが容易で,長期滞在時間の遅い反応は,バッチ容器では安価です.そして品質の一貫性:連続は,一旦ラインアウトするとより安定した製品を与えますが,バッチは,規制された産業で重要な各バッチを調整し,追跡することができます.多くの工場はハイブリッドを実行します:連続反応でバッチの仕上げ,または連続分離列を供給するバッチ反応.

Q: 化学炉にはどんな安全システムが必要ですか?

A: 保護は層面的にあります. 内在的な安全第一: 半批量供給を選択して,反応していない在庫が小さいように,反応剤を稀释します.沸点が最高温度に達する溶媒を選びます基本プロセス制御 次に: 温度,圧力,給水流がアラームで自動的に制御されます. 装置による保護:独立した高高温高高圧トリップで,フィードを閉じます.機械的保護: API 520 に準拠する解凍装置,特定の脱走事件の DIERS 方法によって決定されたリフレッシュ負荷適切な答えが要求された面積を大幅に変化させるため,反応式システムはガス型,蒸気型,ハイブリッド型であり,放出された物質を空気中に放出するのではなく安全に受け入れるスクランバーやダンプタンク.