راکتورهای برج شیمیایی صنعتی: اصول طراحی، هیدرولیک داخلی و بهینه سازی عملکرد

در پردازش شیمیایی سنگین، به حداکثر رساندن بهره وری تماس بین فاز های مایع غیر مخلوط یا متمایز یکی از مهمترین چالش های مهندسی است.راکتور برج شیمیاییرآکتور ستون عمودی که اغلب به عنوان یک رآکتور ستون عمودی شناخته می شود، راه حل استاندارد صنعت برای انتقال ماس مستمر و سنتز شیمیایی چند فاز است.

با استفاده از قدرت بالانسبت ابعاد(نسبت ارتفاع به قطر) ، این کشتی های بلند از گرانش و پویایی مایعات برای دستیابی به بازده های تبدیل بالا در یک اثر فیزیکی بسیار بهینه شده استفاده می کنند.

یک راکتور برج شیمیایی با حرکت مداوم واکنش دهنده ها از طریق مناطق داخلی متمایز برای به حداکثر رساندن تماس فاز کار می کند. همانطور که در طرح ساختاری بالا نشان داده شده است،پیکربندی های فرآیند به طور معمول دارای یک رژیم جریان ضد جریان هستند.:

• محرک گازی:گاز از طریق یک نوزل پایین وارد می شود (به عنوانگاز آلوده واردبرای برنامه های پاکسازی / جدا کردن) و به طور طبیعی به دلیل کاهش فشار یا شیب های شناوری به ستون بالا می رود.

• توزیع فاز مایع:واکنش دهنده های مایع نزدیک سر بالایی وارد می شوند (مایع پاک کننده) و از طریق یک تخصصیتوزیع کننده مایعاتمجهز به نوزل های اسپری برای اطمینان از توزیع رادیال کاملا یکنواخت در سراسر منطقه برش داخلی.

• منطقه ی تخت های بسته بندی شدهقلب این کشتی،تخت بسته بندیدر اینجا مایع یک فیلم نازک و پیوسته را بر روی بسته بندی تشکیل می دهد.به طور چشمگیری کاهش مقاومت انتقال جرم به عنوان آن را در تماس نزدیک با مرحله گاز در حال افزایش.

• جدايي از هم:قبل از ترک نوزل بالا (گاز پاک کن) جریان گاز تصفیه شده از طریق یک دستگاه ساختاری عبور می کند.دستگاه حذف مهبرای از بین بردن هر قطره مایع که در جریان است، محافظت از کمپرسورها و مبادله گرما در جریان پایین از خوردگی و آب شدن مایع.

اندازه گیری مساحت برش متقاطع یک راکتور برج شیمیایی مستلزم محاسبه تعادل هیدرولیکی دقیق است که در آن مقاومت گاز مانع از نزول فیلم مایع توسط گرانش نمی شود.سرعت گاز سطحی(ug) باید نسبت به میزان جریان گازی حجم (Qg) و ناحیه قطعی داخلی ستون محاسبه شود.

برای تعیین حجم لازم کاتالیزور فعال یا منطقه بسته بندی برای اطمینان از تکمیل مناسب واکنش،مهندسان فرآیند را محاسبه می کنندزمان اقامت(tau) که نشان دهنده متوسط مدت زمان یک واکنش دهنده در داخل منطقه فعال است:

جایی که حجم فیزیکی بستر بسته بندی است و epsilon نشان دهنده حجم داخلی استکسری خالی(درصدی از فضای باز و خالی در درون ماتریس بسته شده برای جریان مایع موجود است).

بسته به حرکات واکنش شیمیایی و تمایلات آلودگی مایع، پیکربندی داخلی پوسته ستون به طور قابل توجهی متفاوت است:

از آنجا که راکتورهای برج شیمیایی عناصر عمودی بلند و نازک هستند که در معرض دمای کار داخلی بالا و خطرات محیطی خارجی قرار دارند،مهندسي ساختاري آنها نياز به انتخاب مواد قوي دارد:

• کاهش فشار باد و لرزه ای:به خاطر پروفيل عمودي بالايشون column bases must be engineered with heavy structural support skirts fabricated from high-strength structural carbon steels (such as ASME SA-516 Grade 70) which are then securely anchored to deep concrete foundations to handle high overturning moments.

• متالورژی فرآیند:برای جدا کردن پوسته راکتور از جریان های فرآیند بسیار خوردنی، سطوح تماس شیمیایی داخلی به طور معمول از آلیاژ های جامد بالا ساخته می شوند یا با لایه های محافظ پوشش داده می شوند.فولاد ضد زنگ 316L (SS316L)به طور گسترده ای برای استفاده از اسید های آلی و آمین ها مشخص شده است، در حالی که آلیاژ های نیکل برتر ماننداستیلوی C-276برای سیستم هایی که حاوی هالوجن های تهاجمی یا اسیدهای معدنی داغ هستند انتخاب می شوند.

• پوشش فلورپولیمر:برای فرایندهای دمای محیطی تا متوسط که با اسیدهای معدنی شدید (مانند اسید هیدروکلوریک یا هیدروفلوئوریک) کار می کنند و فلزات شکست می خورند، ستون های فولادی جامد که با ترمو بند پوشیده شده اندPTFE (پلی تترافلوئوروتیلن)یاPVDF (پولی وینیلیدن فلوراید)یک موانع شیمیایی مطلق را فراهم می کند.

آیا شما یک پوسته ستون را برای واکنش کاتالیتیک در دمای بالا مشخص می کنید یا نیاز به محاسبه ارتفاع دقیق بسته بندی برای دستیابی به ضریب انتقال جرم هدف (kL a) دارید؟