یک راکتور شیمیایی چیست؟ اصول، انواع و کاربردها

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور شیمیایی چیست و چگونه طراحی آن تبدیل مواد خام به محصولات شیمیایی را کنترل می کند؟یک راکتور شیمیایی یک ظرف یا سیستم است که در آن واکنش های شیمیایی در شرایط کنترل شده دمای، فشار، مخلوط،و زمان اقامت برای تبدیل مواد اولیه (ریاکتانت ها) به محصولات مورد نظررآکتور قلب هر فرآیند شیمیایی است: طراحی آن سرعت واکنش (چقدر سریع محصولات تشکیل می شوند) ، تبدیل (کمی از واکنش مصرف می شود) ،انتخابی بودن (نسبت محصولات مطلوب به محصولات ناخواسته)، و بهره وری (مقدار محصول مورد نظر در هر واحد واکنش دهنده تغذیه شده). تمام عملیات واحد پایین رودخانه ◄ جداسازی، تصفیه، فرمولاسیون ◄ در اطراف تولید راکتور طراحی شده است.

1اصول اصلی عملکرد راکتورهای شیمیایی

·** تعادل جرم و انرژی **معادلات طراحی اساسی از حفظ جرم و انرژی مشتق می شوند. برای هر راکتور: ورودی − خروجی + تولید − مصرف = انباشت. در حالت ثابت (راکتورهای پیوسته) ،انباشت برابر با صفر استدر مورد راکتورهای دسته ای، مدت انباشت وابسته به زمان، پیشرفت واکنش را تعیین می کند. تعادل انرژی باید گرمای واکنش (ΔHr) را در نظر بگیرد که می تواند exothermic (گرمایی آزاد شده، گرمای آزاد شده، گرمای آزاد شده) باشد.ΔH < 0) یا اندوترم (حرارتی جذب شده)، ΔH > 0) ، و نیاز به حذف گرما یا عرضه متناسب برای حفظ دمای مورد نظر دارد.

·**کنتیک واکنش و قوانین سرعت**سرعت واکنش بستگی به غلظت واکنش دهنده، درجه حرارت و فعالیت کاتالیزور دارد که به صورت r = k × C ^ n که در آن k ثابت سرعت است (به دنبال Arrhenius: k = A × e ^ ((-Ea / RT)) بیان می شود.C غلظت است, و n ترتیب واکنش است. طراحی راکتور باید زمان اقامت کافی را برای تبدیل مطلوب در دمای عملیاتی فراهم کند. برای یک واکنش درجه اول در 90٪ تبدیل،زمان اقامت مورد نیاز t = -ln ((0.1) /k = 2.3/k. حساسیت دمایی بالا است: افزایش 10 °C به طور معمول دو برابر می شود.

·** مدل های رآکتور ایده آل **سه مدل ایده آل به عنوان خطوط پایه طراحی خدمت می کنند: (1) شوروی راکتور ٪ غلظت یکنواخت، با گذشت زمان تغییر می کند؛ (2) CSTR ٪ غلظت یکنواخت برابر با غلظت خروجی، در حالت ثابت؛(3) غلظت PFR در طول طول تغییر می کندبرای همان تبدیل، یک PFR نیاز به حجم کمتر از یک CSTR برای واکنش های نظم مثبت دارد زیرا نرخ واکنش متوسط (به دلیل غلظت متوسط بالاتر) بیشتر است.راکتورهای واقعی به این ایده آل ها در درجه های مختلف نزدیک می شوند..

2انواع اصلی راکتورهای شیمیایی

·** رآکتور مخزن مخلوط شده **ظرف بسته ای که با واکنش دهنده ها شارژ شده و به صورت ایزوترمی یا با پروفایل های دمایی برنامه ریزی شده کار می کند و پس از رسیدن به تبدیل هدف واکنش تخلیه می شود.حداکثر انعطاف پذیری برای امکانات چند محصول. تبدیل با زمان دسته افزایش می یابد؛ اگر واکنش های جانبی قابل توجه باشند، انتخاب پذیری ممکن است کاهش یابد. استاندارد برای مواد شیمیایی ظریف، داروسازی و مواد شیمیایی تخصصی. حجم از 50 لتر تا 20 لتر،000 لیتری.

·** راکتور مخزن مخلوط مداوم (CSTR) **واکنش دهنده ها به طور مداوم تغذیه می شوند و محصولات خارج می شوند، با محتویات ظرف در غلظت یکنواخت و دمای برابر با جریان خروجی.تبدیل با زمان اقامت تعیین می شود (τ = V/F). چندین CSTR در سری رفتار تقریبی جریان پلاگ را در حالی که مزایای مخلوط کردن عملیات مخلوط شده را حفظ می کند. استاندارد برای پلیمریزاسیون، خنثی سازی و کریستالیزاسیون مستمر.

·** راکتور لوله ای / جریان پلگ (PFR) **یک ظرف لوله ای طولانی که در آن غلظت و درجه حرارت در طول طول تغییر می کند اما در هر برش متناوب است. بالاترین تبدیل در واحد حجم را برای واکنش های نظم مثبت به دست می آورد.می تواند آدیاباتیک باشد (دما با تبدیل برای واکنش های exothermic افزایش می یابد) یا با تبادل گرما (طراحی چند لوله ای برای کنترل درجه حرارت)استاندارد برای واکنش های کاتالیز گازی، پلیمر سازی و پردازش پتروشیمی.

انواع راکتورهای شیمیایی ماتریس مقایسه

سوالات متداول (FAQ)

تفاوت اساسی میان یک راکتور دسته و یک راکتور مداوم چیست؟

در یک راکتور دسته، واکنش دهنده ها در آغاز بارگذاری می شوند و محصولات در پایان هر چرخه تخلیه می شوند؛ غلظت در طول زمان تغییر می کند. در یک راکتور مداوم (CSTR یا PFR) ،واکنش دهنده ها به طور مداوم تغذیه می شوند و محصولات به طور مداوم خارج می شوند.در حالت ثابت، شرایط در طول زمان ثابت است. راکتورهای دسته ای حداکثر انعطاف پذیری را ارائه می دهند و برای فرآیندهای حجم کوچک یا چند محصول ترجیح می دهند.رآکتورهای مستمر تولیدات بیشتری در هر واحد حجم دارند و برای فرآیندهای تولید یک محصول بزرگ ترجیح می دهند..

چرا یک PFR تبدیل بالاتر از یک CSTR برای همان حجم را به دست می آورد؟

در PFR، واکنش در امتداد طول لوله رخ می دهد، با بالاترین غلظت واکنش دهنده در ورودی و کاهش غلظت به سمت خروجی.متوسط سرعت واکنش (تعادل با غلظت برای واکنش های مثبت) بالاتر از CSTR است.، که در آن کل راکتور در غلظت پایین خروجی کار می کند. این بدان معنی است که PFR همان تبدیل را با حجم کمتر یا تبدیل بالاتر را با همان حجم به دست می آورد.مزیت با ترتیب واکنش و تبدیل هدف افزایش می یابد.

رابطه بین دمای هوا و سرعت واکنش چیست؟

معادله آرنیوس (k = A × e ^ ((-Ea / RT)) نشان می دهد که ثابت نرخ k با افزایش دمای نمایی افزایش می یابد.افزایش ۱۰ درجه سانتیگراد در حدود ۲۵ درجه سانتیگراد تقریبا سرعت واکنش را دو برابر می کند.این حساسیت به این معنی است که کنترل دمای بسیار مهم است: یک نقطه گرم 5 ° C در یک راکتور exothermic می تواند باعث افزایش نرخ محلی 30٪ 50٪ شود.که منجر به شرایط فرار می شود اگر حذف گرما کافی نباشد..

چه عواملی انتخاب نوع راکتور را برای یک فرآیند جدید تعیین می کنند؟

فاکتورهای کلیدی عبارتند از: (1) جنبشی واکنش ◄ واکنش های سریع به نفع مداوم هستند؛ واکنش های آهسته ممکن است برای زمان اقامت عملی به دسته نیاز داشته باشند.(2) حجم تولید ٫ حجم های بزرگ به طور مداوم برای بهره وری مفید است3) ترکیب محصولات ◄ امکانات چند محصول به منظور انعطاف پذیری به دسته ترجیح می دهند؛ 4) واکنش های سیستم فازی ◄ فاز گازی معمولاً از راکتورهای لوله ای استفاده می کنند؛ فاز مایع ممکن است از مخازن مخلوط شده استفاده کند.(5) اثرات حرارتی­ واکنش های بسیار فراطبیعی نیاز به انتقال گرما کارآمد دارند (میکرو راکتورها(6) ایمنی: جریان مستمر با موجودی کوچک برای مواد شیمیایی خطرناک امن تر است.