یک راکتور سنتز شیمیایی چیست؟ اصول، انواع و کاربردها

جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور سنتز شیمیایی چیست و چگونه شرایط واکنش را برای به حداکثر رساندن بازده و انتخاب کنترل می کند؟A chemical synthesis reactor is a pressure vessel engineered to convert raw materials (reactants) into desired chemical products through one or more chemical reactions under precisely controlled conditions of temperature، فشار، مخلوط کردن و زمان اقامت. طراحی راکتور مستقیماً عملکرد واکنش را تعیین می کند (درصدی واکنش دهنده تبدیل به محصول مورد نظر) ،انتخابی بودن (نسبت محصولات مطلوب به محصولات ناخواسته)، و خروجی (سرعت تولید در هر واحد حجم) ، باعث می شود که انتخاب تجهیزات حیاتی در تولید شیمیایی و دارویی باشد.

1اصول اصلی عملکرد راکتورهای سنتز شیمیایی

·**کنتیک واکنش و کنترل زمان اقامت**سرعت یک واکنش شیمیایی از معادله آرنیوس پیروی می کند: k = A × e ^ ((-Ea / RT) ، که در آن k ثابت سرعت، Ea انرژی فعال سازی، R ثابت گاز و T دمای مطلق است.رآکتورهای سنتز T را با دقت ±0 کنترل می کنند.52°C برای حفظ حرکات قابل تکرار. زمان اقامت (زمان نگه داشتن دسته یا زمان جریان مداوم) تبدیل را تعیین می کند: بیش از حد کوتاه منجر به واکنش ناقص می شود،بیش از حد طولانی باعث تخریب یا عوارض جانبی می شود.

·** تماس فاز و انتقال جرم **بسیاری از واکنش های سنتز شامل چندین مرحله (گازی مایع، مایع مایع، گاز جامد مایع) است. راکتور باید فضای کافی را برای تماس و واکنش واکنش دهنده ها فراهم کند.در هیدروژنی گاز مایع، kLa (معادل انتقال جرم گازی مایع حجم) سرعت انحلال هیدروژن را تعیین می کند؛ مقادیر 0.05 × 0.5 s -1 برای راکتورهای هیدروژنی کاتالیستی معمول است.

·** مدیریت تعادل ترمودینامیک**واکنش های معکوس (استریفیکیشن، آمیداسیون) به تبدیل تعادل نزدیک می شوند که به دمای، فشار و غلظت بستگی دارد. اصل لو شاتلیه تغییر تعادل را کنترل می کند:حذف یک محصولبرای معادلات اکسوترمیک، آب از طریق دام دین استارک یا سیب های مولکولی، تبدیل را به جلو می برد.دمای پایین تر باعث تبدیل تعادل بالاتر می شود اما حرکتی آهسته تر باید این اثرات متضاد را متعادل کند.

2انواع اصلی راکتورهای سنتز شیمیایی

·** رآکتور مخزن مشتق شده (BSTR) **یک ظرف بسته که در آن تمام واکنش دهنده ها در ابتدا شارژ می شوند و محصولات در پایان تخلیه می شوند. حداکثر انعطاف پذیری را برای سنتز چند محصول و تمیز کردن آسان بین کمپین ها ارائه می دهد.دما توسط ژاکت یا کویل کنترل می شود، و سرعت مخلوط کننده شدت مخلوط را تنظیم می کند. استاندارد برای مواد شیمیایی ظریف، API های داروسازی و سنتز شیمیایی ویژه در حجم 50 تا 10،000 لیتر.

·** راکتور مخزن مخلوط مداوم (CSTR) **واکنش ها به طور مداوم تغذیه می شوند و محصولات به طور مداوم خارج می شوند، با محتوای راکتور در غلظت و دمای یکسان.و فرایندهایی که نیاز به کیفیت محصول در حالت ثابت دارند. CSTR های متعدد در سری تقریباً رفتار جریان پلاگ را در حالی که مزایای مخلوط کردن را حفظ می کنند. برای پلیمریزاسیون ، نیتراسیون و کریستالیزاسیون مستمر استفاده می شود.

·** راکتور کاتالیتیک ثابت بستر **یک ظرف لوله ای که با گوله های کاتالیزور جامد (قطر 1.5 میلی متر) بسته بندی شده است که واکنش ها از طریق آن جریان دارند.(آمونیاک) و استاندارد برای سنتز کاتالیز گازی است.کنترل دمای در واکنش های بسیار exothermic چالش برانگیز است؛ طرح های چند لوله ای با کاتالیزور در لوله ها و مایع خنک کننده در پوسته عملکرد ایزوترمی را فراهم می کند.

انواع راکتور های سنتز شیمیایی ماتریس مقایسه

سوالات متداول (FAQ)

چه چیزی انتخاب را بین راکتورهای تولید دسته ای و تولید مداوم تعیین می کند؟

راکتورهای دسته ای برای تاسیسات چند محصول، تولید حجم کوچک و واکنش هایی که نیاز به شرایط مختلف در مراحل مختلف دارند (به عنوان مثال، اضافه کردن واکنشگر متوالی) ترجیح داده می شوند.راکتورهای مستمر برای محصولات حجم بزرگ با تقاضای پایدار ترجیح می دهند، مواد شیمیایی خطرناک که نیاز به موجودی کوچک دارند و واکنش هایی که نیاز به کنترل دقیق زمان اقامت دارند. حجم تعادل برای مداوم در مقابل دسته معمولاً 500 5 است.000 تن در سال برای مواد شیمیایی ظریف.

نقش انرژی فعال سازی در طراحی راکتور چیست؟

انرژی فعال سازی (Ea) تعیین می کند که سرعت واکنش به تغییرات دمایی چقدر حساس است. یک واکنش با Ea 80 kJ / mol برای هر افزایش دمای 10 ° C دو برابر خواهد شد.این حساسیت به این معنی است که یک نقطه داغ در یک راکتور می تواند باعث فرار حرارتی شودطراحی راکتور باید تضمین کند که ظرفیت حذف گرما همیشه از حداکثر تولید گرما با حاشیه ایمنی 1.5 × 2.0 × بیشتر باشد.

انتخاب کاتالیزور در راکتورهای سنتز چگونه اندازه گیری می شود؟

انتخابی بودن به عنوان نسبت محصول مورد نظر به واکنش دهنده مصرف شده تعریف می شود، که به صورت درصد بیان می شود.اگر 100 مول واکنش دهنده 85 مول محصول مورد نظر و 15 مول محصول جانبی را تولید کنددر سنتز های چند مرحله ای، انتخابی در هر مرحله چند برابر می شود:سه مرحله متوالی با انتخاب 90% هر کدام فقط 73% انتخاب کلی را به دست می آورند..

تفاوت کاتالیز همگن و ناهمگن در راکتورهای سنتز چیست؟

در کاتالیز همگن، کاتالیزور در همان فاز با واکنش دهنده ها حل می شود (به عنوان مثال، کاتالیز اسیدی در استریفیکیشن فاز مایع)ارائه تماس یکنواخت اما نیاز به جدایی کاتالیزوردر کاتالیز ناهمگن، کاتالیزور یک فاز جامد جداگانه است (به عنوان مثال، Pd / C در هیدروژنی) ، که جداسازی آسان را با فیلتر کردن امکان پذیر می کند اما محدودیت های انتقال جرم را معرفی می کند.اکثر راکتورهای سنتز صنعتی از کاتالیزورهای ناهمگن برای بازیابی و بازیافت کاتالیزورها استفاده می کنند..