یک راکتور در یک کارخانه چیست: عملکرد، انواع و نقش در کارخانه های فرآوری

راکتور در یک کارخانه چیست؟رآکتور ظرفی است در یک کارخانه تولید که در آن مواد خام عمداً توسط یک واکنش شیمیایی یا بیوشیمیایی کنترل شده به ماده ای متفاوت و با ارزش تر تبدیل می شوند. هر چیز دیگری در گیاه برای تغذیه آن، جداسازی یا تصفیه خروجی آن وجود دارد. چیزی که یک راکتور را از یک مخزن ساده متمایز می‌کند این است که اندازه و شکل آن توسط سه تعادل حل شده با هم تنظیم می‌شود: تعادل مول که حجم را ثابت می‌کند، یک قانون نرخ که زمان را ثابت می‌کند، و یک تعادل انرژی که معمولاً حد را تعیین می‌کند، زیرا سرعت واکنش تقریباً به ازای هر افزایش 10 درجه سانتی‌گراد دو برابر می‌شود و گرمازاهای معمولی 50-250 کیلوژول در مول در مول با افزایش 50 دی‌باتیک دما آزاد می‌کنند. چهار پیکربندی موجود در کارخانه‌ها عبارتند از: راکتور دسته‌ای، راکتور مخزن هم‌زن پیوسته، راکتور جریان پلاگین و بستر سیال، و انتخاب بین آن‌ها بر اساس نرخ تولید، بار حرارتی و تخته محصول انجام می‌شود تا ترجیح.

وظیفه یک راکتور گرفتن خوراک و ارائه یک محصول با تبدیل، گزینش و کیفیت تعریف شده است، و سه واقعیت فیزیکی تصمیم می‌گیرند که چگونه به دست آید:

• تبدیل خوراک به محصول توسط شیمی کنترل شده:در کارخانه کود، راکتور آمونیاک و دی اکسید کربن را به اوره تبدیل می کند، در کارخانه پلیمری زنجیره های بلندی را از مونومرها می سازد، و در یک پالایشگاه زیستی، یک تخمیر سلول هایی را رشد می دهد که محصول را می سازند. راکتور مرحله ارزش افزوده است: واحدهای بالادستی مانند تقطیر یا کریستالیزاسیون تنها آنچه را که راکتور ایجاد می کند جدا و خالص می کنند. به همین دلیل است که نیروگاه‌ها در اطراف راکتور طراحی می‌شوند و راکتورها، حلقه‌های جداسازی و بازیافت چیده شده‌اند تا خوراک واکنش نداده به جای دور ریختن برگردانده شود، زیرا دستیابی به تبدیل کامل در یک پاس معمولاً غیراقتصادی است و بسیاری از واکنش‌ها محدود به تعادل هستند، بنابراین 90 تا 98 درصد تبدیل تک‌گذری با چرخه مجدد عادی است.
• نگه داشتن واکنش در پاکت امن آن:از آنجایی که نرخ ها به طور نمایی وابسته به دما هستند، راکتور همچنین خطر اصلی نیروگاه است. یک واکنش گرمازا گرما را آزاد می کند که باعث افزایش دما می شود، که واکنش را تسریع می کند و گرمای بیشتری آزاد می کند. بدون حذف کافی، دسته فرار می کند، حلال را می جوشاند، فشار را فراتر از حد ظرف افزایش می دهد و می تواند محتویات را تجزیه کند. بنابراین یک راکتور کارخانه چندین لایه محافظ مستقل دارد: کنترل دما و تغذیه خودکار، یک سفر مستقل در دمای بالا که تغذیه را متوقف می‌کند و خنک‌سازی کامل را اعمال می‌کند، خنک‌سازی اضطراری در یک ابزار جداگانه، و کاهش فشار با اندازه روش DIERS برای مورد واکنشی خاص. هندسه ظرف، ناحیه ژاکت یا سیم پیچ و محل سنسور دما همگی به گونه ای انتخاب شده اند که گرمای تولید شده همیشه در هر نقطه از ظرف حذف شود، نه فقط به طور متوسط.
• تنظیم کیفیت محصول از طریق زمان اقامت و مخلوط کردن:راکتور نه تنها تعیین می کند که چه مقدار محصول شکل می گیرد، بلکه تصمیم می گیرد که کدام محصول تشکیل شود. در جایی که دو واکنش با هم رقابت می کنند، نسبت آنها به دما و غلظت بستگی دارد، بنابراین مشخصات دمایی راکتور صفحه محصول را انتخاب می کند و در پلیمریزاسیون وزن مولکولی و بنابراین خواصی مانند قدرت و شاخص مذاب را تعیین می کند. توزیع زمان اقامت به همان اندازه اهمیت دارد: یک ظرف واقعی همیشه از اختلاط ایده‌آل منحرف می‌شود، و این گسترش توزیع محصول را گسترش می‌دهد، برخی مولکول‌ها را بیش از حد واکنش نشان می‌دهد و تبدیل مؤثر را کاهش می‌دهد. کارخانه‌ها این را با طول تا قطر بالاتر از 3 برای راکتورهای لوله‌ای، حفره‌هایی برای مهار دور زدن، و آبشارهای سه تا شش مخزن همزن به‌صورت سری که رفتار جریان پلاگین بدون به خطر انداختن اختلاط و انتقال حرارت مورد نیاز است، مدیریت می‌کنند.

چهار پیکربندی تقریباً تمام وظایف کارخانه را پوشش می دهد و هر کدام به دلیل خاصی انتخاب می شوند:

• راکتور دسته ای:انعطاف پذیرترین و رایج ترین در مواد شیمیایی خوب، داروسازی، رزین ها و تخصص ها. واکنش‌دهنده‌ها شارژ می‌شوند، واکنش از طریق مشخصات دما و افزودن انجام می‌شود و محتویات تخلیه می‌شوند. قدرت آن انعطاف پذیری است، همان کشتی محصولات زیادی تولید می کند، و زمان اقامت طولانی برای واکنش های آهسته مناسب است. عملیات نیمه دسته ای، که در آن یک واکنش دهنده در طول زمان تغذیه می شود، انتشار گرما و گزینش پذیری را کنترل می کند. نقاط ضعف آن عبارتند از: زمان غیرمولد، شارژ، گرمایش، سرمایش، تمیز کردن و تخلیه می تواند 30 تا 60 درصد از چرخه را مصرف کند، و تنوع دسته به دسته، به همین دلیل است که صنایع تحت نظارت اسناد گسترده ای را اضافه می کنند.
• راکتور مخزن همزن پیوسته:به طور مداوم تغذیه و تخلیه می شود، کاملاً مخلوط می شود تا محتویات در همه جا در غلظت خروجی قرار گیرند. این محصول ثابت می دهد، کنترل آن آسان است و دوغاب ها را به خوبی مدیریت می کند، که آن را برای پلیمریزاسیون و تخمیر طبیعی می کند. جریمه آن حجم است: از آنجایی که کل مخزن در کندترین غلظت خروجی قرار می گیرد، یک CSTR برای همان کار به دو تا ده برابر حجم یک راکتور جریان برقی نیاز دارد. گیاهان بیشتر آن را با آبشاری از سه تا شش CSTR به صورت سری بازیابی می‌کنند، و در عین حال اختلاط مخزن همزده و انتقال حرارت را حفظ می‌کنند.
• راکتور Plug Flow و Tubular:مواد به صورت برش‌های نازک بدون اختلاط محوری حرکت می‌کنند، بنابراین غلظت به تدریج در طول طول کاهش می‌یابد و میانگین نرخ بالاتر از یک CSTR است. راکتورهای لوله ای بالاترین بهره وری حجمی و انتقال حرارت عالی را در واحد حجم از نسبت سطح به حجم بالا ارائه می دهند، به همین دلیل است که آنها برای واکنش های فاز گازی با دمای بالا مانند ترک خوردگی بخار در دمای 750-870 درجه سانتی گراد و برای واکنش های گرمازا سریع استاندارد هستند. محدودیت‌ها عبارتند از افت فشار بیشتر برای لوله‌های بسته، مشکل رسوب‌گیری و مواد جامد، و این واقعیت که یک فراری جایی برای پراکندگی ندارد، بنابراین آنها به ابزار دقیق دمای توزیع شده نیاز دارند.
• تخت های سیال، بسته بندی شده و تخصصی:در جایی که یک کاتالیزور جامد درگیر است، حالت تماس از عمر کاتالیزور و بار حرارتی پیروی می کند. یک بستر ثابت یا بسته ساده است و رفتار جریان پلاگین را نشان می‌دهد، اما نمی‌تواند کاتالیزور را بدون خاموش شدن تغییر دهد، و متناسب با تغذیه تمیز با عمر کاتالیست یک تا پنج سال است. یک بستر سیال، کاتالیزور را در گاز در حال جریان معلق می‌کند و عملکرد تقریبا همدما و گردش مداوم کاتالیست را ایجاد می‌کند، که وقتی کاتالیزور در چند ثانیه غیرفعال می‌شود، مانند ترک‌های کاتالیستی سیال در دمای 500-540 درجه سانتی‌گراد، به قیمت ساییدگی و حباب سیکلون ضروری است. دوغاب یا ستون حباب، کاتالیزور ریز را در مایع برای حذف حرارت عالی معلق می کند و در هیدروژناسیون و خدمات فیشر-تروپش استفاده می شود.