เครื่องปฏิกิริยาในโรงงาน คืออะไร: ฟังก์ชัน, ประเภท และบทบาทในโรงงานแปรรูป

เครื่องปฏิกรณ์ในโรงงานคืออะไร?เครื่องปฏิกรณ์คือภาชนะในโรงงานผลิตที่วัตถุดิบถูกจงใจเปลี่ยนเป็นสารที่แตกต่างและมีคุณค่ามากกว่าโดยปฏิกิริยาเคมีหรือชีวเคมีที่ได้รับการควบคุม ทุกสิ่งทุกอย่างในโรงงานมีไว้เพื่อเลี้ยงมัน แยกออกจากมัน หรือทำให้ผลผลิตของมันบริสุทธิ์ สิ่งที่ทำให้เครื่องปฏิกรณ์แตกต่างจากถังธรรมดาคือขนาดและรูปร่างถูกกำหนดโดยเครื่องชั่งสามเครื่องที่แก้ไขร่วมกัน ได้แก่ สมดุลแบบโมลที่แก้ไขปริมาตร กฎอัตราที่กำหนดเวลา และสมดุลพลังงานที่มักจะกำหนดขีดจำกัด เนื่องจากอัตราปฏิกิริยาประมาณสองเท่าทุกๆ 10°C ที่เพิ่มขึ้น และคายความร้อนโดยทั่วไปจะปล่อย 50-250 kJ/mol โดยมีอุณหภูมิอะเดียแบติกเพิ่มขึ้น 50-300°C การกำหนดค่าสี่แบบที่พบในโรงงาน ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนแบบต่อเนื่อง เครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์ และฟลูอิไดซ์เบด และตัวเลือกระหว่างเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับอัตราการผลิต โหลดความร้อน และหินชนวนของผลิตภัณฑ์มากกว่าตามความชอบ

งานของเครื่องปฏิกรณ์คือการป้อนอาหารและส่งมอบผลิตภัณฑ์ตามการเปลี่ยนแปลง ความสามารถในการเลือกสรร และคุณภาพที่กำหนดไว้ และความเป็นจริงทางกายภาพสามประการจะตัดสินใจว่าจะบรรลุผลดังกล่าวได้อย่างไร:

• การแปลงอาหารสัตว์ให้เป็นผลิตภัณฑ์โดยเคมีควบคุม:ในโรงงานปุ๋ย เครื่องปฏิกรณ์จะเปลี่ยนแอมโมเนียและคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นยูเรีย ในโรงงานโพลีเมอร์ เครื่องปฏิกรณ์จะสร้างสายโซ่ยาวจากโมโนเมอร์ และในโรงกลั่นชีวภาพ เครื่องหมักจะขยายเซลล์ที่สร้างผลิตภัณฑ์ เครื่องปฏิกรณ์เป็นขั้นตอนในการเพิ่มมูลค่า: หน่วยต้นน้ำ เช่น การกลั่นหรือการตกผลึก จะแยกเฉพาะและทำให้สิ่งที่เครื่องปฏิกรณ์สร้างขึ้นบริสุทธิ์เท่านั้น นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมโรงงานจึงได้รับการออกแบบรอบๆ เครื่องปฏิกรณ์ โดยมีการจัดเรียงเครื่องปฏิกรณ์ การแยก และวงจรรีไซเคิลเพื่อให้ฟีดที่ไม่ทำปฏิกิริยาถูกส่งคืน แทนที่จะทิ้งไป เนื่องจากการบรรลุการแปลงสภาพที่สมบูรณ์ในรอบเดียวมักจะไม่ประหยัด และปฏิกิริยาหลายอย่างมีข้อจำกัดที่สมดุล ดังนั้น 90-98% การแปลงรอบเดียวด้วยการรีไซเคิลจึงเป็นเรื่องปกติ
• เก็บปฏิกิริยาไว้ในซองที่ปลอดภัย:เนื่องจากอัตราจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล เครื่องปฏิกรณ์จึงถือเป็นอันตรายหลักของโรงงานด้วย ปฏิกิริยาคายความร้อนจะปล่อยความร้อนที่ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งเร่งให้เกิดปฏิกิริยา ซึ่งจะปล่อยความร้อนออกมามากขึ้น หากไม่มีการกำจัดอย่างเหมาะสม สารแบทช์จะไหลออกไป ทำให้ตัวทำละลายเดือด เพิ่มความดันเกินขีดจำกัดของภาชนะ และสามารถสลายสารที่อยู่ภายในได้ เครื่องปฏิกรณ์ในโรงงานจึงมีชั้นป้องกันที่เป็นอิสระหลายชั้น: อุณหภูมิอัตโนมัติและการควบคุมอุณหภูมิการป้อน ทริปที่อุณหภูมิสูงอย่างอิสระที่หยุดการป้อนและใช้การทำความเย็นแบบเต็ม การทำความเย็นฉุกเฉินบนยูทิลิตี้ที่แยกจากกัน และการบรรเทาความดันตามขนาดโดยวิธี DIERS สำหรับกรณีปฏิกิริยาเฉพาะ รูปทรงของภาชนะ พื้นที่หุ้มหรือคอยล์ และตำแหน่งของเซ็นเซอร์อุณหภูมิล้วนถูกเลือกเพื่อให้สามารถขจัดความร้อนที่เกิดขึ้นได้ทุกจุดในภาชนะ ไม่ใช่แค่โดยเฉลี่ย
• การตั้งค่าคุณภาพผลิตภัณฑ์ตามเวลาที่อยู่อาศัยและการผสม:เครื่องปฏิกรณ์ไม่เพียงแต่ตัดสินใจว่าจะมีรูปแบบผลิตภัณฑ์มากน้อยเพียงใด แต่ยังตัดสินใจว่ารูปแบบใดของผลิตภัณฑ์อีกด้วย ในกรณีที่ปฏิกิริยาสองปฏิกิริยาแข่งขันกัน อัตราส่วนของพวกมันจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้น ดังนั้นโปรไฟล์อุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์จะเลือกแผ่นชนวนของผลิตภัณฑ์ และในกระบวนการโพลีเมอไรเซชัน จะตั้งค่าน้ำหนักโมเลกุล และคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความแข็งแรงและดัชนีการหลอมละลาย การกระจายเวลาที่อยู่อาศัยมีความสำคัญเท่าเทียมกัน: ภาชนะจริงเบี่ยงเบนไปจากการผสมในอุดมคติเสมอ และการแพร่กระจายจะทำให้การกระจายผลิตภัณฑ์กว้างขึ้น ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลบางส่วนมากเกินไป และลดการแปลงที่มีประสิทธิภาพลง โรงงานต่างๆ จัดการสิ่งนี้โดยมีความยาวถึงเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 3 สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อ แผ่นกั้นเพื่อระงับบายพาส และถังกวนแบบเรียงซ้อนสามถึงหกถังในซีรีส์ที่ต้องการพฤติกรรมการไหลของปลั๊กโดยไม่ทำให้การผสมและการถ่ายเทความร้อนลดลง

การกำหนดค่าสี่แบบครอบคลุมหน้าที่ในโรงงานเกือบทั้งหมด และแต่ละแบบได้รับเลือกด้วยเหตุผลเฉพาะ:

• เครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์:มีความยืดหยุ่นมากที่สุดและพบได้บ่อยที่สุดในสารเคมีชั้นดี ยา เรซิน และสินค้าเฉพาะทาง สารตั้งต้นจะถูกชาร์จ ปฏิกิริยาจะดำเนินการผ่านอุณหภูมิและโปรไฟล์การเติม และสารที่อยู่ภายในจะถูกปล่อยออกมา จุดแข็งของมันคือความยืดหยุ่น ภาชนะเดียวกันสร้างผลิตภัณฑ์ได้มากมาย และระยะเวลาการคงตัวที่ยาวนานเหมาะสมกับปฏิกิริยาที่ช้า การทำงานแบบกึ่งชุด โดยที่ตัวทำปฏิกิริยาตัวหนึ่งจะถูกป้อนเมื่อเวลาผ่านไป จะควบคุมการปล่อยความร้อนและการเลือก จุดอ่อนของมันคือเวลาที่ไม่ได้ผลิตผล การชาร์จ การทำความร้อน การทำความเย็น การทำความสะอาด และการคายประจุอาจใช้ 30-60% ของวงจร และความแปรปรวนแบบแบทช์ต่อแบทช์ ซึ่งเป็นสาเหตุที่อุตสาหกรรมที่ได้รับการควบคุมเพิ่มเอกสารประกอบที่ครอบคลุม
• เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนแบบต่อเนื่อง:ป้อนและระบายอย่างต่อเนื่อง ผสมกันอย่างลงตัวเพื่อให้เนื้อหาอยู่ทุกที่ที่ความเข้มข้นของทางออก ช่วยให้ได้ผลิตภัณฑ์สม่ำเสมอ ควบคุมง่ายและจัดการสารละลายได้ดี ซึ่งทำให้เป็นธรรมชาติสำหรับการเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์และการหมัก บทลงโทษคือปริมาตร: เนื่องจากถังทั้งหมดอยู่ที่ความเข้มข้นทางออกที่ช้าที่สุด CSTR จึงต้องการปริมาตรมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบปลั๊กโฟลว์สองถึงสิบเท่าสำหรับงานเดียวกัน พืชสามารถฟื้นตัวได้มากด้วย CSTR สามถึงหกชุดต่ออนุกรมกัน ซึ่งได้รับประโยชน์จากการไหลของปลั๊กส่วนใหญ่ ในขณะที่ยังคงรักษาการผสมของถังกวนและการถ่ายเทความร้อน
• Plug Flow และ Tubular Reactor:วัสดุเคลื่อนที่ผ่านเป็นชิ้นบางๆ โดยไม่มีการผสมตามแนวแกน ดังนั้นความเข้มข้นจึงลดลงเรื่อยๆ ตามความยาว และอัตราเฉลี่ยจะสูงกว่าใน CSTR เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อให้ผลผลิตเชิงปริมาตรสูงสุดและการถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยปริมาตรได้ดีเยี่ยมจากอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จึงเป็นมาตรฐานสำหรับปฏิกิริยาเฟสก๊าซอุณหภูมิสูง เช่น การแตกตัวของไอน้ำที่ 750-870°C และสำหรับปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรวดเร็ว ข้อจำกัดได้แก่ แรงดันตกที่สูงกว่าสำหรับหลอดบรรจุ ความยากลำบากในการเปรอะเปื้อนและของแข็ง และความจริงที่ว่าของเหลวที่ไหลหนีไม่มีที่ที่จะกระจายออกไป ดังนั้น พวกเขาจึงต้องใช้เครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบกระจายอย่างระมัดระวัง
• เตียงฟลูอิไดซ์ แบบบรรจุ และแบบพิเศษ:ในกรณีที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง โหมดการสัมผัสจะเป็นไปตามอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาและภาระความร้อน เบดแบบตายตัวหรือแบบบรรจุนั้นเรียบง่ายและให้พฤติกรรมการไหลของปลั๊ก แต่ไม่สามารถเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาได้หากไม่มีการปิดระบบ เหมาะสำหรับฟีดที่สะอาดด้วยอายุการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งถึงห้าปี ฟลูอิไดซ์เบดจะระงับตัวเร่งปฏิกิริยาในก๊าซที่ไหลขึ้น ทำให้มีการทำงานที่เกือบจะเป็นอุณหภูมิคงที่และการไหลเวียนของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาหยุดทำงานภายในไม่กี่วินาที เช่นเดียวกับในการแตกตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาของไหลที่อุณหภูมิ 500-540°C โดยมีต้นทุนการขัดสีและการเคลื่อนที่ของพายุไซโคลน คอลัมน์สารละลายหรือฟองจะระงับตัวเร่งปฏิกิริยาละเอียดในของเหลวเพื่อการกำจัดความร้อนที่ดีเยี่ยม และใช้ในการไฮโดรจิเนชันและบริการของ Fischer-Tropsch