Một lò phản ứng hóa học được sử dụng để làm gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng hóa học được sử dụng để làm gì?Một lò phản ứng hóa học được sử dụng để chuyển đổi nguyên liệu thô thành một sản phẩm mong muốn bằng cách thực hiện một phản ứng hóa học được kiểm soát ở quy mô công nghiệp. Nó thực hiện bốn chức năng mà một bể đơn giản không thể:Nó chứa phản ứng an toàn trong một áp suất và nhiệt độ định mức, nó đưa các chất phản ứng lại với nhau ở quy mô phân tử thông qua trộn, nó thêm hoặc loại bỏ nhiệt để giữ nhiệt độ trên đường dẫn tối ưu của nó,và nó giữ vật liệu cho thời gian cư trú chính xác để phản ứng thay vì thời gian giới hạn kết quảCác lò phản ứng hoạt động từ -50 đến 500 °C, từ chân không đầy đủ đến 35 MPa, và với thời gian cư trú từ vài giây đến 24 giờ.

1Bốn chức năng của lò phản ứng hóa học

Mỗi lò phản ứng, từ một đơn vị phòng thí nghiệm 5L đến một thùng sản xuất 300 m3, tồn tại để thực hiện cùng bốn công việc.và kích động cách họ là:

• Kiểm soát và an toàn:Một lò phản ứng là một ranh giới áp suất được xây dựng theo một mã được công nhận như ASME VIII Division 1 hoặc EN 13445, được đánh giá cho áp suất và nhiệt độ tối đa mà phản ứng có thể đạt được, bao gồm trường hợp chạy trốn.Nó cũng phải chứa vật liệu nguy hiểm, độc hại hoặc dễ cháy và cung cấp một con đường cứu trợ khẩn cấp có kích thước theo phương pháp DIERS để phản ứng chạy trốn có thể thoát an toàn thay vì phá vỡ vỏ.Chức năng chứa này là lý do tại sao lò phản ứng tốn kém hơn nhiều mỗi mét khối so với các bể lưu trữ cùng kích thước, và tại sao họ mang theo hồ sơ thiết kế, hàn và thử nghiệm được ghi lại.
• Trộn và tiếp xúc:Các chất phản ứng phải đáp ứng nhau ở quy mô phân tử. Đối với chất lỏng có thể pha trộn, điều này có nghĩa là pha trộn hỗn loạn;Đối với phản ứng khí-nước như hydro hóa, nó có nghĩa là phân tán khí thành bong bóng để tạo ra diện tích giao diệnĐối với các phản ứng xúc tác bằng chất rắn, nó có nghĩa là giữ chất xúc tác lơ lửng và chất lỏng chảy qua giường;và đối với các chất lỏng không pha trộn nó có nghĩa là tạo ra một phân phối kích thước giọt đủ lớn để tách ra sau nhưng đủ nhỏ để phản ứng ngay bây giờNăng lượng trộn được thể hiện bằng công suất mỗi khối lượng, thường là 0,2-5 kW / m3 cho các hệ thống chất lỏng, và nó thường là sự khác biệt giữa 60% và 95% chuyển đổi.
• Quản lý nhiệt:Gần như mọi phản ứng công nghiệp giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt, và nhiều giải phóng rất nhiều: polymerization của ethylene giải phóng khoảng 100 kJ / mol, nitration có thể vượt quá 150 kJ / mol,và hydrogen hóa các chất thơm đạt 200-300 kJ/molNếu nhiệt đó không được loại bỏ với tốc độ nó được tạo ra, nhiệt độ tăng, tốc độ tăng theo cấp số nhân, và lò phản ứng chạy ra ngoài.Vòng mạch lưu thông bên ngoài, hoặc bộ ngưng tụ trào ngược, và trong các phản ứng ngoại nhiệt nhanh, khả năng loại bỏ nhiệt, chứ không phải động lực phản ứng, thiết lập tốc độ sản xuất tối đa.
• Thời gian cư trú và chuyển đổi:Mức độ phản ứng phụ thuộc vào thời gian vật liệu ở nhiệt độ. Đối với phản ứng thứ nhất, chuyển đổi X = 1 - exp ((-k·tau), vì vậy 95% chuyển đổi cần k·tau 3.0 và 99% cần 4.6Quá ít thời gian để lại nguyên liệu và chất thải không chuyển đổi khả năng phân tách; quá nhiều thời gian làm suy thoái sản phẩm hoặc hình thành các sản phẩm phụ trong các phản ứng liên tiếp.Đây là lý do tại sao sự phân bố thời gian cư trú quan trọng: một lò phản ứng dòng chảy cắm cung cấp cho mỗi phân tử gần như cùng một thời gian, trong khi một thùng hỗn hợp duy nhất cung cấp một phân bố theo cấp số nhân rộng,và cho một phản ứng trong đó B là chất trung gian mong muốn trong A đến B đến C, sự khác biệt đó một mình có thể thay đổi năng suất 10-20 điểm phần trăm.

2Nơi các lò phản ứng hóa học được sử dụng

Các lò phản ứng xuất hiện trong tất cả các ngành công nghiệp quy trình.

• Dầu hóa dầu và lọc dầu:Các lò phản ứng lớn nhất trên thế giới hoạt động ở đây: các lò nén xúc tác chất lỏng chuyển hóa dầu khí nặng thành xăng ở 500-550 ° C với lưu thông xúc tác được đo bằng tấn mỗi giây,Máy xử lý thủy điện và máy giật thủy điện chạy các lò phản ứng nhỏ giọt ở nhiệt độ 8-20 MPa và 350-420 °C để loại bỏ lưu huỳnh và các phân tử nặng nề nứt, và các bộ cải tạo hơi nước sản xuất hydro ở 800-900 °C. Các hạn chế chủ yếu là thời gian hoạt động của chất xúc tác và cân bằng nhiệt,và thiết bị được thiết kế để hoạt động liên tục được đo bằng nhiều năm giữa các lần tắt chứ không phải theo lô.
• Dược phẩm và hóa chất tinh tế:Ở đây lò phản ứng là một thùng hàng loạt đa mục đích, thường là 100 đến 10.000 L trong 316L hoặc thép thủy tinh, được sử dụng cho các bước tổng hợp thay đổi mỗi vài tuần.khả năng làm sạch, và tài liệu: thùng phải được làm sạch và kiểm tra giữa các sản phẩm, xác nhận theo kỳ vọng cGMP, và thiết bị để ghi lại hồ sơ lô đầy đủ.Phản ứng chậm hơn và chọn lọc hơn, thường ở -20 đến 150 ° C, và giá trị mỗi kg đủ cao để năng suất và độ tinh khiết thống trị thông lượng.
• Sản xuất polymer:Các lò phản ứng ở đây sản xuất tất cả mọi thứ từ polyethylene và polypropylene hàng hóa đến các polyme emulsion cho sơn và keo.Thách thức định nghĩa là độ nhớt tăng lên theo thứ tự lớn trong quá trình phản ứng và phản ứng là mạnh mẽ exothermicCác nhà máy polyethylene sử dụng lò phản ứng vòng lặp hoặc giường chất lỏng ở 70-110 ° C và 2-30 MPa,trong khi nhũ hóa nhũ hóa cho latex chạy trong thùng hỗn hợp ở nhiệt độ 50-90 ° C với monomer được cho ăn trong vài giờ.
• Thực phẩm, đồ uống và lên men:Trong các ứng dụng này, lò phản ứng là lò phản ứng sinh học hoặc máy lên men và phản ứng là sinh học: nấm men chuyển đổi đường thành ethanol ở 30-35 °C, vi khuẩn sản xuất enzyme hoặc axit hữu cơ ở 30-37 °C,hoặc các tế bào động vật có vú sản xuất protein điều trị ở 36.5-37°C. Chức năng không thay đổi, nhưng vô sinh, khuấy động nhẹ, chuyển oxy được thể hiện bằng kLa 30-200h-1,và khả năng làm sạch tại chỗ trở thành các yêu cầu thiết kế kiểm soát thay vì áp suất và nhiệt độ.
• Nước, chất thải và chuyển đổi năng lượng:Các lò phản ứng cũng phá hủy thay vì tạo ra: oxy hóa không khí ẩm phá hủy các chất ô nhiễm hữu cơ ở 200-320 °C và 2-20 MPa, máy tiêu hóa vô khí chuyển đổi chất thải hữu cơ thành khí sinh học ở 35-38 °C,Các lò phản ứng pyrolysis chuyển đổi chất thải nhựa và lốp xe thành dầu ở 400-600 °C, và các hệ thống đốt cháy và khí hóa xử lý chất thải đô thị và chất thải nguy hiểm.và kiềm chế cho một phản ứng có mục đích là xử lý hoặc phục hồi năng lượng thay vì tổng hợp sản phẩm.

Ứng dụng lò phản ứng hóa học theo ngành công nghiệp

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Sự khác biệt giữa lò phản ứng hóa học và bể trộn là gì?

A: Một thùng trộn thay đổi trạng thái vật lý của nội dung của nó, trộn, hòa tan, treo hoặc nhũ hóa, nhưng nó không có ý định thay đổi bản sắc hóa học của chúng.Một lò phản ứng hóa học được thiết kế xung quanh một phản ứng: nó có một thời gian cư trú xác định, một hệ thống chuyển nhiệt có kích thước cho nhiệt độ phản ứng, thiết bị để theo dõi chuyển đổi,và một chỉ số áp suất và nhiệt độ bao gồm phản ứng bao gồm các chế độ thất bại của nóTrong thực tế, các phần cứng chồng chéo, vì một thùng hỗn loạn có áo khoác có thể phục vụ cả hai vai trò, nhưng đặc điểm kỹ thuật khác nhau: một lò phản ứng đòi hỏi tính toán để giải phóng nhiệt,kịch bản chạy trốn và kích thước giải thoát, trong khi một máy trộn chỉ đòi hỏi sức mạnh pha trộn và thời gian pha trộn.

Q: Một lò phản ứng có thể thực hiện các phản ứng khác nhau không?

Đáp: Vâng, và đây là phương pháp tiêu chuẩn trong hóa chất tinh tế và dược phẩm, nơi một nhà máy đa dụng chạy hàng chục tổng hợp khác nhau trong cùng một bình.Nó hoạt động bởi vì các phản ứng chia sẻ một cửa sổ hoạt động tương thích của nhiệt độ, áp suất và vật liệu, và bởi vì nhà máy đầu tư vào việc xác nhận làm sạch để chứng minh rằng dư lượng từ mùa trước là dưới giới hạn chấp nhận.Nó không hoạt động khi các phản ứng cần thiết thiết bị cơ bản khác nhau: một quá trình đòi hỏi 30 MPa và một chất xúc tác rắn không thể chia sẻ một bình với một polymerization nhũ khí áp suất thấp,và các hợp chất mạnh cần chứa dưới 1 μg/m3 cần các tàu chuyên dụng.

Hỏi: Tại sao một số lò phản ứng là hàng loạt và những người khác liên tục?

A: Sự lựa chọn dựa trên khối lượng, giá trị và hóa học. Hoạt động liên tục mang lại chi phí thấp hơn mỗi kg, chất lượng ổn định hơn và tích hợp nhiệt tốt hơn,vì vậy nó được sử dụng cho các sản phẩm hàng hóa được sản xuất ở hàng chục ngàn tấn mỗi năm, chẳng hạn như amoniac, polyethylene và axit lưu huỳnh.hoặc khi sản phẩm có giá trị cao và được quy định nghiêm ngặtMột quy tắc hữu ích: trên khoảng 5.000 đến 10.000 tấn mỗi năm của một sản phẩm duy nhất, liên tục thường thắng về mặt kinh tế; dưới đó, hoặc với sự thay đổi sản phẩm thường xuyên, lô làm.

Q: Một lò phản ứng hóa học cần hệ thống an toàn nào?

A: Bảo vệ nhiều lớp. Phòng ngừa đến từ kiểm soát quy trình: vòng kiểm soát nhiệt độ và áp suất, giới hạn tốc độ cấp và báo động toàn vẹn cao với tắt tự động.Khám phá bao gồm áp suất, nhiệt độ, và đôi khi theo dõi nhiệt hoặc khí thải để phát hiện sớm sự khởi đầu của một vụ chạy trốn.Giảm thiểu bao gồm cứu trợ khẩn cấp có kích thước sử dụng phương pháp DIERS cho kịch bản chạy trốn cụ thể, được thông gió đến một thùng đánh bại, máy lọc hoặc ngọn lửa; một bể đổ hoặc hệ thống dập tắt cho các phản ứng có thể bị ngăn chặn bằng cách pha loãng hoặc làm mát; và trơ trong không khí dễ cháy.Bảo vệ thụ động bao gồm phòng điều khiển và khoảng cách phân ly được đánh giá là nổMỗi lớp đòi hỏi phải kiểm tra bằng tài liệu, bởi vì một khóa không được kiểm tra không phải là một biện pháp bảo vệ.