Một lò phản ứng hóa học là gì: Các loại, phương trình thiết kế và ứng dụng công nghiệp

Một lò phản ứng hóa học là gì: Các loại, phương trình thiết kế và ứng dụng công nghiệp

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng hóa học là gì?Một lò phản ứng hóa học là một bình được thiết kế để chuyển đổi các chất phản ứng thành các sản phẩm bằng một phản ứng hóa học được kiểm soát, và mọi thứ về thiết kế của nó bắt nguồn từ ba cân bằng:một cân bằng mole thiết lập khối lượng, một luật tốc độ thiết lập thời gian, và một cân bằng năng lượng thường thiết lập giới hạn.nơi thành phần thay đổi theo thời gian và khối lượng sau khi tích hợp dN/dt = rV; lò phản ứng bơm hỗn hợp liên tục, nơi cân bằng là đại số, V = F ((X_out - X_in) / (-r), và nội dung là đồng nhất ở nồng độ đầu ra; lò phản ứng dòng chảy phích,nơi cân bằng là chênh lệch dọc theo chiều dài, dV = dF/(-r), và nồng độ giảm dần; và giường chất lỏng, được sử dụng khi chất xúc tác phải lưu thông.Bởi vì tốc độ phản ứng tăng gấp đôi với mỗi 10 ° C tăng bởi mối quan hệ Arrhenius, và bởi vì các lò phản ứng ngoại nhiệt điển hình giải phóng 50-250 kJ / mol với nhiệt độ tăng adiabatic 50-300 ° C, loại bỏ nhiệt chứ không phải hóa học là điều thường hạn chế một lò phản ứng.

1Ba cân bằng định nghĩa mọi lò phản ứng

Bất kể cấu hình, ba phương trình luôn được giải quyết, và chúng giải thích tại sao các lò phản ứng trông như vậy:

• Cân bằng Mole:Cân bằng mole là một tuyên bố bảo tồn: những gì đi vào, trừ đi những gì rời khỏi, trừ đi những gì phản ứng đi, bằng những gì tích lũy.vì vậy thời gian cần thiết là tích phân của dN_A/(r_A x V) từ chuyển đổi ban đầu đến cuối cùngĐối với một lò phản ứng bơm hỗn hợp liên tục ở trạng thái ổn định, không có sự tích lũy, vì vậy cán cân là đại số, V = F_A0 x X / (-r_A),được đánh giá ở nồng độ đầu ra vì toàn bộ bể nằm ở nồng độ đóĐối với một lò phản ứng dòng chảy cắm, cân bằng được viết trên một lát chênh lệch, dV = dF_A/(-r_A), và tích hợp dọc theo chiều dài.Đối với bất kỳ phản ứng thứ tự tích cực nào, lò phản ứng dòng chảy phích cần ít khối lượng hơn CSTR cho cùng một chuyển đổi, thường bằng một nhân từ hai đến mười, bởi vì CSTR pha loãng toàn bộ nội dung đến nồng độ thấp nhất, chậm nhất ngay lập tức.
• Luật tỷ lệ và phụ thuộc nhiệt độ:Biểu thức tốc độ chuyển đổi cân bằng thành một số, và hầu như luôn luôn là Arrhenius theo hình thức, k = A x exp ((-Ea / RT), với năng lượng kích hoạt thường là 40-120 kJ / mol.Điều đó có nghĩa là tỷ lệ tăng gấp đôi cho mỗi 10 ° C tăng nhiệt độ gần môi trường xung quanhĐiều này cũng có nghĩa là một lò phản ứng được thiết kế ở nhiệt độ sai có thể bị mất một thứ tự về kích thước.Sự phụ thuộc vào sự tập trung cũng quan trọng như vậy: một phản ứng thứ nhất chậm lại theo cấp số nhân khi chất phản ứng được tiêu thụ, vì vậy vài phần trăm cuối cùng của chuyển đổi mất quá lâu,đó là lý do tại sao nhiều quy trình dừng lại ở 90-98% và tái chế thay vì theo đuổi chuyển đổi hoàn chỉnhKhi hai phản ứng cạnh tranh, tính chọn lọc phụ thuộc vào tỷ lệ tốc độ của chúng, và vì hai phản ứng thường có năng lượng kích hoạt khác nhau,nhiệt độ trở thành công cụ chính để điều khiển sản phẩm.
• Cân bằng năng lượng và loại bỏ nhiệt:Mỗi lò phản ứng chạy phản ứng với nhiệt phản ứng không bằng không phải loại bỏ hoặc cung cấp nhiệt, và sự cân bằng được viết là tỷ lệ phát nhiệt so với tỷ lệ loại bỏ thông qua áo khoác,hệ thống phản ứng có thể được tạo ra bởi các hệ thống phản ứng khác nhau, như dây chuyền, cuộn dây, hoặc vòng lặp bên ngoài.khi một phản ứng dễ kiểm soát trong một bình 1L chảy ra trong một bình 5 m3Số Damkohler vô chiều, tỷ lệ dòng chảy đặc trưng hoặc thời gian trộn với thời gian phản ứng, cho nhà thiết kế biết chế độ nào áp dụng: dưới khoảng 0.01 phản ứng được kiểm soát động học, trên khoảng 100 nó là trộn hoặc chuyển tải khối lượng hạn chế.và kích thước relief theo phương pháp DIERS.
• Phân bố thời gian cư trú và các lò phản ứng thực tế:Không có lò phản ứng thực tế nào hoàn toàn được cắm dòng chảy hoặc trộn hoàn hảo. Phân phối thời gian cư trú, được đo bằng cách tiêm một chất theo dõi và theo dõi nồng độ đầu ra, định lượng sự khởi hành:một CSTR cho một sự suy giảm theo cấp số nhân với một sự lan rộng như trung bình, một lò phản ứng dòng chảy cắm cung cấp một xung hẹp, và một bình thực sự nằm giữa và được mô hình hóa bởi mô hình bể trong loạt với một số lượng hiệu quả của bể,hoặc bằng mô hình phân tán với số PecletĐiều này quan trọng bởi vì thời gian cư trú trải rộng trực tiếp mở rộng sự phân bố sản phẩm trong quá trình phân phối, phản ứng quá mức một số phân tử trong các phản ứng hàng loạt và giảm chuyển đổi hiệu quả.Các sửa chữa phổ biến là baffles để ức chế bỏ qua và xoáy, một tỷ lệ chiều dài-tháng kính trên khoảng 3 cho các lò phản ứng ống, và, cho các bể hỗn hợp, một luồng ba đến sáu bình theo chuỗi,cung cấp hầu hết lợi ích dòng chảy phích với việc trộn và chuyển nhiệt của một bể hỗn hợp.

2Bốn cấu hình lò phản ứng và cách chọn

Cấu hình sau đây từ tốc độ sản xuất, tải trọng nhiệt, tuổi thọ của chất xúc tác và bảng sản phẩm:

• Phân tích lò phản ứng:Các lò phản ứng hàng loạt là linh hoạt nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong hóa chất mịn, dược phẩm, nhựa, lớp phủ và đặc sản.Phản ứng được chạy qua một nhiệt độ và hồ sơ bổ sungĐiểm mạnh của nó là tính linh hoạt: cùng một bình làm ra nhiều sản phẩm, công thức có thể được điều chỉnh giữa các lô, và thời gian cư trú dài phù hợp với phản ứng chậm.Điểm yếu của nó là thời gian không sản xuất để sạc, sưởi ấm, làm mát, làm sạch và xả, có thể tiêu thụ 30-60% chu kỳ, sự thay đổi từ lô đến lô, và khó khăn trong việc loại bỏ nhiệt,vì tải nhiệt đầy đủ được giải phóng trong một khoảng thời gian ngắnHoạt động bán lô, trong đó một chất phản ứng được cung cấp theo thời gian, là câu trả lời tiêu chuẩn cho vấn đề nhiệt và cũng cho phép kiểm soát tính chọn lọc và, trong polymerization, trên trọng lượng phân tử.
• Phản ứng bể hỗn hợp liên tục:Một CSTR được cấp và xả liên tục, được trộn tốt để nội dung đồng nhất ở thành phần đầu ra, và hoạt động ở trạng thái ổn định.xử lý các chất bùn và vật liệu nhớt tốt, và là sự lựa chọn tự nhiên cho các phản ứng pha lỏng cần trộn tốt hoặc phải được giữ ở nồng độ cố định, như trong nhiều quá trình đa phân hóa và lên men.bởi vì toàn bộ bể ngồi ở nồng độ đầu ra, phản ứng chạy chậm nhất ở mọi nơi, vì vậy một CSTR cần từ hai đến mười lần khối lượng của một lò phản ứng dòng chảy cắm cho cùng một nhiệm vụ.Đây là lý do tại sao các quy trình cần chuyển đổi cao sử dụng một chuỗi các CSTR trong chuỗi, thường là ba đến sáu, phục hồi phần lớn lợi thế dòng chảy cắm trong khi vẫn giữ lợi ích pha trộn và chuyển nhiệt.
• Các lò phản ứng dòng chảy và ống dẫn:Trong một lò phản ứng dòng chảy cắm, vật liệu di chuyển qua như một loạt các lát mỏng mà không có trộn trục,do đó, nồng độ và chuyển đổi thay đổi dọc theo chiều dài và tốc độ phản ứng trung bình cao hơn so với trong một CSTRCác lò phản ứng ống cung cấp năng suất thể tích cao nhất, chuyển nhiệt tuyệt vời cho mỗi đơn vị khối lượng do tỷ lệ bề mặt-tượng cao,và phân bố thời gian cư trú hẹp là điều cần thiết để kiểm soát phân phối sản phẩmChúng là tiêu chuẩn cho các phản ứng pha khí nhiệt độ cao như nứt hơi nước ở 750-870 ° C, cho các phản ứng ngoại nhiệt nhanh, trong đó đường kính nhỏ giữ cho luồng nhiệt có thể quản lý được,và cho các phản ứng khi trộn lại sẽ phá hủy tính chọn lọcNhững hạn chế là một áp suất cao giảm cho ống đóng gói, khó khăn với bẩn và với chất rắn, và thực tế là một runaway không có nơi để phân tán,đó là lý do tại sao các lò phản ứng ống cần thiết kế cẩn thận và thường là một hồ sơ nhiệt độ phân phối.
• Các loại giường có chất lỏng, đóng gói và chuyên dụng:Khi sử dụng chất xúc tác rắn, chế độ tiếp xúc được chọn dựa trên thời gian hoạt động của chất xúc tác và tải nhiệt.nhưng loại bỏ nhiệt là kém và giường không thể được thay đổi mà không có một tắt, vì vậy nó phù hợp với thức ăn sạch với một thời gian hoạt động của chất xúc tác từ một đến năm năm.mang lại sự đồng nhất nhiệt độ tuyệt vời và khả năng lưu thông chất xúc tác liên tục, điều này rất cần thiết khi nó tắt hoạt động trong vài giây, như trong nứt xúc tác chất lỏng ở 500-540 ° C; hình phạt là mòn, kéo theo đòi hỏi bão, và trộn lại.Một giường đun sôi mở rộng chất xúc tác với dòng chảy chất lỏng và cho phép thay thế trực tuyếnMột cột bột hoặc bong bóng treo chất xúc tác mịn trong chất lỏng để loại bỏ nhiệt tuyệt vời và được sử dụng trong Fischer-Tropsch và dịch vụ hydro hóa.

Các cấu hình lò phản ứng hóa học Ma trận so sánh

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Sự khác biệt giữa một CSTR và một lò phản ứng dòng chảy cắm là gì?

A: Trộn. Một lò phản ứng hỗn hợp liên tục được trộn hoàn hảo, vì vậy nội dung của nó là đồng nhất và ngồi ở khắp mọi nơi ở nồng độ phản ứng thấp nhất, nồng độ đầu ra.Một lò phản ứng dòng chảy cắm không có trộn trục, do đó nồng độ chất phản ứng bắt đầu cao ở lối vào và giảm dọc theo chiều dài. Đối với bất kỳ phản ứng trật tự tích cực nào, điều này làm cho lò phản ứng dòng chảy phích nhanh hơn trung bình và do đó nhỏ hơn:đạt được cùng một chuyển đổi thường cần từ hai đến mười lần khối lượng ít hơn so với CSTRTrong thực tế, các kỹ sư thường sử dụng một chuỗi từ ba đến sáu CSTR hàng loạt,mà gần như dòng chảy phích trong khi giữ cho trộn tuyệt vờiSự khác biệt khác là hoạt động: một CSTR dễ dàng điều khiển và giữ trạng thái ổn định tốt.trong khi một lò phản ứng ống có một sự sụt giảm áp suất cao hơn và nhạy cảm hơn với bẩn và chạy.

Hỏi: Tại sao kiểm soát nhiệt độ lại rất quan trọng trong một lò phản ứng hóa học?

Trả lời: Bởi vì tốc độ phản ứng tăng theo tỷ lệ nhân với nhiệt độ. Với năng lượng kích hoạt điển hình là 40-120 kJ / mol, tốc độ tăng gấp đôi với mỗi 10 ° C tăng gần môi trường xung quanh.Trong một phản ứng ngoại nhiệt, điều này tạo ra một vòng lặp phản hồi tích cực: phản ứng giải phóng nhiệt, nhiệt độ tăng, tốc độ tăng, và nhiều nhiệt hơn được giải phóng. Nếu hệ thống loại bỏ nhiệt không thể theo kịp ở mọi điểm, lô tăng tốc vào một runaway,có thể đun sôi dung môi, tăng áp suất vượt quá giới hạn bình, và phân hủy sản phẩm hoặc các chất phản ứng.nơi hai phản ứng cạnh tranh có năng lượng kích hoạt khác nhau, nhiệt độ thiết lập tính chọn lọc, và khi một polymerization đang chạy, nhiệt độ thiết lập trọng lượng phân tử.một ổ khóa ngăn chặn thức ăn và áp dụng làm mát đầy đủ ở nhiệt độ cao, và dung lượng giải phóng được định kích thước bằng phương pháp DIERS.

Hỏi: Làm thế nào để tôi chọn giữa hoạt động hàng loạt và hoạt động liên tục?

A: Bốn yếu tố quyết định. khối lượng: liên tục được ưu tiên trên khoảng 5.000-10.000 tấn mỗi năm cho một sản phẩm duy nhất.dưới mức đó vốn và sự phức tạp kiểm soát của một nhà máy liên tục là khó để biện minhSlate sản phẩm: nếu nhà máy sản xuất nhiều loại hoặc sản phẩm, lô giành được sự linh hoạt, vì một đường dây liên tục sản xuất vật liệu chuyển tiếp ngoài thông số kỹ thuật ở mỗi thay đổi loại.Đặc điểm phản ứng: các phản ứng rất nhanh hoặc rất ngoại nhiệt dễ dàng kiểm soát liên tục trong một lò phản ứng có khối lượng nhỏ, trong khi các phản ứng chậm với thời gian cư trú dài rẻ hơn trong một thùng lô.Và chất lượng nhất quán: liên tục cung cấp một sản phẩm ổn định hơn một khi xếp hàng, nhưng lô cho phép mỗi lô được điều chỉnh và theo dõi, điều quan trọng trong các ngành công nghiệp được quy định.Phản ứng liên tục với hoàn thiện lô, hoặc phản ứng hàng loạt cung cấp một tàu tách liên tục.

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

A: Bảo vệ là nhiều lớp. An toàn vốn có đầu tiên: chọn một thức ăn bán lô để hàng tồn kho chưa phản ứng là nhỏ, pha loãng các chất phản ứng,và chọn một dung môi có điểm sôi đạt nhiệt độ tối đa. điều khiển quy trình cơ bản tiếp theo: nhiệt độ, áp suất và dòng chảy thức ăn được điều khiển tự động bằng báo động. bảo vệ thiết bị:một chuyến đi nhiệt độ cao cao và áp suất cao cao độc lập đóng các nguồn cấp, áp dụng làm mát đầy đủ và, nếu được thiết kế, tiêm một chất ức chế phản ứng hoặc đổ lô vào bể dập.với tải giảm được xác định bằng phương pháp DIERS cho trường hợp thoát khỏi cụ thể, vì các hệ thống phản ứng có thể là khí, hơi hoặc lai, và câu trả lời chính xác thay đổi đáng kể diện tích cần thiết.máy lọc hoặc bể xả có thể chấp nhận vật liệu được giải phóng một cách an toàn thay vì xả nó ra không khí.