Co jsou chemické reaktory? Druhy chemických reaktorů

Chemická reakce je proces, který vede k přeměně reagentů. Je charakterizován změnami, které vedou k jednomu nebo více výrobků odlišným od původních. Chemické reakce mají jinou povahu. Závisí na typu činidel, získané látce, podmínkách a časech syntézy, rozkladu, posunutí, izomerace, kyselé báze, oxidace-redukce, organických procesů atd.

Chemické reaktory jsou cisterny určené k provádění reakcí za účelem výroby konečného produktu. Jejich návrh závisí na různých faktorech a měl by poskytovat maximální výnos nákladově nejefektivnějším způsobem.

Typy

Existují tři základní modely chemických reaktorů:

• Pravidelné akce.
• Kontinuální s míchadlem (HPM).
• Reaktor s průtokem pístu (PFR).

Tyto základní modely lze modifikovat v souladu s požadavky chemického procesu.

Dávkový reaktor

Chemické agregáty tohoto typu se používají ve vsázkových procesech s malými objemy výroby, dlouhými reakčními časy nebo tam, kde je dosažena lepší selektivita, jako v některých polymerizačních procesech.

Například se používají nádrže z nerezové oceli, jejichž obsah se mísí s vnitřními pracovními lopatkami, plynovými bublinkami nebo čerpadly. Regulace teploty se provádí pomocí výměníků tepla, chladicích chladičů nebo čerpání výměníku tepla.

Dávkové reaktory se v současnosti používají v chemickém a potravinářském průmyslu. Jejich automatizace a optimalizace vytvářejí potíže, protože je nutné spojit kontinuální a diskrétní procesy.

Semi-periodické chemické reaktory spojují provoz v kontinuálních a periodických režimech. Bioreaktor je například periodicky naložený a neustále uvolňuje oxid uhličitý, který musí být nepřetržitě odstraňován. Podobně při chlorační reakci, jestliže jedna z reakčních složek je plynný chlor, pokud se nepřivede kontinuálně, většina se odpařuje.

Pro zajištění velkého objemu výroby se používají především chemické reaktory s kontinuálním účinkem nebo kovové nádrže s míchadlem nebo s kontinuálním prouděním.

Kontinuální míchací reaktor s nádrží

Nádrže z nerezové oceli jsou dodávány s tekutými činidly. Aby byla zajištěna správná interakce, jsou směšovány pracovními lopatkami. Takže v reaktorech tohoto typu jsou reaktanty nepřetržitě přiváděny do první nádrže (svislé, oceli), pak spadají do dalšího, přičemž se důkladně mísí v každé nádrži. I když složení směs je homogenní v každé jednotlivé nádrži v systému jako celku se koncentrace mění z kapacity na kapacitu.

Průměrná doba, že diskrétní množství reaktantu tráví v nádrži (doby zdržení), může být vypočtena jednoduše vydělením objemu nádoby s průměrnou objemovou rychlostí průtoku tekutiny. Očekávané procento dokončení reakce se vypočítá za použití chemické kinetiky.

Kontejnery jsou vyrobeny z nerezové oceli nebo slitin, stejně jako smaltované povlaky.

Některé důležité aspekty HPM

Všechny výpočty jsou prováděny s ohledem na ideální míšení. Reakce probíhá rychlostí spojenou s konečnou koncentrací. Ve stavu rovnováhy musí být rychlost proudění rovna rychlosti průtoku, jinak by se nádrž přečerpala nebo vyprázdnila.

Často je ekonomické pracovat s několika sekvenčními nebo paralelními HPM. Nerezové nádrže, sestavené v kaskádě pěti nebo šesti jednotek, se mohou chovat jako reaktor s proudem pístu. To umožňuje první jednotce pracovat s vyšší koncentrací činidel a tím i vyšší reakční rychlostí. Také několik stupňů HPM může být umístěno ve vertikální oceli, namísto procesů probíhajících v různých kapacitách.

V horizontální verzi je vícestupňová jednotka rozdělena svislými přepážkami různých výšky, kterými směs vstupuje do kaskád.

Pokud jsou činidla špatně smíšena nebo mají značně odlišnou hustotu, používá se v protiproudém režimu vertikální vícestupňový reaktor (smaltovaný nebo nerezavějící oceli). To je účinné při provádění reverzibilních reakcí.

Malá vrstva pseudo-kapaliny je zcela smíšena. Velký komerční reaktor s fluidním ložem má prakticky stejnoměrnou teplotu, ale kombinuje míchání a přemísťování toků a přechodových stavů mezi nimi.

Chemický reaktor ideálního posunutí

PFR je reaktor (nerez), ve kterém je jeden nebo více kapalných reakčních složek čerpáno potrubím nebo trubkami. Jsou také nazývány trubkovým průtokem. Může mít několik trubek nebo trubek. Činidla jsou neustále dodávána přes jeden konec a produkty pocházejí od druhého. Chemické procesy tok, jak směs prochází.

V RPP reakční rychlost gradient: na vstupu je velmi vysoký, ale s poklesem koncentrace reagentů a zvýšením obsahu výtěžku se jeho rychlost zpomaluje. Obvykle je dosažen stav dynamické rovnováhy.

Horizontální i vertikální orientace reaktoru jsou běžné.

Když je požadován přenos tepla, jsou umístěny jednotlivé potrubí v plášti nebo ve výměníku tepla s pláštěm. V druhém případě se chemické látky nacházejí jak v obalu, tak v potrubí.

Kovové kontejnery s velkými průměry s tryskami nebo vanami jsou podobné jako PFR a jsou široce používány. V některých konfiguracích se používá axiální a radiální průtok, vícenásobné skořepiny se zabudovanými výměníky tepla, horizontální nebo vertikální poloha reaktoru a tak dále.

Nádrž reagencie může být naplněna katalytickými nebo inertními pevnými částicemi, aby se zlepšil mezifázový kontakt heterogenní reakce.

Důležitým faktorem v RFP je to, že vertikální nebo horizontální míšení se ve výpočtech neberou v úvahu - to je pojem "tok pístu". Reakční činidla mohou být zavedena do reaktoru nejen do vstupu. Je tedy možné dosáhnout vyšší účinnosti PFR nebo snížit jeho velikost a náklady. Výkon PFR je obvykle vyšší než výkon HPM stejného objemu. Při stejných hodnotách objemu a času v pístových reaktorech bude mít reakce vyšší procento dokončení než v mísících jednotkách.

Dynamická rovnováha

U většiny chemických procesů není dokončení 100% možné. Jejich rychlost se s růstem tohoto ukazatele snižuje až do okamžiku, kdy systém dosáhne dynamické rovnováhy (když nedojde k celkové reakci nebo změně složení). Rovnovážný bod pro většinu systémů se nachází pod 100% dokončením procesu. Z tohoto důvodu je nezbytný separační proces, jako je destilace, k oddělení zbývajících činidel nebo vedlejších produktů od cíle. Tato činidla mohou být někdy znovu použita na začátku procesu, například jako Haberův proces.

Aplikace PPP

reaktory s pístovým tokem použity pro chemickou přeměnou sloučenin při jejich pohybu pomocí systému, který se podobá trubku, za účelem velkém měřítku, rychlé, homogenních nebo heterogenních reakcí, kontinuálních výrobních procesech a při uvolňování velkého množství tepla.

Ideální PFR má pevnou dobu zdržení, to znamená, že jakákoliv kapalina (píst), která dorazí v čase t, opustí v době t + tau-, kde tau- je doba pobytu v instalaci.

Chemické reaktory tohoto typu mají vysoký výkon po dlouhou dobu, stejně jako vynikající přenos tepla. Nevýhodou PPP je obtížnost sledování procesní teploty, která může vést k nežádoucím změnám teploty a také jejich vyšším nákladům.

Katalytické reaktory

Přestože agregáty tohoto typu jsou často implementovány formou PPP, vyžadují komplexnější údržbu. Rychlost katalytické reakce je úměrná množství katalyzátoru v kontaktu s chemikáliemi. V případě pevného katalyzátoru a kapalných reakčních činidel je rychlost procesů úměrná dostupné ploše, vstupu chemikálií a výběru výrobků a závisí na přítomnosti turbulentního míchání.

Katalytická reakce je ve skutečnosti často vícestupňová reakce. Nejprve reagují s katalyzátorem nejen počáteční činidla. S tím reagují některé meziprodukty.

Chování katalyzátorů je také důležité, v kinetice tohoto procesu, a to zejména ve velkých petrochemických reakce, jak jsou deaktivovány slinováním, koksovatelného a podobnými procesy.

Aplikace nových technologií

PFR se používají pro konverzi biomasy. V experimentech se používají vysokotlaké reaktory. Tlak v nich může dosáhnout 35 MPa. Použití několika velikostí umožňuje měnit dobu zdržení od 0,5 do 600 s. K dosažení teplot nad 300 ° C se používají reaktory s elektrickým ohřevem. Dodávka biomasy se provádí pomocí čerpadel HPLC.

PFR aerosolových nanočástic

Existuje značný zájem o syntézu a použití nanosizovaných částic pro různé účely, včetně vysokolegovaných slitin a hustých filmových vodičů pro elektronického průmyslu. Jiné aplikace zahrnují měření magnetické citlivosti, daleko infračervený přenos a nukleární magnetická rezonance. Pro tyto systémy je nutné vyrábět částice s kontrolovanou velikostí. Jejich průměr je zpravidla v rozmezí 10 až 500 nm.

Vzhledem k jejich velikosti, tvaru a vysoký specifický povrch těchto částic může být použita pro výrobu kosmetických pigmentů, membrány, katalyzátory, keramiky, katalytických a fotokatalytických reaktorů. Příklady nanočásticových aplikací zahrnují SnO₂ pro senzory oxidu uhelnatého, TiO₂ pro optická vlákna, SiO₂ pro koloidní oxid křemičitý a optická vlákna, C pro uhlíková plniva v pneumatikách, Fe pro záznam materiálů, Ni pro baterie av menších objemech palladium, hořčík a vizmut. Všechny tyto materiály jsou syntetizovány v aerosolových reaktorech. V medicíně jsou nanočástice používány k prevenci a léčbě infekcí ran, umělých implantátů kostí a také k vizualizaci mozku.

Příklad výroby

Pro získání hliníkových částic proudění argonu, nasycené páry kov, je ochlazena v RPM o průměru 18 mm a délce 0,5 m od 1600 ° C rychlostí 1000 ° C / s. Jak plyn prochází reaktorem, dochází k tvorbě a růstu hliníkových částic. Průtok je 2 dm³/ Min a tlak 1 atm (1013 Pa). Když se plyn ochladí a pohyb se stává přesycený, což vede ke vzniku částic z kolizí a molekul par se opakuje, dokud částice nedosáhne kritické velikosti. Jak se pohybuje skrz plynu přesycené hliníku molekuly kondenzovat na částicích, což zvyšuje jejich velikost.