Ce sunt reactoarele chimice? Tipuri de reactoare chimice

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

O reacție chimică este un proces care duce la transformarea reactanților. Se caracterizează prin modificări care au ca rezultat unul sau mai multe produse care sunt diferite de originalul. Reacțiile chimice sunt de altă natură. Depinde de tipul de reactivi, de substanta obtinuta, de conditiile si timpul de sinteza, descompunere, deplasare, izomerizare, procese acido-bazice, redox, organice etc.

Reactoarele chimice sunt recipiente concepute pentru a efectua reacții în vederea producerii produsului final. Designul lor depinde de diverși factori și ar trebui să ofere rezultate maxime în cel mai eficient mod din punct de vedere al costurilor.

Vizualizări

Există trei modele principale de bază de reactoare chimice:

• Periodic.
• Mestecat continuu (CPM).
• Reactor cu flux cu piston (PFR).

Aceste modele de bază pot fi modificate pentru a îndeplini cerințele procesului chimic.

Reactor batch

Unitățile chimice de acest tip sunt utilizate în procesele discontinue cu volume de producție reduse, timpi de reacție lungi sau unde se obține o selectivitate mai bună, ca în unele procese de polimerizare.

Pentru aceasta, de exemplu, se folosesc recipiente din oțel inoxidabil, al căror conținut este amestecat cu lame de lucru interne, bule de gaz sau folosind pompe. Controlul temperaturii se realizează utilizând cămăși de schimb de căldură, răcitoare de irigare sau pompare printr-un schimbător de căldură.

Reactoarele batch sunt utilizate în prezent în industria chimică și în industria alimentară. Automatizarea și optimizarea lor creează dificultăți, deoarece este necesară combinarea proceselor continue și discrete.

Reactoarele chimice semi-batch combină funcționarea continuă și în loturi. Un bioreactor, de exemplu, este încărcat periodic și emite constant dioxid de carbon, care trebuie îndepărtat continuu. În mod similar, în reacția de clorinare, când clorul gazos este unul dintre reactanți, dacă nu este introdus continuu, cea mai mare parte se va volatiliza.

Pentru a asigura volume mari de producție, se folosesc în principal reactoare chimice continue sau rezervoare metalice cu agitator sau flux continuu.

Reactor cu agitare continuă

Reactivii lichidi sunt alimentați în rezervoare din oțel inoxidabil. Pentru a asigura o interacțiune adecvată, acestea sunt amestecate de lamele de lucru. Astfel, înÎn reactoarele de acest tip, reactanții sunt alimentați continuu în primul rezervor (vertical, oțel), apoi intră în cele ulterioare, fiind în același timp amestecați temeinic în fiecare rezervor. Deși compoziția amestecului este omogenă în fiecare rezervor individual, în sistem în ansamblu concentrația variază de la rezervor la rezervor.

Timpul mediu pe care o cantitate discretă de reactiv o petrece într-un rezervor (timpul de rezidență) poate fi calculată prin simpla împărțire a volumului rezervorului la debitul volumetric mediu prin acesta. Procentul de finalizare așteptat al reacției este calculat folosind cinetica chimică.

Rezervele sunt fabricate din oțel inoxidabil sau aliaje, precum și cu acoperire emailată.

Câteva aspecte importante ale NPM

Toate calculele se bazează pe amestecare perfectă. Reacția se desfășoară cu o viteză raportată la concentrația finală. La echilibru, debitul trebuie să fie egal cu debitul, altfel rezervorul se va revarsa sau se va goli.

Este adesea rentabil să lucrați cu mai multe HPM-uri seriale sau paralele. Rezervoarele din oțel inoxidabil asamblate într-o cascadă de cinci sau șase unități se pot comporta ca un reactor cu flux de tip plug. Acest lucru permite primei unități să funcționeze la o concentrație mai mare de reactant și, prin urmare, o viteză de reacție mai rapidă. De asemenea, mai multe etape ale HPM pot fi plasate într-un rezervor vertical de oțel, în loc ca procesele să aibă loc în containere diferite.

În versiunea orizontală, unitatea cu mai multe trepte este secționată de pereți despărțitori verticali de diferite înălțimi prin care amestecul curge în cascade.

Când reactanții sunt slab amestecați sau diferă semnificativ în densitate, se folosește un reactor vertical cu mai multe etape (căptușit sau din oțel inoxidabil) în modul contracurent. Acest lucru este eficient pentru efectuarea reacțiilor reversibile.

Micul strat pseudo-lichid este complet amestecat. Un reactor comercial mare cu pat fluidizat are o temperatură substanțial uniformă, dar un amestec de fluxuri miscibile și deplasate și stări de tranziție între ele.

Reactor chimic cu flux plug

RPP este un reactor (inoxidabil) în care unul sau mai mulți reactanți lichizi sunt pompați printr-o țeavă sau țevi. Se mai numesc flux tubular. Poate avea mai multe conducte sau tuburi. Reactivii intră constant printr-un capăt, iar produsele ies din celăl alt. Procesele chimice au loc pe măsură ce amestecul trece.

În RPP, viteza de reacție este în gradient: la intrare este foarte mare, dar cu o scădere a concentrației de reactivi și o creștere a conținutului de produse de ieșire, viteza sa încetinește. De obicei, se ajunge la o stare de echilibru dinamic.

Atât orientările orizontale, cât și cele verticale ale reactorului sunt comune.

Când este necesar transferul de căldură, tuburile individuale sunt acoperite sau se folosește un schimbător de căldură cu carcasă și tub. În acest din urmă caz, substanțele chimice pot fiatât în carcasă, cât și în tub.

Containerele metalice de diametru mare cu duze sau băi sunt similare cu RPP și sunt utilizate pe scară largă. Unele configurații folosesc flux axial și radial, mai multe carcase cu schimbătoare de căldură încorporate, poziție orizontală sau verticală a reactorului și așa mai departe.

Vasul de reactiv poate fi umplut cu solide catalitice sau inerte pentru a îmbunătăți contactul interfacial în reacțiile eterogene.

Este important în RPP ca calculele să nu țină cont de amestecarea verticală sau orizontală - aceasta este ceea ce se înțelege prin termenul „debit de dop”. Reactivii pot fi introduși în reactor nu numai prin orificiu de admisie. Astfel, este posibil să se obțină o eficiență mai mare a RPP sau să se reducă dimensiunea și costul acestuia. Performanța RPP este de obicei mai mare decât cea a HPP de același volum. Cu valori egale ale volumului și timpului în reactoarele cu piston, reacția va avea un procent de finalizare mai mare decât în unitățile de amestecare.

Echilibru dinamic

Pentru majoritatea proceselor chimice, este imposibil să se realizeze 100 la sută. Viteza lor scade odată cu creșterea acestui indicator până în momentul în care sistemul atinge echilibrul dinamic (când nu are loc reacția totală sau modificarea compoziției). Punctul de echilibru pentru majoritatea sistemelor este sub 100% finalizarea procesului. Din acest motiv, este necesar să se efectueze un proces de separare, cum ar fi distilarea, pentru a separa reactanții sau produșii secundari rămași deţintă. Acești reactivi pot fi uneori reutilizați la începutul unui proces, cum ar fi procesul Haber.

Aplicarea PFA

Reactoarele cu flux cu piston sunt folosite pentru a efectua transformarea chimică a compușilor pe măsură ce se deplasează printr-un sistem de tip tub pentru reacții la scară mare, rapide, omogene sau eterogene, producție continuă și procese de generare de căldură ridicată.

Un RPP ideal are un timp de rezidență fix, adică orice lichid (piston) care intră la momentul t îl va părăsi la momentul t + τ, unde τ este timpul de rezidență în instalație.

Reactoarele chimice de acest tip au performanțe ridicate pe perioade lungi de timp, precum și un transfer de căldură excelent. Dezavantajele RPP sunt dificultatea de a controla temperatura procesului, care poate duce la fluctuații nedorite de temperatură și costul lor mai mare.

Reactoare catalitice

Deși aceste tipuri de unități sunt adesea implementate ca RPP, ele necesită întreținere mai complexă. Viteza unei reacții catalitice este proporțională cu cantitatea de catalizator în contact cu substanțele chimice. În cazul unui catalizator solid și al reactanților lichizi, viteza proceselor este proporțională cu suprafața disponibilă, cu aportul de substanțe chimice și cu retragerea produselor și depinde de prezența amestecării turbulente.

O reacție catalitică este, de fapt, adesea în mai multe etape. Nu numaireactanții inițiali interacționează cu catalizatorul. De asemenea, unele produse intermediare reacționează cu acesta.

Comportamentul catalizatorilor este, de asemenea, important în cinetica acestui proces, în special în reacțiile petrochimice la temperaturi în alte, deoarece aceștia sunt dezactivați prin sinterizare, cocsare și procese similare.

Aplicarea de noi tehnologii

RPP sunt folosite pentru conversia biomasei. Reactoarele de în altă presiune sunt utilizate în experimente. Presiunea din ele poate ajunge la 35 MPa. Utilizarea mai multor dimensiuni permite ca timpul de rezidență să fie variat de la 0,5 la 600 s. Pentru a atinge temperaturi peste 300 °C, se folosesc reactoare încălzite electric. Biomasa este furnizată de pompe HPLC.

nanoparticule de aerosoli RPP

Există un interes considerabil pentru sinteza și aplicarea particulelor nanodimensionate în diverse scopuri, inclusiv aliaje cu aliaje în alte și conductori cu peliculă groasă pentru industria electronică. Alte aplicații includ măsurători de susceptibilitate magnetică, transmisie în infraroșu îndepărtat și rezonanță magnetică nucleară. Pentru aceste sisteme este necesar să se producă particule de dimensiune controlată. Diametrul lor este de obicei în intervalul de la 10 la 500 nm.

Datorită dimensiunii, formei și suprafeței specifice mari, aceste particule pot fi folosite pentru a produce pigmenți cosmetici, membrane, catalizatori, ceramică, reactoare catalitice și fotocatalitice. Exemplele de aplicații pentru nanoparticule includ SnO₂ pentru senzorimonoxid de carbon, TiO₂ pentru ghidaje de lumină, SiO_{2 pentru dioxid de siliciu coloidal și fibre optice, C pentru umpluturi de carbon din anvelope, Fe pentru materiale de înregistrare, Ni pentru baterii și, într-o măsură mai mică, paladiu, magneziu și bismut. Toate aceste materiale sunt sintetizate în reactoare cu aerosoli. În medicină, nanoparticulele sunt folosite pentru a preveni și trata infecțiile rănilor, în implanturile osoase artificiale și pentru imagistica creierului.}

Exemplu de producție

Pentru a obține particule de aluminiu, un flux de argon saturat cu vapori de metal este răcit într-un RPP cu un diametru de 18 mm și o lungime de 0,5 m de la o temperatură de 1600 °C la o viteză de 1000 °C/s. Pe măsură ce gazul trece prin reactor, are loc nuclearea și creșterea particulelor de aluminiu. Debitul este de 2 dm3/min iar presiunea este de 1 atm (1013 Pa). Pe măsură ce se mișcă, gazul se răcește și devine suprasaturat, ceea ce duce la nuclearea particulelor ca urmare a ciocnirilor și evaporării moleculelor, repetată până când particula atinge o dimensiune critică. Pe măsură ce se deplasează prin gazul suprasaturat, moleculele de aluminiu se condensează pe particule, mărindu-le dimensiunea.