Τι είναι οι χημικοί αντιδραστήρες; Τύποι χημικών αντιδραστήρων

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Μια χημική αντίδραση είναι μια διαδικασία που οδηγεί στον μετασχηματισμό των αντιδρώντων. Χαρακτηρίζεται από αλλαγές που έχουν ως αποτέλεσμα ένα ή περισσότερα προϊόντα που είναι διαφορετικά από τα αρχικά. Οι χημικές αντιδράσεις είναι διαφορετικής φύσης. Εξαρτάται από τον τύπο των αντιδραστηρίων, την ουσία που λαμβάνεται, τις συνθήκες και τον χρόνο σύνθεσης, αποσύνθεσης, μετατόπισης, ισομερισμού, όξινης βάσης, οξειδοαναγωγής, οργανικές διεργασίες κ.λπ.

Οι χημικοί αντιδραστήρες είναι δοχεία σχεδιασμένα να πραγματοποιούν αντιδράσεις προκειμένου να παραχθεί το τελικό προϊόν. Ο σχεδιασμός τους εξαρτάται από διάφορους παράγοντες και θα πρέπει να παρέχει τη μέγιστη απόδοση με τον πιο οικονομικό τρόπο.

Προβολές

Υπάρχουν τρία βασικά μοντέλα χημικών αντιδραστήρων:

• Περιοδική.
• Συνεχής ανάδευση (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Αυτά τα βασικά μοντέλα μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις της χημικής διαδικασίας.

Παρτίδα αντιδραστήρας

Χημικές μονάδες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σε διεργασίες παρτίδων με χαμηλούς όγκους παραγωγής, μεγάλους χρόνους αντίδρασης ή όπου επιτυγχάνεται καλύτερη εκλεκτικότητα, όπως σε ορισμένες διαδικασίες πολυμερισμού.

Για αυτό, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται δοχεία από ανοξείδωτο χάλυβα, το περιεχόμενο των οποίων αναμιγνύεται με εσωτερικές λεπίδες εργασίας, φυσαλίδες αερίου ή χρησιμοποιώντας αντλίες. Ο έλεγχος θερμοκρασίας πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μανδύες ανταλλαγής θερμότητας, ψύκτες άρδευσης ή άντληση μέσω εναλλάκτη θερμότητας.

Οι αντιδραστήρες παρτίδας χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στη χημική βιομηχανία και στη βιομηχανία επεξεργασίας τροφίμων. Η αυτοματοποίηση και η βελτιστοποίησή τους δημιουργεί δυσκολίες, καθώς είναι απαραίτητος ο συνδυασμός συνεχών και διακριτών διαδικασιών.

Χημικοί αντιδραστήρες ημι-παρτίδας συνδυάζουν τη συνεχή και τη λειτουργία κατά παρτίδες. Ένας βιοαντιδραστήρας, για παράδειγμα, φορτίζεται περιοδικά και εκπέμπει συνεχώς διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο πρέπει να αφαιρείται συνεχώς. Ομοίως, στην αντίδραση χλωρίωσης, όταν το αέριο χλώριο είναι ένα από τα αντιδρώντα, εάν δεν εισάγεται συνεχώς, το μεγαλύτερο μέρος του θα εξατμιστεί.

Για να εξασφαλιστούν μεγάλοι όγκοι παραγωγής, χρησιμοποιούνται κυρίως συνεχείς χημικοί αντιδραστήρες ή μεταλλικές δεξαμενές με αναδευτήρα ή συνεχή ροή.

αντιδραστήρας συνεχούς ανάδευσης

Τα υγρά αντιδραστήρια τροφοδοτούνται σε δεξαμενές από ανοξείδωτο χάλυβα. Για να εξασφαλιστεί η σωστή αλληλεπίδραση, αναμειγνύονται από τις λεπίδες εργασίας. Έτσι, σεΣε αντιδραστήρες αυτού του τύπου, τα αντιδραστήρια τροφοδοτούνται συνεχώς στην πρώτη δεξαμενή (κάθετη, χάλυβας), στη συνέχεια εισέρχονται στους επόμενους, ενώ αναμιγνύονται επιμελώς σε κάθε δεξαμενή. Αν και η σύνθεση του μείγματος είναι ομοιογενής σε κάθε μεμονωμένη δεξαμενή, στο σύστημα ως σύνολο η συγκέντρωση ποικίλλει από δεξαμενή σε δεξαμενή.

Ο μέσος χρόνος που ξοδεύει μια διακριτή ποσότητα αντιδραστηρίου σε μια δεξαμενή (χρόνος παραμονής) μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας απλώς τον όγκο της δεξαμενής με τον μέσο ογκομετρικό ρυθμό ροής μέσω αυτής. Το αναμενόμενο ποσοστό ολοκλήρωσης της αντίδρασης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας χημική κινητική.

Οι δεξαμενές είναι κατασκευασμένες από ανοξείδωτο χάλυβα ή κράματα, καθώς και με επίστρωση σμάλτου.

Μερικές σημαντικές πτυχές του NPM

Όλοι οι υπολογισμοί βασίζονται στην τέλεια ανάμειξη. Η αντίδραση προχωρά με ρυθμό που σχετίζεται με την τελική συγκέντρωση. Σε κατάσταση ισορροπίας, ο ρυθμός ροής πρέπει να είναι ίσος με τον ρυθμό ροής, διαφορετικά η δεξαμενή θα υπερχειλίσει ή θα αδειάσει.

Συχνά είναι οικονομικά αποδοτική η εργασία με πολλαπλούς σειριακούς ή παράλληλα HPM. Οι δεξαμενές από ανοξείδωτο χάλυβα που συναρμολογούνται σε έναν καταρράκτη πέντε ή έξι μονάδων μπορούν να συμπεριφέρονται σαν αντιδραστήρας βύσματος ροής. Αυτό επιτρέπει στην πρώτη μονάδα να λειτουργεί σε υψηλότερη συγκέντρωση αντιδρώντος και επομένως ταχύτερο ρυθμό αντίδρασης. Επίσης, πολλά στάδια HPM μπορούν να τοποθετηθούν σε κάθετη χαλύβδινη δεξαμενή, αντί να πραγματοποιούνται διεργασίες σε διαφορετικά δοχεία.

Στην οριζόντια έκδοση, η μονάδα πολλαπλών σταδίων τέμνεται από κατακόρυφα χωρίσματα διαφόρων υψών μέσω των οποίων το μείγμα ρέει σε καταρράκτες.

Όταν τα αντιδρώντα αναμειγνύονται ελάχιστα ή διαφέρουν σημαντικά στην πυκνότητα, χρησιμοποιείται ένας κατακόρυφος αντιδραστήρας πολλαπλών σταδίων (επενδεδυμένος ή ανοξείδωτος χάλυβας) σε λειτουργία αντίθετης ροής. Αυτό είναι αποτελεσματικό για τη διεξαγωγή αναστρέψιμων αντιδράσεων.

Το μικρό ψευδο-υγρό στρώμα αναμειγνύεται πλήρως. Ένας μεγάλος εμπορικός αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης έχει μια ουσιαστικά ομοιόμορφη θερμοκρασία, αλλά ένα μείγμα αναμίξιμων και μετατοπισμένων ρευμάτων και μεταβατικών καταστάσεων μεταξύ τους.

χημικός αντιδραστήρας βύσματος

Το RPP είναι ένας αντιδραστήρας (ανοξείδωτος) στον οποίο ένα ή περισσότερα υγρά αντιδραστήρια αντλούνται μέσω ενός σωλήνα ή σωλήνων. Ονομάζονται επίσης σωληνοειδής ροή. Μπορεί να έχει πολλούς σωλήνες ή σωλήνες. Τα αντιδραστήρια εισέρχονται συνεχώς από το ένα άκρο και τα προϊόντα εξέρχονται από το άλλο. Οι χημικές διεργασίες συμβαίνουν καθώς περνά το μείγμα.

Στο RPP, ο ρυθμός αντίδρασης είναι βαθμιδωτός: στην είσοδο είναι πολύ υψηλός, αλλά με τη μείωση της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων και την αύξηση της περιεκτικότητας των προϊόντων εξόδου, ο ρυθμός του επιβραδύνεται. Συνήθως επιτυγχάνεται μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας.

Ο οριζόντιος και ο κατακόρυφος προσανατολισμός του αντιδραστήρα είναι κοινός.

Όταν απαιτείται μεταφορά θερμότητας, επικαλύπτονται μεμονωμένοι σωλήνες ή χρησιμοποιείται εναλλάκτης θερμότητας κελύφους και σωλήνα. Στην τελευταία περίπτωση, τα χημικά μπορεί να είναιτόσο σε κέλυφος όσο και σε σωλήνα.

Μεταλλικά δοχεία μεγάλης διαμέτρου με ακροφύσια ή λουτρά είναι παρόμοια με τα RPP και χρησιμοποιούνται ευρέως. Ορισμένες διαμορφώσεις χρησιμοποιούν αξονική και ακτινική ροή, πολλαπλά κελύφη με ενσωματωμένους εναλλάκτες θερμότητας, οριζόντια ή κάθετη θέση αντιδραστήρα κ.λπ.

Το δοχείο αντιδραστηρίου μπορεί να γεμίσει με καταλυτικά ή αδρανή στερεά για τη βελτίωση της διεπιφανειακής επαφής σε ετερογενείς αντιδράσεις.

Είναι σημαντικό στο RPP οι υπολογισμοί να μην λαμβάνουν υπόψη την κάθετη ή οριζόντια ανάμειξη - αυτό εννοείται με τον όρο "ροή βύσματος". Τα αντιδραστήρια μπορούν να εισαχθούν στον αντιδραστήρα όχι μόνο μέσω της εισόδου. Έτσι, είναι δυνατό να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση του RPP ή να μειωθεί το μέγεθος και το κόστος του. Η απόδοση του RPP είναι συνήθως υψηλότερη από αυτή του HPP του ίδιου όγκου. Με ίσες τιμές όγκου και χρόνου σε εμβολοφόρους αντιδραστήρες, η αντίδραση θα έχει μεγαλύτερο ποσοστό ολοκλήρωσης από ό,τι στις μονάδες ανάμειξης.

Δυναμικό Υπόλοιπο

Για τις περισσότερες χημικές διεργασίες, είναι αδύνατο να επιτευχθεί 100 τοις εκατό ολοκλήρωση. Η ταχύτητά τους μειώνεται με την ανάπτυξη αυτού του δείκτη μέχρι τη στιγμή που το σύστημα φτάσει σε δυναμική ισορροπία (όταν δεν συμβαίνει η συνολική αντίδραση ή η αλλαγή στη σύνθεση). Το σημείο ισορροπίας για τα περισσότερα συστήματα είναι κάτω από το 100% της ολοκλήρωσης της διαδικασίας. Για το λόγο αυτό, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια διαδικασία διαχωρισμού, όπως η απόσταξη, για να διαχωριστούν τα υπόλοιπα αντιδρώντα ή υποπροϊόντα απόστόχος. Αυτά τα αντιδραστήρια μπορούν μερικές φορές να επαναχρησιμοποιηθούν στην αρχή μιας διαδικασίας όπως η διαδικασία Haber.

Εφαρμογή του PFA

Οι αντιδραστήρες ροής εμβόλου χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή του χημικού μετασχηματισμού των ενώσεων καθώς κινούνται μέσα από ένα σύστημα που μοιάζει με σωλήνα για αντιδράσεις μεγάλης κλίμακας, γρήγορες, ομοιογενείς ή ετερογενείς αντιδράσεις, συνεχή παραγωγή και διεργασίες παραγωγής υψηλής θερμότητας.

Ένα ιδανικό RPP έχει σταθερό χρόνο παραμονής, δηλαδή κάθε υγρό (έμβολο) που εισέρχεται τη στιγμή t θα το αφήσει τη στιγμή t + τ, όπου τ είναι ο χρόνος παραμονής στην εγκατάσταση.

Οι χημικοί αντιδραστήρες αυτού του τύπου έχουν υψηλή απόδοση για μεγάλες χρονικές περιόδους, καθώς και εξαιρετική μεταφορά θερμότητας. Τα μειονεκτήματα των RPP είναι η δυσκολία στον έλεγχο της θερμοκρασίας της διεργασίας, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και το υψηλότερο κόστος τους.

Καταλυτικοί αντιδραστήρες

Αν και αυτοί οι τύποι μονάδων υλοποιούνται συχνά ως RPP, απαιτούν πιο περίπλοκη συντήρηση. Ο ρυθμός μιας καταλυτικής αντίδρασης είναι ανάλογος με την ποσότητα του καταλύτη σε επαφή με τις χημικές ουσίες. Στην περίπτωση στερεού καταλύτη και υγρών αντιδραστηρίων, ο ρυθμός των διεργασιών είναι ανάλογος της διαθέσιμης επιφάνειας, της εισροής χημικών ουσιών και της απόσυρσης των προϊόντων και εξαρτάται από την παρουσία τυρβώδους ανάμειξης.

Μια καταλυτική αντίδραση είναι στην πραγματικότητα συχνά πολλαπλών σταδίων. ΟΧΙ μονοτα αρχικά αντιδρώντα αλληλεπιδρούν με τον καταλύτη. Ορισμένα ενδιάμεσα προϊόντα αντιδρούν επίσης με αυτό.

Η συμπεριφορά των καταλυτών είναι επίσης σημαντική στην κινητική αυτής της διαδικασίας, ειδικά σε πετροχημικές αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας, καθώς απενεργοποιούνται με πυροσυσσωμάτωση, οπτάνθρακα και παρόμοιες διεργασίες.

Εφαρμογή νέων τεχνολογιών

Τα RPP χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή βιομάζας. Στα πειράματα χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες υψηλής πίεσης. Η πίεση σε αυτά μπορεί να φτάσει τα 35 MPa. Η χρήση πολλών μεγεθών επιτρέπει στον χρόνο παραμονής να κυμαίνεται από 0,5 έως 600 δευτερόλεπτα. Για την επίτευξη θερμοκρασιών άνω των 300 °C, χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά θερμαινόμενοι αντιδραστήρες. Η βιομάζα παρέχεται από αντλίες HPLC.

νανοσωματίδια αερολύματος RPP

Υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον για τη σύνθεση και την εφαρμογή σωματιδίων νανομεγέθους για διάφορους σκοπούς, συμπεριλαμβανομένων κραμάτων υψηλής περιεκτικότητας σε κράμα και αγωγών παχιάς μεμβράνης για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας, μετάδοση μακρινών υπέρυθρων και πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Για αυτά τα συστήματα είναι απαραίτητο να παραχθούν σωματίδια ελεγχόμενου μεγέθους. Η διάμετρός τους είναι συνήθως στην περιοχή από 10 έως 500 nm.

Λόγω του μεγέθους, του σχήματος και της υψηλής ειδικής επιφάνειας, αυτά τα σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή καλλυντικών χρωστικών, μεμβρανών, καταλυτών, κεραμικών, καταλυτικών και φωτοκαταλυτικών αντιδραστήρων. Παραδείγματα εφαρμογών για νανοσωματίδια περιλαμβάνουν SnO₂ για αισθητήρεςμονοξείδιο του άνθρακα, TiO₂ για οδηγούς φωτός, SiO_{2 για κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου και οπτικές ίνες, C για πληρωτικά άνθρακα σε ελαστικά, Fe για υλικά εγγραφής, Ni για μπαταρίες και, σε μικρότερο βαθμό, παλλάδιο, μαγνήσιο και βισμούθιο. Όλα αυτά τα υλικά συντίθενται σε αντιδραστήρες αεροζόλ. Στην ιατρική, τα νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται για την πρόληψη και τη θεραπεία λοιμώξεων τραυμάτων, σε εμφυτεύματα τεχνητών οστών και για απεικόνιση εγκεφάλου.}

Παράδειγμα παραγωγής

Για να ληφθούν σωματίδια αλουμινίου, μια ροή αργού κορεσμένη με μεταλλικούς ατμούς ψύχεται σε RPP με διάμετρο 18 mm και μήκος 0,5 m από θερμοκρασία 1600 °C με ρυθμό 1000 °C/s. Καθώς το αέριο διέρχεται από τον αντιδραστήρα, εμφανίζεται η πυρήνωση και η ανάπτυξη σωματιδίων αλουμινίου. Ο ρυθμός ροής είναι 2 dm3/λεπτό και η πίεση είναι 1 atm (1013 Pa). Καθώς κινείται, το αέριο ψύχεται και γίνεται υπερκορεσμένο, γεγονός που οδηγεί στη δημιουργία πυρήνων σωματιδίων ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων και της εξάτμισης των μορίων, που επαναλαμβάνεται μέχρι το σωματίδιο να φτάσει σε κρίσιμο μέγεθος. Καθώς κινούνται μέσα από το υπερκορεσμένο αέριο, τα μόρια του αλουμινίου συμπυκνώνονται στα σωματίδια, αυξάνοντας το μέγεθός τους.