راکتور شیمیایی چیست؟

راکتور شیمیایی
از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
 

راکتور گازی غول پیکر پالایشگاه گاز یادآوران که برای شیرین سازی گاز استفاده می شود که توسط شرکت صنایع آذرآب طراحی و ساخته شده است.
راکتور شیمیایی حجم محصور شده ای است که در آن یک واکنش شیمیایی انجام می شود. در مهندسی شیمی، به طور کلی به عنوان یک ظرف فرآیند مورد استفاده برای انجام یک واکنش شیمیایی شناخته می‌شود، که یکی از عملیات واحد کلاسیک در تجزیه و تحلیل فرآیند شیمیایی است. طراحی یک راکتور شیمیایی با جنبه های متعدد مهندسی شیمی سر و کار دارد. مهندسان شیمی راکتورهایی را برای به حداکثر رساندن ارزش فعلی خالص برای واکنش داده شده طراحی می کنند. طراحان اطمینان حاصل می کنند که واکنش با بالاترین راندمان به سمت محصول خروجی مورد نظر پیش می رود و بالاترین بازده محصول را تولید می کند در حالی که به کمترین مقدار پول برای خرید و بهره برداری نیاز دارد. هزینه‌های عملیاتی معمولی شامل انرژی ورودی، حذف انرژی، هزینه‌های مواد خام، نیروی کار و غیره است. تغییرات انرژی می‌تواند به شکل گرمایش یا سرمایش، پمپاژ برای افزایش فشار، کاهش فشار اصطکاکی یا هم زدن باشد.
مهندسی واکنش‌های شیمیایی شاخه‌ای از مهندسی شیمی است که با راکتورهای شیمیایی و طراحی آن‌ها به ویژه با اعمال سینتیک شیمیایی در سیستم‌های صنعتی سروکار داردظ
 
 
 
 
رایج ترین انواع اساسی راکتورهای شیمیایی مخازن (که در آن واکنش دهنده ها در کل حجم مخلوط می شوند) و لوله ها یا لوله ها (برای راکتورهای جریان آرام و راکتورهای جریان پلاگین) هستند.
هر دو نوع را می توان به عنوان راکتورهای پیوسته یا راکتورهای دسته ای مورد استفاده قرار داد، و ممکن است یک یا چند ماده جامد (واگرها، کاتالیزورها یا مواد بی اثر) را در خود جای دهد، اما معرف ها و محصولات معمولاً سیال هستند (مایع یا گاز). راکتورها در فرآیندهای پیوسته معمولاً در حالت پایدار کار می کنند، در حالی که راکتورها در فرآیندهای دسته ای لزوماً در یک حالت گذرا کار می کنند. هنگامی که یک راکتور برای اولین بار یا پس از خاموش شدن به بهره برداری می رسد، در حالت گذرا است و متغیرهای کلیدی فرآیند با گذشت زمان تغییر می کنند.
 

سه مدل ایده آل برای تخمین مهم ترین متغیرهای فرآیند راکتورهای شیمیایی مختلف استفاده می شود:

  • مدل راکتور دسته ای،
  • مدل راکتور مخزن همزن پیوسته 
  • مدل راکتور جریان برق 
بسیاری از راکتورهای دنیای واقعی را می توان به عنوان ترکیبی از این انواع اساسی مدل کرد.
متغیرهای کلیدی فرآیند عبارتند از:
  • زمان اقامت (τ، تاو یونانی با حروف کوچک)
  • جلد (V)
  • دما (T)
  • فشار (P)
  • غلظت گونه های شیمیایی (C1, C2, C3, ... Cn)
  • ضرایب انتقال حرارت (h, U)
  • یک راکتور لوله ای اغلب می تواند یک بستر پر شده باشد. در این مورد، لوله یا کانال حاوی ذرات یا گلوله‌هایی است که معمولاً یک کاتالیزور جامد هستند.
  • واکنش دهنده ها، در فاز مایع یا گاز، از طریق بستر کاتالیزور پمپ می شوند
  • یک راکتور شیمیایی ممکن است یک بستر سیال نیز باشد. رآکتور بستر سیال را ببینید.
واکنش‌های شیمیایی که در یک راکتور اتفاق می‌افتد ممکن است گرمازا به معنای گرما دادن یا گرماگیر به معنای جذب گرما باشد. یک راکتور مخزن ممکن است دارای یک پوشش خنک کننده یا گرمایشی یا سیم پیچ های خنک کننده یا گرمایشی (لوله) باشد که در خارج از دیواره ظرف خود پیچیده شده است تا محتویات را خنک یا گرم کند، در حالی که راکتورهای لوله ای می توانند مانند مبدل های حرارتی طراحی شوند اگر واکنش به شدت گرمازا باشد. ، یا مانند کوره ها اگر واکنش به شدت گرماگیر باشد.
 

راکتور دسته ای


مقاله اصلی: راکتور دسته ای
ساده ترین نوع راکتور، راکتور دسته ای است. مواد در یک راکتور دسته ای بارگذاری می شوند و واکنش با گذشت زمان ادامه می یابد. یک راکتور دسته ای به حالت ثابت نمی رسد و کنترل دما، فشار و حجم اغلب ضروری است. بنابراین بسیاری از راکتورهای دسته ای دارای پورت هایی برای حسگرها و ورودی و خروجی مواد هستند. راکتورهای دسته ای معمولاً در تولید در مقیاس کوچک و واکنش با مواد بیولوژیکی مانند دم کردن، خمیرسازی و تولید آنزیم ها استفاده می شوند. یکی از نمونه‌های راکتور دسته‌ای، راکتور فشار است.
CSTR (رآکتور مخزن همزن پیوسته)
مقاله اصلی: راکتور مخزن همزن پیوسته
بررسی وضعیت داخل محفظه راکتور مخزن همزن پیوسته (CSTR). پروانه (یا همزن) تیغه های کمکی شفت را مخلوط می کند. بافل در پایین تصویر نیز به مخلوط کردن کمک می کند.
در یک CSTR، یک یا چند معرف سیال به یک راکتور مخزن وارد می شود که معمولاً با یک پروانه به هم زده می شود تا از اختلاط مناسب معرف ها در حین حذف پساب راکتور اطمینان حاصل شود. تقسیم حجم مخزن بر متوسط ​​دبی حجمی در مخزن، فضا زمان یا زمان مورد نیاز برای پردازش یک حجم راکتور سیال را به دست می دهد. با استفاده از سینتیک شیمیایی، درصد تکمیل مورد انتظار واکنش را می توان محاسبه کرد. برخی از جنبه های مهم CSTR:
در حالت پایدار، دبی جرمی درون باید برابر با دبی جرمی به بیرون باشد، در غیر این صورت مخزن سرریز می‌شود یا خالی می‌شود (حالت گذرا). در حالی که راکتور در حالت گذرا است، معادله مدل باید از توازن تفاضلی جرم و انرژی حاصل شود.
واکنش با سرعت واکنش مرتبط با غلظت نهایی (خروجی) انجام می شود، زیرا غلظت در سراسر راکتور همگن فرض می شود.
اغلب، از نظر اقتصادی به کارگیری چندین CSTR به صورت سری سودمند است. به عنوان مثال، این اجازه می دهد تا اولین CSTR با غلظت معرف بالاتر و در نتیجه سرعت واکنش بالاتر عمل کند. در این موارد، اندازه راکتورها ممکن است به منظور به حداقل رساندن کل سرمایه گذاری مورد نیاز برای اجرای فرآیند تغییر کند.
می توان نشان داد که تعداد نامتناهی از CSTRهای بی نهایت کوچک که به صورت سری کار می کنند، معادل یک PFR است.
 
 
رفتار یک CSTR اغلب با رفتار یک راکتور مخزن ایده‌آل پیوسته (CISTR) تقریبی یا مدل‌سازی می‌شود. تمام محاسبات انجام شده با CISTR ها اختلاط کامل را فرض می کنند. اگر زمان اقامت 5-10 برابر زمان اختلاط باشد، این تقریب برای اهداف مهندسی معتبر در نظر گرفته می شود. مدل CISTR اغلب برای ساده کردن محاسبات مهندسی استفاده می شود و می تواند برای توصیف راکتورهای تحقیقاتی استفاده شود. در عمل فقط می توان به آن نزدیک شد، به ویژه در راکتورهای اندازه صنعتی که زمان اختلاط ممکن است بسیار زیاد باشد. راکتور حلقه ای نوع ترکیبی از راکتور کاتالیزوری است که از نظر فیزیکی شبیه یک راکتور لوله ای است، اما مانند یک CSTR عمل می کند. مخلوط واکنش در حلقه‌ای از لوله به گردش در می‌آید، که توسط یک ژاکت برای خنک‌سازی یا گرمایش احاطه شده است، و جریان پیوسته مواد اولیه به داخل و خارج محصول وجود دارد.
 
PFR (راکتور جریان برقی)
نمودار ساده مدل راکتور جریان پلاگین را نشان می دهد
مقاله اصلی: مدل راکتور جریان برقی
در یک PFR، که گاهی اوقات راکتور لوله ای پیوسته (CTR) نامیده می شود، [10] یک یا چند معرف سیال از طریق یک لوله یا لوله پمپ می شود. واکنش شیمیایی با حرکت معرف ها از طریق PFR ادامه می یابد. در این نوع راکتور، سرعت تغییر واکنش یک گرادیان نسبت به مسافت طی شده ایجاد می کند. در ورودی PFR سرعت بسیار زیاد است، اما با کاهش غلظت معرف ها و افزایش غلظت محصول(ها) سرعت واکنش کند می شود. برخی از جنبه های مهم PFR:
  • مدل ایده آل PFR هیچ اختلاط محوری را فرض نمی کند: هر عنصری از سیال که از طریق راکتور عبور می کند با سیال بالادست یا پایین دست از آن مخلوط نمی شود، همانطور که اصطلاح "جریان دوشاخه" نشان می دهد.
  • معرف ها ممکن است در مکان هایی در راکتور به غیر از ورودی وارد PFR شوند. به این ترتیب ممکن است بازده بالاتری به دست آید یا اندازه و هزینه PFR کاهش یابد.
  • یک PFR کارایی نظری بالاتری نسبت به یک CSTR با همان حجم دارد. یعنی با توجه به فضا-زمان (یا زمان اقامت) یکسان، یک واکنش به درصد تکمیل بالاتری در یک PFR نسبت به یک CSTR ادامه خواهد داد. این همیشه برای واکنش های برگشت پذیر صادق نیست.

برای اکثر واکنش های شیمیایی مورد علاقه صنعتی، انجام واکنش تا 100% غیرممکن است. سرعت واکنش با مصرف واکنش دهنده ها کاهش می یابد تا زمانی که سیستم به تعادل دینامیکی می رسد (هیچ واکنش خالص یا تغییر در گونه های شیمیایی رخ نمی دهد). نقطه تعادل برای اکثر سیستم ها کمتر از 100٪ کامل است. به همین دلیل، یک فرآیند جداسازی، مانند تقطیر، اغلب از یک راکتور شیمیایی پیروی می کند تا هر معرف یا محصولات جانبی باقی مانده را از محصول مورد نظر جدا کند. این معرف ها ممکن است گاهی اوقات در ابتدای فرآیند مورد استفاده مجدد قرار گیرند، مانند فرآیند هابر. در برخی موارد، راکتورهای بسیار بزرگ برای نزدیک شدن به تعادل ضروری هستند و مهندسان شیمی ممکن است تصمیم بگیرند که مخلوط نیمه واکنش داده شده را جدا کرده و واکنش دهنده های باقیمانده را بازیافت کنند.

در شرایط جریان آرام، فرض جریان پلاگین بسیار نادرست است، زیرا سیالی که از مرکز لوله عبور می کند بسیار سریعتر از سیال در دیوار حرکت می کند. راکتور بافل نوسانی پیوسته (COBR) با ترکیب نوسان سیال و بافل های روزنه ای به اختلاط کامل دست می یابد و اجازه می دهد جریان پلاگین در شرایط جریان آرام تقریبی شود.
 
راکتور نیمه دسته ای
نوشتار اصلی: راکتور نیمه‌بچ
یک راکتور نیمه دسته ای با هر دو ورودی و خروجی پیوسته و دسته ای کار می کند. به عنوان مثال، یک تخمیر با دسته ای از محیط و میکروب ها بارگیری می شود که دائماً دی اکسید کربن تولید می کند که باید به طور مداوم حذف شود. به همین ترتیب، واکنش یک گاز با یک مایع معمولاً دشوار است، زیرا برای واکنش با جرم مساوی از مایع، حجم زیادی از گاز لازم است. برای غلبه بر این مشکل، یک تغذیه مداوم از گاز را می توان از طریق یک دسته از یک مایع حباب کرد. به طور کلی، در عملیات نیمه دسته ای، یک واکنش دهنده شیمیایی به راکتور بارگذاری می شود و ماده شیمیایی دوم به آرامی اضافه می شود (مثلاً برای جلوگیری از واکنش های جانبی)، یا محصولی که در نتیجه تغییر فاز ایجاد می شود، به طور مداوم حذف می شود، به عنوان مثال یک گاز تشکیل می شود. در اثر واکنش، جامدی که رسوب می کند، یا محصول آبگریز که در محلول آبی تشکیل می شود.
راکتور کاتالیزوری
اگرچه راکتورهای کاتالیزوری اغلب به عنوان راکتورهای جریان پلاگین اجرا می شوند، تجزیه و تحلیل آنها نیاز به درمان پیچیده تری دارد. سرعت یک واکنش کاتالیزوری با مقدار کاتالیزوری که واکنشگرها در تماس هستند و همچنین غلظت واکنش دهنده ها متناسب است. با کاتالیزور فاز جامد و معرف‌های فاز سیال، این با سطح در معرض، راندمان انتشار معرف‌ها در داخل و خارج کردن محصولات و کارایی اختلاط متناسب است. معمولاً نمی توان اختلاط کامل را فرض کرد. علاوه بر این، یک مسیر واکنش کاتالیزوری اغلب در چند مرحله با واسطه‌هایی که از نظر شیمیایی به کاتالیزور متصل هستند، رخ می‌دهد. و از آنجایی که اتصال شیمیایی به کاتالیزور نیز یک واکنش شیمیایی است، ممکن است بر سینتیک تأثیر بگذارد. واکنش‌های کاتالیزوری اغلب سینتیک‌های کاذب‌شده را نشان می‌دهند، زمانی که سینتیک ظاهری با سینتیک‌های شیمیایی واقعی به دلیل اثرات انتقال فیزیکی متفاوت است.
رفتار کاتالیزور نیز مورد توجه است. به ویژه در فرآیندهای پتروشیمی با دمای بالا، کاتالیزورها با فرآیندهایی مانند پخت، کک سازی و مسمومیت غیرفعال می شوند.
یک مثال رایج از یک راکتور کاتالیزوری، مبدل کاتالیزوری است که اجزای سمی اگزوز خودروها را پردازش می کند. با این حال، اکثر راکتورهای پتروشیمی کاتالیزوری هستند و مسئول اکثر تولیدات شیمیایی صنعتی هستند، با نمونه های بسیار با حجم بالا از جمله اسید سولفوریک، آمونیاک، ریفرمیت/BTEX (بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن)، و کراکینگ کاتالیزوری سیال. تنظیمات مختلفی ممکن است، رآکتور کاتالیزوری ناهمگن را ببینید.