Čo sú chemické reaktory? Typy chemických reaktorov

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Chemická reakcia je proces, ktorý vedie k premene reaktantov. Vyznačuje sa zmenami, ktorých výsledkom je jeden alebo viacero produktov, ktoré sa líšia od originálu. Chemické reakcie sú rôzneho charakteru. Závisí od typu činidiel, získanej látky, podmienok a času syntézy, rozkladu, vytesňovania, izomerizácie, acidobázických, redoxných, organických procesov atď.

Chemické reaktory sú nádoby určené na vykonávanie reakcií s cieľom vyrobiť konečný produkt. Ich dizajn závisí od rôznych faktorov a mal by poskytovať maximálny výkon nákladovo najefektívnejším spôsobom.

Zobrazenia

Existujú tri hlavné základné modely chemických reaktorov:

• Periodicky.
• Continuous Stirred (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Tieto základné modely je možné upraviť tak, aby spĺňali požiadavky chemického procesu.

Vsádzkový reaktor

Chemické jednotky tohto typu sa používajú v dávkových procesoch s nízkymi objemami výroby, dlhými reakčnými časmi alebo tam, kde sa dosahuje lepšia selektivita, ako pri niektorých polymerizačných procesoch.

Na to slúžia napríklad nerezové nádoby, ktorých obsah sa mieša vnútornými pracovnými lopatkami, plynovými bublinami alebo pomocou púmp. Regulácia teploty sa vykonáva pomocou plášťov na výmenu tepla, zavlažovacích chladičov alebo čerpania cez výmenník tepla.

Vsádzkové reaktory sa v súčasnosti používajú v chemickom a potravinárskom priemysle. Ich automatizácia a optimalizácia spôsobuje ťažkosti, pretože je potrebné kombinovať nepretržité a diskrétne procesy.

Polodávkové chemické reaktory kombinujú kontinuálnu a vsádzkovú prevádzku. Napríklad bioreaktor je pravidelne zaťažovaný a neustále uvoľňuje oxid uhličitý, ktorý sa musí neustále odstraňovať. Podobne pri chloračnej reakcii, keď je plynný chlór jednou z reaktantov, ak sa nezavádza kontinuálne, väčšina z neho prchá.

Na zabezpečenie veľkých objemov výroby sa používajú hlavne kontinuálne chemické reaktory alebo kovové nádrže s miešadlom alebo kontinuálnym prietokom.

Kontinuálny miešaný reaktor

Kvapalné činidlá sa plnia do nádrží z nehrdzavejúcej ocele. Aby sa zabezpečila správna interakcia, sú zmiešané pracovnými čepeľami. Teda vV reaktoroch tohto typu sa reaktanty kontinuálne privádzajú do prvej nádrže (vertikálnej, oceľovej), potom vstupujú do ďalších, pričom sa v každej nádrži dôkladne premiešajú. Hoci zloženie zmesi je v každej jednotlivej nádrži homogénne, v systéme ako celku sa koncentrácia líši od nádrže k nádrži.

Priemerné množstvo času stráveného oddeleným množstvom činidla v nádrži (čas pobytu) možno vypočítať jednoduchým vydelením objemu nádrže priemerným objemovým prietokom cez ňu. Očakávané percento dokončenia reakcie sa vypočíta pomocou chemickej kinetiky.

Nádrže sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele alebo zliatin, ako aj so sm altovaným povrchom.

Niektoré dôležité aspekty NPM

Všetky výpočty sú založené na dokonalom zmiešaní. Reakcia prebieha rýchlosťou súvisiacou s konečnou koncentráciou. V rovnovážnom stave sa prietok musí rovnať prietoku, inak nádrž pretečie alebo sa vyprázdni.

Často je nákladovo efektívne pracovať s viacerými sériovými alebo paralelnými HPM. Nádrže z nehrdzavejúcej ocele zostavené v kaskáde piatich alebo šiestich jednotiek sa môžu správať ako reaktor s piestovým tokom. To umožňuje, aby prvá jednotka pracovala s vyššou koncentráciou reaktantov, a teda s rýchlejšou reakčnou rýchlosťou. Niekoľko stupňov HPM možno umiestniť aj do vertikálnej oceľovej nádrže namiesto procesov prebiehajúcich v rôznych nádobách.

V horizontálnej verzii je viacstupňová jednotka rozdelená vertikálnymi priečkami rôznych výšok, cez ktoré zmes prúdi v kaskádach.

Keď sú reaktanty zle premiešané alebo sa výrazne líšia v hustote, použije sa vertikálny viacstupňový reaktor (s obložením alebo z nehrdzavejúcej ocele) v protiprúdovom režime. Toto je účinné pri uskutočňovaní reverzibilných reakcií.

Malá pseudotekutá vrstva je úplne premiešaná. Veľký komerčný reaktor s fluidným lôžkom má v podstate jednotnú teplotu, ale zmes miešateľných a vytesnených prúdov a prechodových stavov medzi nimi.

Plug-flow chemický reaktor

RPP je reaktor (nehrdzavejúci), v ktorom sa jedna alebo viacero kvapalných reaktantov čerpá potrubím alebo potrubím. Nazývajú sa aj tubulárne prúdenie. Môže mať niekoľko rúrok alebo rúrok. Reagencie neustále vstupujú cez jeden koniec a produkty vychádzajú z druhého. Chemické procesy prebiehajú pri prechode zmesi.

Pri RPP je rýchlosť reakcie gradientná: na vstupe je veľmi vysoká, ale s poklesom koncentrácie činidiel a zvýšením obsahu výstupných produktov sa jej rýchlosť spomaľuje. Zvyčajne sa dosiahne stav dynamickej rovnováhy.

Horizontálna aj vertikálna orientácia reaktora je bežná.

Keď sa vyžaduje prenos tepla, jednotlivé rúrky sú opláštené alebo sa používa výmenník tepla typu plášť a rúrka. V druhom prípade môžu byť chemikáliev škrupine aj v tube.

Kovové nádoby veľkého priemeru s tryskami alebo vaňami sú podobné RPP a sú široko používané. Niektoré konfigurácie využívajú axiálne a radiálne prúdenie, viaceré plášte so vstavanými výmenníkmi tepla, horizontálnu alebo vertikálnu polohu reaktora atď.

Reagenčná nádoba môže byť naplnená katalytickými alebo inertnými pevnými látkami na zlepšenie medzifázového kontaktu pri heterogénnych reakciách.

V RPP je dôležité, aby výpočty nezohľadňovali vertikálne ani horizontálne miešanie – to je to, čo sa myslí pod pojmom „zátkový tok“. Činidlá môžu byť do reaktora zavádzané nielen cez vstup. Tak je možné dosiahnuť vyššiu efektivitu RPP alebo znížiť jej veľkosť a cenu. Výkon RPP je zvyčajne vyšší ako výkon HPP rovnakého objemu. Pri rovnakých hodnotách objemu a času v piestových reaktoroch bude mať reakcia vyššie percento dokončenia ako v zmiešavacích jednotkách.

Dynamická rovnováha

Pri väčšine chemických procesov nie je možné dosiahnuť 100-percentné dokončenie. Ich rýchlosť klesá s rastom tohto ukazovateľa až do momentu, kedy systém dosiahne dynamickú rovnováhu (keď nenastane celková reakcia alebo zmena zloženia). Rovnovážny bod pre väčšinu systémov je pod 100% dokončením procesu. Z tohto dôvodu je potrebné vykonať separačný proces, ako je destilácia, aby sa oddelili zvyšné reaktanty alebo vedľajšie produkty odcieľ. Tieto činidlá sa niekedy dajú znova použiť na začiatku procesu, akým je napríklad Haberov proces.

Uplatnenie PFA

Piestové prietokové reaktory sa používajú na vykonávanie chemickej transformácie zlúčenín, keď sa pohybujú cez rúrkový systém pre veľké, rýchle, homogénne alebo heterogénne reakcie, kontinuálnu výrobu a procesy generujúce vysoké teplo.

Ideálny RPP má pevnú dobu zotrvania, t.j. akákoľvek kvapalina (piest), ktorá vstúpi v čase t, ju opustí v čase t + τ, kde τ je doba zdržania v inštalácii.

Chemické reaktory tohto typu majú vysoký výkon po dlhú dobu, ako aj vynikajúci prenos tepla. Nevýhodami RPP sú ťažkosti s riadením teploty procesu, čo môže viesť k nežiaducim teplotným výkyvom, a ich vyššia cena.

Katalytické reaktory

Hoci sa tieto typy jednotiek často implementujú ako RPP, vyžadujú si komplexnejšiu údržbu. Rýchlosť katalytickej reakcie je úmerná množstvu katalyzátora v kontakte s chemikáliami. V prípade pevného katalyzátora a kvapalných reaktantov je rýchlosť procesov úmerná dostupnej ploche, vstupu chemikálií a odberu produktov a závisí od prítomnosti turbulentného miešania.

Katalytická reakcia je v skutočnosti často viacstupňová. Nie lenpočiatočné reaktanty interagujú s katalyzátorom. Reagujú s ním aj niektoré medziprodukty.

V kinetike tohto procesu je dôležité aj správanie katalyzátorov, najmä pri vysokoteplotných petrochemických reakciách, pretože sa deaktivujú spekaním, koksovaním a podobnými procesmi.

Uplatňovanie nových technológií

RPP sa používajú na konverziu biomasy. V experimentoch sa používajú vysokotlakové reaktory. Tlak v nich môže dosiahnuť 35 MPa. Použitie niekoľkých veľkostí umožňuje meniť čas zotrvania od 0,5 do 600 s. Na dosiahnutie teplôt nad 300 °C sa používajú elektricky vyhrievané reaktory. Biomasa sa dodáva pomocou čerpadiel HPLC.

RPP aerosólové nanočastice

Existuje značný záujem o syntézu a aplikáciu nanočastíc na rôzne účely, vrátane vysokolegovaných zliatin a hrubovrstvových vodičov pre elektronický priemysel. Ďalšie aplikácie zahŕňajú merania magnetickej susceptibility, ďaleko infračervený prenos a nukleárnu magnetickú rezonanciu. Pre tieto systémy je potrebné vyrábať častice riadenej veľkosti. Ich priemer je zvyčajne v rozsahu 10 až 500 nm.

Vďaka svojej veľkosti, tvaru a vysokému špecifickému povrchu môžu byť tieto častice použité na výrobu kozmetických pigmentov, membrán, katalyzátorov, keramiky, katalytických a fotokatalytických reaktorov. Príklady aplikácií pre nanočastice zahŕňajú SnO₂ pre senzoryoxid uhoľnatý, TiO₂ pre svetlovody, SiO_{2 pre koloidný oxid kremičitý a optické vlákna, C pre uhlíkové plnivá v pneumatikách, Fe pre záznamové materiály, Ni pre batérie a v menšej miere paládium, horčík a bizmut. Všetky tieto materiály sa syntetizujú v aerosólových reaktoroch. V medicíne sa nanočastice používajú na prevenciu a liečbu infekcií rán, v umelých kostných implantátoch a na zobrazovanie mozgu.}

Príklad výroby

Na získanie hliníkových častíc sa prúd argónu nasýtený parami kovu ochladzuje v RPP s priemerom 18 mm a dĺžkou 0,5 m z teploty 1600 °C rýchlosťou 1000 °C/s. Pri prechode plynu cez reaktor nastáva nukleácia a rast hliníkových častíc. Prietok je 2 dm3/min a tlak je 1 atm (1013 Pa). Pri pohybe sa plyn ochladzuje a stáva sa presýteným, čo vedie k nukleácii častíc v dôsledku zrážok a vyparovania molekúl, čo sa opakuje, kým častica nedosiahne kritickú veľkosť. Ako sa pohybujú cez presýtený plyn, molekuly hliníka kondenzujú na časticiach, čím sa zväčšuje ich veľkosť.