راکتور

انواع راکتورهای شیمیایی و کاربرد آن در صنعت

راکتور شیمیایی یک ظرف بسته است که در آن یک واکنش شیمیایی انجام می شود. مهندسان شیمی باید اطمینان حاصل کنند که واکنش تا حد ممکن به سمت محصول مورد نظر پیش می رود و در نتیجه بهترین بازدهی را به همراه دارد و در عین حال به کمترین هزینه برای خرید و بهره برداری نیاز دارد. مصرف انرژی، دفع انرژی، هزینه مواد خام، نیروی کار و سایر هزینه‌ها همگی بخشی از هزینه‌های عملیاتی منظم هستند.

واکنش دهنده و فرآورده ها معمولاً سیال هستند (گاز یا مایع). راکتورهای پیوسته معمولاً در حالت ثابت کار می کنند، در حالی که راکتورهای دسته ای در حالت گذرا کار می کنند. یک راکتور زمانی که برای اولین بار یا پس از خاموش شدن روشن می شود گذرا است و متغیرهای فرآیند بحرانی در طول زمان تغییر می کنند.

راکتور شیمیایی

راکتور شیمیایی به دستگاهی اطلاق می شود که از یک مخزن تحت فشار برای انجام یک واکنش شیمیایی استفاده می کنند. راکتورها معمولاً از نظر اندازه متفاوت هستند و بنابراین هرگز یکسان نیستند. نمونه ای از آن کوره ای است که برای تولید آهک از سنگ آهک استفاده می شود که ممکن است 25 متر ارتفاع داشته باشد و بتواند مواد بالای 400 تن را در خود جای دهد. همچنین، طراحی راکتور به عوامل خاصی بستگی دارد، اما بیشتر به سینتیک و ترمودینامیک واکنش‌های شیمیایی بستگی دارد. رآکتورها در مهندسی شیمی انواع مختلفی دارند که شامل راکتورهای ناپیوسته و پیوسته می شود. معمولا ابتدایی ترین انواع راکتورهای شیمیایی لوله ها،  و مخازن هستند.

اتفاقی که در راکتورهای شیمیایی ساده می افتد این است که واکنش دهنده ها در یک ظرف، مخزن یا لوله قرار می گیرند. سپس آنها را مخلوط کرده و سپس حرارت می دهند تا واکنش انجام شود. پس از انجام واکنش، محتویات داخل مخزن را می گذاریم تا خنک شود. معمولاً در واکنش هایی که در آزمایشگاه انجام می شود از راکتورهای دسته ای استفاده می شود. همچنین، این فرآیند ممکن است در صنایع مورد استفاده قرار گیرد. تنها تفاوت بین این و واکنش در آزمایشگاه، کمیت راکتورها و اندازه راکتورها است.

سه مدل ایده آل برای تعیین متغیرهای فرآیند اصلی راکتورهای شیمیایی مختلف استفاده می شود:

  • راکتور بچ
  • راکتور مخزنی میکسردار

بسیاری از راکتورها در صنایع فرایندی را می توان به عنوان ترکیبی از این انواع اساسی توصیف کرد. متغیرهای فرآیند اصلی مرتبط با راکتورها عبارتند از:

  • جلد (V)
  • زمان اقامت (t)
  • دما (T)
  • فشار (P)
  • غلظت گونه ها (C 1 , C 2 , … C n )
  • ضرایب انتقال حرارت (U, h)

بستر بسته بندی شده اغلب در راکتورهای لوله ای استفاده می شود. کانال یا لوله شامل ذرات است که در این سناریو معمولاً کاتالیزورهای جامد هستند. واکنش دهنده ها به صورت مایع یا گاز از طریق بستر کاتالیزور رانده می شوند. بستر سیال نیز می تواند به عنوان یک راکتور شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.

فرآیندهای شیمیایی در یک راکتور می تواند گرمازا باشد (گرما می دهد) یا گرماگیر (گرما را جذب می کند). راکتورهای لوله ای می توانند به عنوان مبدل حرارتی ساخته شوند اگر واکنش بسیار گرمازا باشد.

 انواع راکتورهای شیمیایی

راکتور دسته ای شکل غیر پیوسته ای از راکتور است که از یک مخزن بسته تشکیل شده است که در آن واکنش ها رخ می دهد. در ابتدا، همه واکنش دهنده ها به طور همزمان به راکتور اضافه می شوند. راکتورهای دسته ای معمولاً دارای یک همزن هستند که واکنش دهنده ها را کاملاً مخلوط می کند تا واکنش را انجام داده و محصول را به طور مؤثر سنتز کند.

راکتور شیمیایی میکسردار

واکنش های گرمازا معمولاً با استفاده از کویل های خنک کننده در راکتورهای دسته ای انجام می شوند. راکتور دسته ای یک راکتور ناپایدار و گذرا است. این بدان معنی است که مقدار تبدیل در راکتور با زمان تغییر می کند. ماهیت راکتور دسته ای به دلیل هم زدن کاملاً یکنواخت باقی می ماند. این نشان می دهد که درجه تبدیل تحت تأثیر قرار دادن راکتور نیست. وسعت واکنش در هر قسمت از راکتور همیشه برابر است.

مزایای راکتورهای شیمیایی

مزیت اصلی استفاده از CSTR در صنعت، تولید حجم عظیم محصول است. این یک راکتور با حالت ثابت پیوسته است که می تواند برای مدت زمان طولانی کار کند. تطبیق پذیری یک راکتور دسته ای مهم ترین مزیت آن است. یک راکتور دسته ای واحد می تواند محصولات مختلفی را تحویل دهد. راکتورهای دسته ای زمانی بسیار موثر هستند که یک واکنش تعداد زیادی محصول تولید کند. مزیت PFR نسبت به CSTR این است که PFR حجم کمتری نسبت به CSTR برای همان فضا-زمان و سطح تبدیل دارد. این نشان می دهد که راکتور به فضای کمتری نیاز دارد و میزان تبدیل در PFR نسبت به CSTR برای همان حجم راکتور بیشتر است. PFR اغلب برای تعیین سینتیک فرآیند کاتالیزوری فاز گاز استفاده می شود.

معایب راکتورهای شیمیایی

یک راکتور دسته‌ای دارای این اشکال است که نیاز به تلاش زیادی برای شارژ واکنش‌دهنده‌ها، آزاد کردن محصولات و تمیز کردن راکتور برای دسته بعدی دارد. CSTR ها برای واکنش هایی با سینتیک بسیار آهسته که اغلب به یک راکتور حجم بسیار زیاد نیاز دارند، نامناسب هستند. هزینه های عملیاتی راکتور ممکن است آن را غیرقابل اجرا کند. در این شرایط از یک راکتور دسته ای استفاده می شود. انجام یک واکنش گرمازا در یک PFR به دلیل طیف گسترده‌ای از پروفایل‌های دما، به سختی قابل کنترل است. هزینه های عملیاتی و نگهداری برای PFR گران تر از CSTR است که هزینه کمتری دارد.

 راکتور های شیمیایی همزن دار

راکتور مخزن همزن پیوسته (CSTR) به عنوان راکتور جریان مخلوط نیز شناخته می شود. در این راکتور واکنش در یک مخزن بسته انجام می شود. یک همزن نیز در مخزن تعبیه شده است تا اطمینان حاصل شود که واکنش دهنده ها به خوبی مخلوط شده اند.

واکنش‌دهنده‌ها با سرعت جریان ثابت وارد راکتور می‌شوند، برای مدت زمانی که با فضا-زمان راکتور مشخص می‌شود، درون ظرف واکنش نشان می‌دهند و سپس محصولات تولید می‌کنند. همه محصولات به طور همزمان از راکتور خارج می شوند. زمان لازم برای اجرای یک حجم راکتور معادل یک فضا-زمان است.

کارگاه ساخت راکتور
کارگاه ساخت راکتور

همزن غلظت ثابتی را در سراسر راکتور حفظ می کند. همچنین نشان می‌دهد که میزان تبدیل تحت تأثیر موقعیت راکتور نیست. حجم راکتور میزان تبدیل را تعیین می کند.

راکتور های لوله ای صنایع شیمیایی

راکتور لوله ای (PFR) همچنین به عنوان یک راکتور لوله ای پیوسته (CTR) شناخته می شود. مدل راکتور لوله ای واکنش های شیمیایی را در جریان های استوانه ای و پیوسته توصیف می کند.

به غیر از راکتورهای دسته ای، یک راکتور پیوسته نیز وجود دارد . رکتورهای پیوسته در آزمایشگاه ها استفاده نمی شوند زیرا برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب تر هستند. آنچه در راکتورهای پیوسته اتفاق می افتد این است که واکنش دهنده ها به طور مداوم در راکتوری که در آن واکنش شیمیایی انجام می شود عبور داده می شود. با این حال، محصول نهایی در نقطه دیگری دریافت می شود. راکتورهای پیوسته معمولاً در صنایعی که مقادیر زیادی مواد شیمیایی تولید می کنند استفاده می شود. توجه داشته باشید که دو نوع راکتور پیوسته وجود دارد، یعنی راکتور پیوسته مخزن همزده و راکتورهای لوله ای.

راکتور لوله ای

وقتی صحبت از راکتورهای مخزن همزن مداوم می شود، واکنش دهنده ها در راکتوری قرار می گیرند که دارای پروانه است. پروانه وظیفه اختلاط معرف ها را به خوبی بر عهده دارد تا اطمینان حاصل شود که یک ترکیب پیوسته و همگن وجود دارد. فرآیند راکتور لوله‌ای از راکتورهای هم‌زن مداوم مخزن متفاوت است. در راکتورهای لوله ای، لوله ای وجود دارد که در آن یک یا چند معرف سیال با سرعت بالا جریان دارد. واکنش شیمیایی معمولاً در رآکتورهای لوله‌ای هنگام عبور معرف‌ها انجام می‌شود. با عبور معرف ها از لوله ها، به آرامی به محصولات تبدیل می شوند. تا زمانی که سرعت بالایی وجود داشته باشد، محصولات قادر به رقیق شدن نخواهند بود و از این رو، فضای کمی برای مخلوط کردن پشتی وجود دارد یا اصلا وجود ندارد.

کاربرد راکتور نیمه دسته ای در صنایع شیمیایی

راکتور نیمه جریان یک نوع راکتور دسته ای است. این یک ظرف بسته با یک همزن برای مخلوط کردن واکنش دهنده ها است. یک واکنش دهنده در ابتدا به طور کامل در راکتور شارژ می شود، در حالی که دیگری پس از فواصل زمانی منظم شارژ می شود. بنابراین، یک واکنش دهنده شیمیایی در راکتور پر می شود، و ماده شیمیایی دیگر به آرامی اضافه می شود (مثلاً برای جلوگیری از واکنش های جانبی)، یا محصولی که در اثر گذار فاز تشکیل شده است، به طور مداوم جدا می شود، مانند تشکیل گاز در طول واکنش، رسوب جامدات. ، یا تشکیل محصول آبگریز.

استفاده از یک راکتور نیمه دسته ای در حین اجرای بسیاری از واکنش ها، کنترل بهتری بر بازده و گزینش محصول را فراهم می کند. این راکتور هنگام اجرای یک واکنش گرمازا مفید است زیرا جریان پیوسته معرف دیگر ممکن است برای کنترل بهتر واکنش گرمازا تنظیم شود. راکتورهای تمیز، تیغه های تمیز و نیروی کار بیشتر برای شارژ و تخلیه مناسب راکتور مورد نیاز است.

راکتورهای کاتالیزوری اغلب به عنوان راکتورهای جریان پلاگین مستقر می شوند. با این حال، محاسبات آنها نیاز به تکنیک پیچیده تری دارد. مقدار کاتالیزوری که معرف ها با آن تماس می گیرند و غلظت واکنش دهنده ها سرعت واکنش کاتالیزوری را تعیین می کند. یک مسیر واکنش کاتالیزوری اغلب با واسطه های شیمیایی در فازهای متعدد اتفاق می افتد. سینتیک ممکن است تحت تأثیر پیوند شیمیایی به کاتالیزور قرار گیرد که خود یک فرآیند شیمیایی است. فرآیندهای کاتالیزوری معمولاً به اصطلاح سینتیک جعلی را نشان می دهند، که در آن سینتیک درک شده از سینتیک شیمیایی واقعی به دلیل عوامل انتقال فیزیکی متفاوت است.

راکتور همزن دار

کاتالیزورها با کک کردن، مسمومیت و تف جوشی، به ویژه در فرآیندهای پتروشیمی با دمای بالا، غیرفعال می شوند. در صنایعی که راکتورهای کاتالیزوری برای انجام واکنش‌های پیچیده و پیچیده مورد نیاز هستند، عملیات فرآیندی گسترده‌ای وجود دارد.

برخی از واکنش های شیمیایی برای انجام واکنش با سینتیک مناسب نیاز به کاتالیزور خاصی دارند. بدون کاتالیزور مناسب، برخی از واکنش ها نمی توانند با سینتیک اقتصادی پیش بروند. به طور کلی، عملکرد کاتالیزور ارائه یک مسیر جایگزین و کم انرژی برای یک فرآیند است. ترک خوردگی نفت، هیدروژناسیون هیدروکربن های غیراشباع، سنتز آمونیاک، سنتز اسید سولفوریک و غیره، همگی نمونه هایی از واکنش هایی هستند که به نوعی کاتالیزور نیاز دارند.

راکتورهای کاتالیست نیاز به تعمیر و نگهداری خاصی دارند و کنترل آن دشوار است. یک محیط و تجربه بسیار کنترل شده برای انجام واکنش خاص با نرخ اقتصادی مورد نیاز است. در صورت بهینه نبودن شرایط، احتمال تخریب کاتالیزور گران قیمت نیز وجود دارد.

راکتورهای دسته ای معمولاً در صنایعی استفاده می شوند که طیف وسیعی از محصولات را تولید می کنند که راکتورها و شرایط راکتور متفاوتی دارند. برخی از نمونه‌هایی از فرآیندهایی که از راکتور دسته‌ای استفاده می‌کنند شامل ساخت مارگارین و رنگ‌ها می‌شود. توجه داشته باشید که فرآیند دسته ای معمولاً برای تولید در مقیاس کوچک و در فرآیندهایی که باید محصولات مختلف در تجهیزات مشابه تولید شوند خوب است.

منبع

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

به بالای صفحه بردن