Ano ang mga chemical reactor? Mga uri ng mga kemikal na reaktor

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 14:03

Ang kemikal na reaksyon ay isang proseso na humahantong sa pagbabago ng mga reactant. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga pagbabago na nagreresulta sa isa o higit pang mga produkto na naiiba sa orihinal. Ang mga reaksiyong kemikal ay may ibang kalikasan. Depende ito sa uri ng reagents, substance na nakuha, mga kondisyon at oras ng synthesis, decomposition, displacement, isomerization, acid-base, redox, organic na proseso, atbp.

Ang mga kemikal na reactor ay mga lalagyan na idinisenyo upang magsagawa ng mga reaksyon upang makagawa ng panghuling produkto. Nakadepende ang kanilang disenyo sa iba't ibang salik at dapat magbigay ng maximum na output sa pinaka-epektibong paraan.

Views

May tatlong pangunahing pangunahing modelo ng mga chemical reactor:

• Paminsan-minsan.
• Continuous Stirred (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Ang mga pangunahing modelong ito ay maaaring baguhin upang matugunan ang mga kinakailangan ng proseso ng kemikal.

Batch reactor

Ang mga kemikal na unit ng ganitong uri ay ginagamit sa mga proseso ng batch na may mababang dami ng produksyon, mahabang oras ng reaksyon o kung saan nakakamit ang mas mahusay na selectivity, tulad ng sa ilang proseso ng polymerization.

Para dito, halimbawa, ang mga stainless steel na lalagyan ay ginagamit, ang mga nilalaman nito ay hinaluan ng mga panloob na gumaganang blades, mga bula ng gas o paggamit ng mga bomba. Isinasagawa ang pagkontrol sa temperatura gamit ang mga heat exchange jacket, irrigation cooler o pumping sa pamamagitan ng heat exchanger.

Ang mga batch na reactor ay kasalukuyang ginagamit sa industriya ng kemikal at pagpoproseso ng pagkain. Ang kanilang pag-automate at pag-optimize ay lumilikha ng mga paghihirap, dahil kinakailangan upang pagsamahin ang tuluy-tuloy at hiwalay na mga proseso.

Ang mga semi-batch na chemical reactor ay pinagsasama ang tuluy-tuloy at batch na operasyon. Ang isang bioreactor, halimbawa, ay pana-panahong nilo-load at patuloy na naglalabas ng carbon dioxide, na dapat na patuloy na alisin. Katulad nito, sa reaksyon ng chlorination, kapag ang chlorine gas ay isa sa mga reactant, kung hindi ito patuloy na ipinapasok, karamihan sa mga ito ay pabagu-bago.

Upang matiyak ang malalaking volume ng produksyon, pangunahing ginagamit ang tuluy-tuloy na chemical reactor o metal tank na may agitator o tuloy-tuloy na daloy.

Continuous stirred reactor

Ang mga likidong reagents ay ipinapasok sa mga tangke ng hindi kinakalawang na asero. Upang matiyak ang wastong pakikipag-ugnayan, pinaghalo ang mga ito ng mga gumaganang blades. Kaya, saSa mga reactor ng ganitong uri, ang mga reactant ay patuloy na pinapakain sa unang tangke (vertical, steel), pagkatapos ay ipinasok nila ang mga kasunod, habang lubusan na pinaghalo sa bawat tangke. Bagama't homogenous ang komposisyon ng mixture sa bawat indibidwal na tangke, sa kabuuan ng system ang konsentrasyon ay nag-iiba mula sa bawat tangke.

Ang average na tagal ng oras na ginugugol ng isang discrete na halaga ng reagent sa isang tangke (oras ng paninirahan) ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan lamang ng paghahati sa volume ng tangke sa average na volumetric flow rate sa pamamagitan nito. Ang inaasahang porsyento ng pagkumpleto ng reaksyon ay kinakalkula gamit ang chemical kinetics.

Ang mga tangke ay gawa sa hindi kinakalawang na asero o mga haluang metal, pati na rin sa enamel coating.

Ilang mahahalagang aspeto ng NPM

Lahat ng kalkulasyon ay batay sa perpektong paghahalo. Ang reaksyon ay nagpapatuloy sa bilis na nauugnay sa panghuling konsentrasyon. Sa equilibrium, ang flow rate ay dapat na katumbas ng flow rate, kung hindi, ang tangke ay aapaw o walang laman.

Kadalasan ay epektibo ang gastos upang gumana sa maraming serial o parallel na HPM. Ang mga tangke ng hindi kinakalawang na asero na binuo sa isang cascade ng lima o anim na mga yunit ay maaaring kumilos tulad ng isang plug flow reactor. Ito ay nagpapahintulot sa unang yunit na gumana sa isang mas mataas na konsentrasyon ng reactant at samakatuwid ay isang mas mabilis na rate ng reaksyon. Gayundin, maaaring ilagay ang ilang yugto ng HPM sa isang patayong tangke ng bakal, sa halip na mga prosesong nagaganap sa iba't ibang lalagyan.

Sa pahalang na bersyon, ang multi-stage na unit ay pinaghiwa-hiwalay ng mga patayong partisyon ng iba't ibang taas kung saan dumadaloy ang timpla nang mga cascades.

Kapag mahina ang paghahalo ng mga reactant o malaki ang pagkakaiba sa density, isang patayong multi-stage na reactor (lined o stainless steel) ang ginagamit sa countercurrent mode. Ito ay epektibo para sa pagsasagawa ng mga reversible reaction.

Ang maliit na pseudo-liquid layer ay ganap na pinaghalo. Ang isang malaking commercial fluidized bed reactor ay may halos pare-parehong temperatura, ngunit pinaghalong miscible at displaced stream at transition states sa pagitan ng mga ito.

Plug-flow chemical reactor

Ang RPP ay isang reactor (stainless) kung saan ang isa o higit pang mga liquid reactant ay ibinubomba sa pamamagitan ng isang tubo o mga tubo. Tinatawag din silang tubular flow. Maaaring may ilang tubo o tubo ito. Ang mga reagents ay patuloy na pumapasok sa isang dulo at ang mga produkto ay lumalabas mula sa isa pa. Nagaganap ang mga prosesong kemikal habang dumadaan ang halo.

Sa RPP, ang rate ng reaksyon ay gradient: sa input ito ay napakataas, ngunit sa pagbaba sa konsentrasyon ng mga reagents at pagtaas sa nilalaman ng mga produkto ng output, ang rate nito ay bumagal. Karaniwan ang isang estado ng dynamic na equilibrium ay naabot.

Parehong pahalang at patayong oryentasyon ng reaktor ay karaniwan.

Kapag kailangan ang paglipat ng init, ang mga indibidwal na tubo ay naka-jacket o ginagamit ang isang shell at tube heat exchanger. Sa huling kaso, ang mga kemikal ay maaaringparehong nasa shell at tube.

Ang mga metal na lalagyan na may malaking diameter na may mga nozzle o paliguan ay katulad ng RPP at malawakang ginagamit. Gumagamit ang ilang configuration ng axial at radial flow, maraming shell na may built-in na heat exchanger, horizontal o vertical na posisyon ng reactor, at iba pa.

Ang reagent vessel ay maaaring punuin ng catalytic o inert solids upang mapabuti ang interfacial contact sa magkakaibang reaksyon.

Mahalaga sa RPP na hindi isinasaalang-alang ng mga kalkulasyon ang patayo o pahalang na paghahalo - ito ang ibig sabihin ng terminong "daloy ng plug". Ang mga reagents ay maaaring ipasok sa reactor hindi lamang sa pamamagitan ng pumapasok. Kaya, posibleng makamit ang mas mataas na kahusayan ng RPP o bawasan ang laki at gastos nito. Ang pagganap ng RPP ay karaniwang mas mataas kaysa sa pagganap ng HPP ng parehong volume. Sa pantay na halaga ng volume at oras sa mga piston reactor, ang reaksyon ay magkakaroon ng mas mataas na porsyento ng pagkumpleto kaysa sa mga mixing unit.

Dynamic na Balanse

Para sa karamihan ng mga prosesong kemikal, imposibleng makamit ang 100 porsiyentong pagkumpleto. Ang kanilang bilis ay bumababa sa paglaki ng tagapagpahiwatig na ito hanggang sa sandaling ang sistema ay umabot sa dynamic na equilibrium (kapag ang kabuuang reaksyon o pagbabago sa komposisyon ay hindi nangyari). Ang punto ng equilibrium para sa karamihan ng mga system ay mas mababa sa 100% na pagkumpleto ng proseso. Para sa kadahilanang ito, kinakailangan na magsagawa ng isang proseso ng paghihiwalay, tulad ng distillation, upang paghiwalayin ang natitirang mga reactant o by-product mula satarget. Ang mga reagents na ito kung minsan ay maaaring magamit muli sa simula ng isang proseso gaya ng proseso ng Haber.

Application ng PFA

Ang mga reactor ng daloy ng piston ay ginagamit upang isagawa ang pagbabagong kemikal ng mga compound habang gumagalaw ang mga ito sa isang sistemang tulad ng tubo para sa malakihang sukat, mabilis, homogenous o heterogenous na mga reaksyon, tuluy-tuloy na produksyon, at mga proseso ng pagbuo ng mataas na init.

Ang perpektong RPP ay may nakapirming oras ng paninirahan, ibig sabihin, anumang likido (piston) na pumapasok sa oras na t ay aalis dito sa oras na t + τ, kung saan ang τ ay ang oras ng paninirahan sa pag-install.

Ang ganitong uri ng mga kemikal na reactor ay may mataas na pagganap sa mahabang panahon, pati na rin ang mahusay na paglipat ng init. Ang mga disadvantage ng mga RPP ay ang kahirapan sa pagkontrol sa temperatura ng proseso, na maaaring humantong sa hindi gustong mga pagbabago sa temperatura, at ang kanilang mas mataas na gastos.

Catalytic reactors

Bagaman ang mga uri ng unit na ito ay madalas na ipinapatupad bilang RPP, nangangailangan ang mga ito ng mas kumplikadong maintenance. Ang rate ng isang catalytic reaction ay proporsyonal sa dami ng catalyst na nakikipag-ugnayan sa mga kemikal. Sa kaso ng solid catalyst at liquid reactants, ang rate ng mga proseso ay proporsyonal sa available na lugar, ang input ng mga kemikal at ang pag-withdraw ng mga produkto at depende sa pagkakaroon ng magulong paghahalo.

Ang isang catalytic na reaksyon sa katunayan ay kadalasang maraming hakbang. Hindi langang mga unang reactant ay nakikipag-ugnayan sa catalyst. Ang ilang mga intermediate na produkto ay tumutugon din dito.

Mahalaga rin ang pag-uugali ng mga catalyst sa kinetics ng prosesong ito, lalo na sa mga high temperature na petrochemical reactions, dahil nade-deactivate ang mga ito sa pamamagitan ng sintering, coking at mga katulad na proseso.

Paglalapat ng mga bagong teknolohiya

RPP ay ginagamit para sa biomass conversion. Ang mga high-pressure reactor ay ginagamit sa mga eksperimento. Ang presyon sa kanila ay maaaring umabot sa 35 MPa. Ang paggamit ng ilang laki ay nagbibigay-daan sa oras ng paninirahan na iba-iba mula 0.5 hanggang 600 s. Upang makamit ang mga temperatura na higit sa 300 °C, ginagamit ang mga reaktor na pinainit ng kuryente. Ang biomass ay ibinibigay ng mga HPLC pump.

RPP aerosol nanoparticle

May malaking interes sa synthesis at aplikasyon ng mga nanosized na particle para sa iba't ibang layunin, kabilang ang mga high-alloy alloy at thick-film conductor para sa industriya ng electronics. Kasama sa iba pang mga application ang mga pagsukat ng magnetic suceptibility, far infrared transmission, at nuclear magnetic resonance. Para sa mga sistemang ito kinakailangan na gumawa ng mga particle ng isang kinokontrol na laki. Ang kanilang diameter ay karaniwang nasa hanay na 10 hanggang 500 nm.

Dahil sa kanilang sukat, hugis at mataas na partikular na lugar sa ibabaw, ang mga particle na ito ay maaaring gamitin upang makagawa ng mga kosmetikong pigment, lamad, catalyst, ceramics, catalytic at photocatalytic reactor. Kasama sa mga halimbawa ng application para sa mga nanoparticle ang SnO₂ para sa mga sensorcarbon monoxide, TiO₂ para sa mga light guide, SiO_{2 para sa colloidal silicon dioxide at optical fibers, C para sa mga carbon filler sa mga gulong, Fe para sa recording materials, Ni para sa mga baterya at, sa mas mababang lawak, palladium, magnesium at bismuth. Ang lahat ng mga materyales na ito ay synthesize sa aerosol reactors. Sa medisina, ginagamit ang mga nanoparticle para maiwasan at gamutin ang mga impeksyon sa sugat, sa mga artipisyal na bone implant, at para sa brain imaging.}

Halimbawa ng produksyon

Para makakuha ng mga aluminum particle, ang argon flow na puspos ng metal na singaw ay pinalamig sa isang RPP na may diameter na 18 mm at haba na 0.5 m mula sa temperatura na 1600 °C sa bilis na 1000 °C/s. Habang dumadaan ang gas sa reaktor, nangyayari ang nucleation at paglaki ng mga particle ng aluminyo. Ang flow rate ay 2 dm3/min at ang pressure ay 1 atm (1013 Pa). Habang gumagalaw ito, ang gas ay lumalamig at nagiging supersaturated, na humahantong sa nucleation ng mga particle bilang resulta ng mga banggaan at pagsingaw ng mga molekula, na paulit-ulit hanggang ang particle ay umabot sa isang kritikal na laki. Habang gumagalaw ang mga ito sa supersaturated na gas, ang mga molekula ng aluminyo ay namumuo sa mga particle, na nagdaragdag ng laki nito.