Середа, 20 жовтня 2021

Будівництво

Моя хата небом крита, землею підбита, вітром загороджена

Що таке хімічні реактори? Види хімічних реакторів

Хімічна реакція є процесом, який веде до перетворення реагентів. Вона характеризується змінами, в результаті яких отримують один або кілька продуктів, відмінних від вихідних. Хімічні реакції носять різний характер. Він залежить від типу реагентів, одержуваної речовини, умов і часу синтезу, декомпозиції, зміщення, ізомеризації, кислотно-лужних, окислювально-відновлювальних, органічних процесів та ін.


Хімічні реактори являють собою ємності, призначені для проведення реакцій з метою вироблення кінцевого продукту. Їх конструкція залежить від різних факторів і повинна забезпечувати максимальний вихід найбільш економічно ефективним способом.

Види

Існують три основні базові моделі хімічних реакторів:

  • Періодична дія.
  • Безперервний з мішалкою (НРМ).
  • Реактор з поршневим потоком (РПП).

Ці базові моделі можуть бути модифіковані відповідно до вимог хімічного процесу.


Реактор періодичної дії

Хімічні агрегати цього типу використовуються в періодичних процесах при невеликих обсягах виробництва, тривалому часі реакцій або там, де досягається краща селективність, як у деяких процесах полімеризації.

Для цього застосовуються, наприклад, ємності з нержавіючої сталі, вміст яких перемішується внутрішніми робочими лопатями, бульбашками газу або за допомогою насосів. Контроль температури здійснюється за допомогою теплообмінних сорочок, холодильників зрошення або прокачуванням через теплообмінник.

Реактори періодичної дії в даний час використовуються в хімічній і переробній харчовій промисловості. Їх автоматизація та оптимізація створюють складнощі, оскільки необхідно поєднувати безперервні та дискретні процеси.

Напівперіодичні хімічні реактори поєднують роботу в безперервному і періодичному режимах. Біореактор, наприклад, періодично завантажується і постійно виділяє вуглекислий газ, який необхідно безперервно видаляти. Аналогічним чином при реакції хлорування, коли однією з реагуючих речовин є газ хлор, якщо його не вводити безперервно, то більша його частина відлетучується.

Для забезпечення великих обсягів виробництва в основному використовуються хімічні реактори безперервної дії або ємності металеві з мішалкою або з безперервним потоком.

Безперервний реактор з мішалкою


В ємності з нержавіючої сталі подаються рідкі реагенти. Для забезпечення належної взаємодії їх перемішують робочі лопаті. Таким чином, в реакторах даного типу реагуючі речовини безперервно подаються в перший резервуар (вертикальний, сталевий), потім вони потрапляють в наступні, одночасно ретельно перемішуючись в кожній ємності. Хоча склад суміші однорідний в кожному окремому резервуарі, в системі в цілому концентрація змінюється від ємності до ємності.

Середня кількість часу, яку дискретна кількість реагента проводить у резервуарі (час перебування) може бути розрахована простим поділом обсягу ємності на середню об 'ємну швидкість проходження потоку через нього. Очікуваний відсоток завершення реакції розраховується з використанням хімічної кінетики.

Виготовляються ємності з нержавіючої сталі або сплавів, а також з емальованим покриттям.

Деякі важливі аспекти НРМ

Всі розрахунки виконуються з урахуванням ідеального змішування. Реакція протікає зі швидкістю, пов 'язаною з кінцевою концентрацією. У стані рівноваги швидкість потоку повинна бути рівна швидкості витрати, в іншому випадку резервуар переповниться або спорожніє.

Часто економічно вигідно працювати з кількома послідовними або паралельними НРМ. Резервуари, зібрані в каскад з п 'яти або шести одиниць, можуть поводитися як реактор з поршневим потоком. Це дозволяє першому агрегату працювати з більш високою концентрацією реагентів і, отже, більш високою швидкістю реакції. Також у резервуар вертикальний сталевий можна помістити кілька сходинок НРМ, замість того щоб процеси проходили в різних ємностях.

У горизонтальному виконанні багатоступеневий агрегат секціонований вертикальними перегородками різної висоти, через які суміш надходить каскадами.

Коли реагенти погано змішуються або значно різняться за щільністю, використовується вертикальний багатоступеневий реактор (емальований або з нержавіючої сталі) в протилежному режимі. Це ефективно для проведення звернених реакцій.


Невеликий псевдочікуваний шар є повністю змішаним. Великий комерційний реактор з псевдозжиженним шаром має практично однорідну температуру, але поєднує змішувані і витісняються потоки і перехідні стани між ними.

Хімічний реактор ідеального витіснення

РПП - це реактор (нержавіючий), в якому один або більше рідких реагентів прокачуються через трубу або труби. Їх також називають трубчастими проточними. Він може мати кілька труб або трубок. Реагенти постійно надходять через один кінець, а продукти виходять з іншого. Хімічні процеси протікають у міру проходження суміші.

У РПП швидкість реакції градієнтна: на вході вона дуже висока, але зі зниженням концентрації реагентів і збільшенням вмісту продуктів виходу її швидкість сповільнюється. Зазвичай досягається стан динамічної рівноваги.

Звичайними є як горизонтальна, так і вертикальна орієнтація реактора.

Коли потрібна передача тепла, окремі труби поміщаються в сорочку або використовується кожухотрубний теплообмінник. В останньому випадку хімічні речовини можуть перебувати як у кожусі, так і в трубі.

Ємності металеві великого діаметру з насадками або ваннами подібні РПП і широко застосовуються. У деяких конфігураціях використовується осьовий і радіальний потік, множинні оболонки з вбудованими теплообмінниками, горизонтальне або вертикальне положення реактора і так далі.

Ємність з реагентом може бути заповнена каталітичними або інертними твердими частинками для поліпшення міжфазного контакту в гетерогенних реакціях.


Важливе значення в РПП має те, що в розрахунках не враховується вертикальне або горизонтальне змішування - це і мається на увазі під терміном "поршневий потік". Реагенти можуть бути введені в реактор не тільки у вхідний отвір. Таким чином, можна домогтися більш високої ефективності РПП або скоротити його розміри і вартість. Продуктивність РПП зазвичай вища, ніж у НРМ того ж обсягу. При рівних значеннях обсягу і часу в поршневих реакторах реакція буде мати більш високий відсоток завершення, ніж в агрегатах змішування.

Динамічна рівновага

Для більшості хімічних процесів неможливо досягти 100-відсоткового завершення. Їх швидкість зменшується зі зростанням цього показника до того моменту, коли система досягає динамічної рівноваги (коли сумарна реакція або зміна складу не відбувається). Точка рівноваги у більшості систем розташована нижче 100% завершення процесу. З цієї причини необхідно провести процес поділу, такого як дистиляція, щоб відокремити решту реагентів або побічні продукти від цільового. Ці реагенти можуть іноді повторно використовуватися на початку процесу, наприклад, такого, як процес Хабера.

Застосування РПП

Реактори поршневого потоку використовуються для проведення хімічного перетворення сполук під час їх руху по системі, що нагадує труби, для цілей проведення масштабних, швидких, гомогенних або гетерогенних реакцій, безперервного виробництва і при процесах з виділенням великої кількості тепла.

Ідеальний РПП має фіксований час перебування, тобто будь-яка рідина (поршень), що надходить в момент часу t, покине його в момент часу t + - час перебування в установці.

Хімічні реактори даного типу володіють високими показниками продуктивності протягом тривалих періодів часу, а також чудовою теплопередачею. Недоліками РПП є складність здійснення контролю за температурою процесу, що може призвести до небажаних температурних перепадів, а також їх більш висока вартість.


Каталітичні реактори

Хоча агрегати даного типу часто реалізуються у вигляді РПП, вони вимагають більш складного обслуговування. Швидкість каталітичної реакції пропорційна кількості каталізатора, що контактує з хімічними речовинами. У разі твердого каталізатора і рідких реагентів швидкість процесів пропорційна доступній площі, надходженню хімікатів і відбору продуктів і залежить від наявності турбулентного перемішування.

Каталітична реакція фактично часто є багатоетапною. Не тільки початкові реагенти взаємодіють з каталізатором. З ним реагують і деякі проміжні продукти.

Поведінка каталізаторів також важлива в кінетиці цього процесу, особливо у високотемпáних нафтохімічних реакціях, оскільки вони деактивуються спіканням, коксуванням і аналогічними процесами.

Застосування нових технологій

РПП використовуються для конверсії біомаси. В експериментах застосовуються реактори високого тиску. Тиск у них може досягати 35 МПа. Використання декількох розмірів дозволяє варіювати час перебування від 0,5 до 600 с. Для досягнення температури понад 300 ° C застосовують реактори з електричним підігрівом. Подача біомаси проводиться за допомогою HPLC-насосів.

РПП аерозольних наночастинок


Існує значний інтерес до синтезу і застосування нанорозмірних частинок для різних цілей, включаючи високолеговані сплави і товстоплівкові провідники для електронної промисловості. Інші області застосування включають вимірювання магнітної сприйнятливості, передача в дальньому ВК-діапазоні і ядерний магнітний резонанс. Для цих систем необхідно виробляти частинки контрольованого розміру. Їх діаметр, як правило, знаходяться в діапазоні від 10 до 500 нм.

Внаслідок їх розміру, форми і високої питомої площі поверхні ці частинки можуть бути використані для виробництва косметичних пігментів, мембран, каталізаторів, кераміки, каталітичних і фотокаталітичних реакторів. Приклади застосування наночастинок включають SnO2 для датчиків чадного газу, TiO2 для світловодів, SiO2 для колоїдного діоксиду кремнію і оптичних волокон, C для вуглецевих наповнювачів в шинах, Fe для записуючих матеріалів, Ni для батарей і, в менших обсягах, паладій, магній і вісмут. Всі ці матеріали синтезуються в аерозольних реакторах. У медицині наночастинки використовуються для профілактики і лікування раневих інфекцій, у штучних кісткових імплантатах, а також для візуалізації мозку.

Приклад виробництва

Для отримання частинок алюмінію потік аргону, насиченого парами металу, охолоджується в РПП діаметром 18 мм і довжиною 0,5 м від температури 1600 ° С зі швидкістю 1000 ° С/с. У міру проходження газу через реактор відбувається зародження і зростання частинок алюмінію. Швидкість потоку становить 2 дм3/хв, а тиск дорівнює 1 атм (1013 Па). У міру руху газ охолоджується і стає перенасиченим, що призводить до зародження частинок в результаті зіткнень і випарів молекул, що повторюються до тих пір, поки частинка не досягне критичного розміру. У міру руху через перенасичений газ, молекули алюмінію конденсуються на частинках, збільшуючи їх розміри.

Найпопулярніше на сайті