Какво представляват химическите реактори? Видове химически реактори

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Химичната реакция е процес, който води до трансформация на реагентите. Характеризира се с промени, които водят до един или повече продукти, които се различават от оригинала. Химичните реакции са от различно естество. Зависи от вида на реагентите, полученото вещество, условията и времето на синтез, разлагане, изместване, изомеризация, киселинно-алкална, редокс, органични процеси и др.

Химическите реактори са контейнери, предназначени да извършват реакции с цел получаване на крайния продукт. Техният дизайн зависи от различни фактори и трябва да осигури максимална производителност по най-рентабилния начин.

Прегледи

Има три основни основни модела на химически реактори:

• Периодично.
• Непрекъснато разбъркване (CPM).
• Реактор с бутален поток (PFR).

Тези основни модели могат да бъдат модифицирани, за да отговарят на изискванията на химическия процес.

партиден реактор

Химически единици от този тип се използват в периодични процеси с ниски производствени обеми, дълго време за реакция или където се постига по-добра селективност, както при някои процеси на полимеризация.

За това, например, се използват контейнери от неръждаема стомана, чието съдържание се смесва с вътрешни работни остриета, газови мехурчета или с помощта на помпи. Контролът на температурата се осъществява с помощта на топлообменни ризи, охладители за напояване или изпомпване през топлообменник.

Партийните реактори в момента се използват в химическата и хранително-вкусовата промишленост. Тяхната автоматизация и оптимизация създава трудности, тъй като е необходимо да се комбинират непрекъснати и дискретни процеси.

Полупартидни химически реактори комбинират непрекъсната и периодична работа. Биореактор, например, периодично се зарежда и постоянно отделя въглероден диоксид, който трябва непрекъснато да се отстранява. По същия начин, в реакцията на хлориране, когато газообразният хлор е един от реагентите, ако не се въвежда непрекъснато, по-голямата част от него ще се изпари.

За да се осигурят големи производствени обеми, се използват главно непрекъснати химически реактори или метални резервоари с бъркалка или непрекъснат поток.

Реактор с непрекъснато разбъркване

Течните реагенти се подават в резервоари от неръждаема стомана. За да се осигури правилно взаимодействие, те се смесват от работните остриета. По този начин, вВ реакторите от този тип реагентите се подават непрекъснато в първия резервоар (вертикален, стоманен), след което влизат в следващите, като се смесват добре във всеки резервоар. Въпреки че съставът на сместа е хомогенен във всеки отделен резервоар, в системата като цяло концентрацията варира от резервоар до резервоар.

Средното време, което отделно количество реагент прекарва в резервоар (време на престой) може да се изчисли чрез просто разделяне на обема на резервоара на средния обемен дебит през него. Очакваният процент завършване на реакцията се изчислява с помощта на химическа кинетика.

Резервоарите са изработени от неръждаема стомана или сплави, както и с емайлирано покритие.

Някои важни аспекти на NPM

Всички изчисления се основават на перфектно смесване. Реакцията протича със скорост, свързана с крайната концентрация. При равновесие скоростта на потока трябва да е равна на дебита, в противен случай резервоарът ще прелее или ще се изпразни.

Често е рентабилно да се работи с множество серийни или паралелни HPM. Резервоарите от неръждаема стомана, сглобени в каскада от пет или шест единици, могат да се държат като реактор с тапа. Това позволява на първия блок да работи при по-висока концентрация на реагента и следователно по-бърза скорост на реакцията. Също така, няколко етапа на HPM могат да бъдат поставени във вертикален стоманен резервоар, вместо процеси, протичащи в различни контейнери.

В хоризонталната версия многостепенната единица е разделена на вертикални прегради с различни височини, през които сместа тече каскадно.

Когато реагентите са лошо смесени или се различават значително по плътност, вертикален многостепенен реактор (облицован или неръждаема стомана) се използва в противотоков режим. Това е ефективно за провеждане на обратими реакции.

Малкият псевдотечен слой е напълно смесен. Голям търговски реактор с кипящ слой има по същество еднаква температура, но смес от смесващи се и изместени потоци и преходни състояния между тях.

химичен реактор с изпускателен поток

RPP е реактор (неръждаем), в който един или повече течни реагенти се изпомпват през тръба или тръби. Те се наричат още тръбен поток. Може да има няколко тръби или тръби. Реагентите постоянно влизат през единия край, а продуктите излизат от другия. Химически процеси протичат при преминаването на сместа.

В RPP скоростта на реакцията е градиентна: на входа е много висока, но с намаляване на концентрацията на реагентите и увеличаване на съдържанието на изходните продукти скоростта й се забавя. Обикновено се постига състояние на динамично равновесие.

Хоризонталната и вертикалната ориентация на реактора са общи.

Когато се изисква топлообмен, отделните тръби се обвиват или се използва корпус и тръбен топлообменник. В последния случай химикалите могат да бъдаткакто в черупка, така и в тръба.

Метални контейнери с голям диаметър с дюзи или вани са подобни на RPP и се използват широко. Някои конфигурации използват аксиален и радиален поток, множество корпуси с вградени топлообменници, хоризонтална или вертикална позиция на реактора и т.н.

Съдът за реагент може да се напълни с каталитични или инертни твърди вещества, за да се подобри междинния контакт при хетерогенни реакции.

В RPP е важно изчисленията да не вземат предвид вертикално или хоризонтално смесване - това се има предвид под термина "запушващ поток". Реагентите могат да се въвеждат в реактора не само през входа. По този начин е възможно да се постигне по-висока ефективност на RPP или да се намали неговият размер и цена. Производителността на RPP обикновено е по-висока от тази на HPP със същия обем. При равни стойности на обема и времето в буталните реактори реакцията ще има по-висок процент на завършеност, отколкото в смесителните агрегати.

Динамичен баланс

За повечето химически процеси е невъзможно да се постигне 100% завършеност. Тяхната скорост намалява с нарастването на този индикатор до момента, в който системата достигне динамично равновесие (когато не настъпва общата реакция или промяна в състава). Точката на равновесие за повечето системи е под 100% завършеност на процеса. Поради тази причина е необходимо да се извърши процес на разделяне, като дестилация, за да се отделят останалите реагенти или странични продукти отцел. Тези реагенти понякога могат да бъдат използвани повторно в началото на процес като процеса на Хабер.

Прилагане на PFA

Реактори с бутален поток се използват за извършване на химическа трансформация на съединения, докато те се движат през тръбна система за широкомащабни, бързи, хомогенни или хетерогенни реакции, непрекъснато производство и процеси, генериращи висока топлина.

Идеалният RPP има фиксирано време на престой, т.е. всяка течност (бутало), влизаща в момент t, ще я напусне в момент t + τ, където τ е времето на престой в инсталацията.

Химическите реактори от този тип имат висока производителност за дълги периоди от време, както и отличен топлопренос. Недостатъците на RPPs са трудността при контролиране на температурата на процеса, което може да доведе до нежелани температурни колебания и тяхната по-висока цена.

Каталитични реактори

Въпреки че тези типове модули често се изпълняват като RPP, те изискват по-сложна поддръжка. Скоростта на каталитичната реакция е пропорционална на количеството катализатор в контакт с химикалите. В случай на твърд катализатор и течни реагенти скоростта на процесите е пропорционална на наличната площ, внасянето на химикали и изтеглянето на продуктите и зависи от наличието на турбулентно смесване.

Каталитичната реакция всъщност често е многоетапна. Не самопървоначалните реагенти взаимодействат с катализатора. Някои междинни продукти също реагират с него.

Поведението на катализаторите също е важно в кинетиката на този процес, особено при високотемпературни петрохимични реакции, тъй като те се дезактивират чрез синтероване, коксуване и подобни процеси.

Прилагане на нови технологии

RPP се използват за преобразуване на биомаса. В експериментите се използват реактори с високо налягане. Налягането в тях може да достигне 35 MPa. Използването на няколко размера позволява времето на престой да варира от 0,5 до 600 s. За постигане на температури над 300 °C се използват електрически отопляеми реактори. Биомасата се доставя от HPLC помпи.

RPP аерозолни наночастици

Има значителен интерес към синтеза и приложението на наноразмерни частици за различни цели, включително високолегирани сплави и дебелопластови проводници за електронната индустрия. Други приложения включват измервания на магнитна чувствителност, далечно инфрачервено предаване и ядрено-магнитен резонанс. За тези системи е необходимо да се произвеждат частици с контролиран размер. Техният диаметър обикновено е в диапазона от 10 до 500 nm.

Поради техния размер, форма и висока специфична повърхност, тези частици могат да се използват за производство на козметични пигменти, мембрани, катализатори, керамика, каталитични и фотокаталитични реактори. Примерите за приложение за наночастици включват SnO₂ за сензоривъглероден оксид, TiO₂ за светлинни водачи, SiO_{2 за колоиден силициев диоксид и оптични влакна, C за въглеродни пълнители в гуми, Fe за записващи материали, Ni за батериите и в по-малка степен паладий, магнезий и бисмут. Всички тези материали се синтезират в аерозолни реактори. В медицината наночастиците се използват за предотвратяване и лечение на инфекции на рани, в изкуствени костни импланти и за изобразяване на мозъка.}

Производствен пример

За да се получат алуминиеви частици, поток от аргон, наситен с метални пари, се охлажда в RPP с диаметър 18 mm и дължина 0,5 m от температура 1600 °C при скорост 1000 °C/s. Когато газът преминава през реактора, възниква зародиш и растеж на алуминиеви частици. Дебитът е 2 dm3/min и налягането е 1 atm (1013 Pa). При движение газът се охлажда и става пренаситен, което води до нуклеация на частици в резултат на сблъсъци и изпаряване на молекули, повтарящи се, докато частицата достигне критичен размер. Докато се движат през пренаситения газ, алуминиевите молекули кондензират върху частиците, увеличавайки техния размер.