Co jsou chemické reaktory? Typy chemických reaktorů

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Chemická reakce je proces, který vede k přeměně reaktantů. Vyznačuje se změnami, jejichž výsledkem je jeden nebo více produktů, které se liší od originálu. Chemické reakce jsou různého charakteru. Závisí na typu reagencií, získané látce, podmínkách a době syntézy, rozkladu, vytěsnění, izomerizace, acidobazických, redoxních, organických procesech atd.

Chemické reaktory jsou nádoby určené k provádění reakcí za účelem výroby konečného produktu. Jejich design závisí na různých faktorech a měl by poskytovat maximální výkon nákladově nejefektivnějším způsobem.

Zobrazení

Existují tři hlavní základní modely chemických reaktorů:

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

Tyto základní modely lze upravit tak, aby splňovaly požadavky chemického procesu.

Vsádkový reaktor

Chemické jednotky tohoto typu se používají v dávkových procesech s nízkými objemy výroby, dlouhými reakčními dobami nebo tam, kde je dosaženo lepší selektivity, jako v některých polymeračních procesech.

K tomu se používají např. nerezové nádoby, jejichž obsah se mísí vnitřními pracovními lopatkami, plynovými bublinami nebo pomocí pump. Regulace teploty se provádí pomocí teplosměnných plášťů, závlahových chladičů nebo čerpáním přes výměník tepla.

Vsádkové reaktory se v současnosti používají v chemickém a potravinářském průmyslu. Jejich automatizace a optimalizace vytváří potíže, protože je nutné kombinovat spojité a diskrétní procesy.

Polodávkové chemické reaktory kombinují kontinuální a dávkový provoz. Například bioreaktor je periodicky zatěžován a neustále uvolňuje oxid uhličitý, který musí být neustále odstraňován. Podobně při chlorační reakci, kdy je plynný chlor jednou z reaktantů, pokud se nezavádí kontinuálně, většina z něj těká.

Pro zajištění velkých objemů výroby se používají hlavně kontinuální chemické reaktory nebo kovové nádrže s míchadlem nebo kontinuálním průtokem.

Kontinuální míchaný reaktor

Tekutá činidla se přivádějí do nádrží z nerezové oceli. Aby byla zajištěna správná interakce, jsou promíchány pracovními lopatkami. Tedy vU reaktorů tohoto typu jsou reaktanty kontinuálně přiváděny do první nádrže (vertikální, ocelová), poté vstupují do dalších, přičemž jsou v každé nádrži důkladně promíchány. Přestože je složení směsi v každé jednotlivé nádrži homogenní, v systému jako celku se koncentrace liší nádrž od nádrže.

Průměrné množství času, které jednotlivé množství činidla stráví v nádrži (doba setrvání), lze vypočítat jednoduše vydělením objemu nádrže průměrným objemovým průtokem skrz nádrž. Očekávané procento dokončení reakce se vypočítá pomocí chemické kinetiky.

Nádrže jsou vyrobeny z nerezové oceli nebo slitin a také se sm altovaným povlakem.

Některé důležité aspekty NPM

Všechny výpočty jsou založeny na dokonalém smíchání. Reakce probíhá rychlostí související s konečnou koncentrací. V rovnováze se musí průtok rovnat průtoku, jinak nádrž přeteče nebo se vyprázdní.

Často je nákladově efektivní pracovat s více sériovými nebo paralelními HPM. Nádrže z nerezové oceli sestavené do kaskády pěti nebo šesti jednotek se mohou chovat jako reaktor s pístovým tokem. To umožňuje, aby první jednotka pracovala při vyšší koncentraci reaktantu, a tedy rychlejší reakční rychlosti. Několik stupňů HPM lze také umístit do vertikální ocelové nádrže, místo aby procesy probíhaly v různých nádobách.

V horizontální verzi je vícestupňová jednotka rozdělena vertikálními přepážkami různých výšek, kterými směs protéká v kaskádách.

Pokud jsou reaktanty špatně promíchané nebo se výrazně liší v hustotě, použije se vertikální vícestupňový reaktor (vyložený nebo z nerezové oceli) v protiproudém režimu. To je účinné pro provádění reverzibilních reakcí.

Malá pseudotekutá vrstva je zcela promíchaná. Velký komerční reaktor s fluidním ložem má v podstatě jednotnou teplotu, ale směs mísitelných a vytěsněných proudů a přechodových stavů mezi nimi.

Plug-flow chemický reaktor

RPP je reaktor (nerezový), ve kterém je jedna nebo více kapalných reaktantů čerpáno potrubím nebo potrubími. Říká se jim také tubulární proudění. Může mít několik trubek nebo trubek. Reagencie neustále vstupují jedním koncem a produkty vystupují druhým. Při průchodu směsi probíhají chemické procesy.

V RPP je rychlost reakce gradientní: na vstupu je velmi vysoká, ale s poklesem koncentrace činidel a zvýšením obsahu výstupních produktů se její rychlost zpomaluje. Obvykle je dosaženo stavu dynamické rovnováhy.

Obvyklá je horizontální i vertikální orientace reaktoru.

Pokud je vyžadován přenos tepla, jsou jednotlivé trubky opláštěny nebo je použit výměník tepla typu shell and tube. V druhém případě mohou být chemikáliejak ve skořápce, tak v trubce.

Kovové nádoby velkého průměru s tryskami nebo vanami jsou podobné RPP a jsou široce používány. Některé konfigurace používají axiální a radiální proudění, více plášťů s vestavěnými výměníky tepla, horizontální nebo vertikální umístění reaktoru atd.

Nádoba na činidlo může být naplněna katalytickými nebo inertními pevnými látkami pro zlepšení mezifázového kontaktu při heterogenních reakcích.

V RPP je důležité, aby výpočty nezohledňovaly vertikální nebo horizontální směšování – to je to, co je míněno pojmem „zátkový tok“. Činidla mohou být do reaktoru zaváděna nejen přes vstup. Je tak možné dosáhnout vyšší účinnosti RPP nebo snížit její velikost a cenu. Výkon RPP je obvykle vyšší než výkon HPP stejného objemu. Při stejných hodnotách objemu a času v pístových reaktorech bude mít reakce vyšší procento dokončení než v míchacích jednotkách.

Dynamická bilance

U většiny chemických procesů je nemožné dosáhnout 100% dokončení. Jejich rychlost klesá s růstem tohoto ukazatele až do okamžiku, kdy systém dosáhne dynamické rovnováhy (kdy nedojde k celkové reakci nebo změně složení). U většiny systémů je rovnovážný bod pod 100% dokončením procesu. Z tohoto důvodu je nutné provést separační proces, jako je destilace, aby se oddělily zbývající reaktanty nebo vedlejší produkty odcílová. Tato činidla lze někdy znovu použít na začátku procesu, jako je Haberův proces.

Uplatnění PFA

Pistové průtokové reaktory se používají k provádění chemické transformace sloučenin, když se pohybují trubkovým systémem pro velké, rychlé, homogenní nebo heterogenní reakce, kontinuální výrobu a procesy generující vysoké teplo.

Ideální RPP má pevnou dobu zdržení, tj. jakákoli kapalina (píst) vstupující v čase t jej opustí v čase t + τ, kde τ je doba zdržení v instalaci.

Chemické reaktory tohoto typu mají vysoký výkon po dlouhou dobu a také vynikající přenos tepla. Nevýhody RPP jsou obtížná kontrola teploty procesu, která může vést k nežádoucím teplotním výkyvům, a jejich vyšší cena.

Katalytické reaktory

I když jsou tyto typy jednotek často implementovány jako RPP, vyžadují složitější údržbu. Rychlost katalytické reakce je úměrná množství katalyzátoru v kontaktu s chemikáliemi. V případě pevného katalyzátoru a kapalných reaktantů je rychlost procesů úměrná dostupné ploše, vstupu chemikálií a odběru produktů a závisí na přítomnosti turbulentního míchání.

Katalytická reakce je ve skutečnosti často vícestupňová. Nejenpočáteční reaktanty interagují s katalyzátorem. Některé meziprodukty s ním také reagují.

Chování katalyzátorů je také důležité v kinetice tohoto procesu, zejména při vysokoteplotních petrochemických reakcích, protože jsou deaktivovány slinováním, koksováním a podobnými procesy.

Uplatňování nových technologií

RPP se používají pro konverzi biomasy. V experimentech se používají vysokotlaké reaktory. Tlak v nich může dosáhnout 35 MPa. Použití několika velikostí umožňuje měnit dobu zdržení od 0,5 do 600 s. K dosažení teplot nad 300 °C se používají elektricky vyhřívané reaktory. Biomasa je dodávána pomocí čerpadel HPLC.

RPP aerosolové nanočástice

Značný zájem je o syntézu a aplikaci nanočástic pro různé účely, včetně vysoce legovaných slitin a silnovrstvých vodičů pro elektronický průmysl. Mezi další aplikace patří měření magnetické susceptibility, daleko infračervený přenos a nukleární magnetická rezonance. Pro tyto systémy je nutné vyrábět částice s řízenou velikostí. Jejich průměr je obvykle v rozmezí 10 až 500 nm.

Vzhledem k jejich velikosti, tvaru a vysokému specifickému povrchu mohou být tyto částice použity k výrobě kosmetických pigmentů, membrán, katalyzátorů, keramiky, katalytických a fotokatalytických reaktorů. Příklady aplikací pro nanočástice zahrnují SnO₂ pro senzoryoxid uhelnatý, TiO₂ pro světlovody, SiO_{2 pro koloidní oxid křemičitý a optická vlákna, C pro uhlíková plniva v pneumatikách, Fe pro záznamové materiály, Ni pro baterie a v menší míře palladium, hořčík a vizmut. Všechny tyto materiály jsou syntetizovány v aerosolových reaktorech. V lékařství se nanočástice používají k prevenci a léčbě infekcí ran, v umělých kostních implantátech a pro zobrazování mozku.}

Příklad výroby

K získání hliníkových částic se proud argonu nasycený kovovými parami ochlazuje v RPP o průměru 18 mm a délce 0,5 m z teploty 1600 °C rychlostí 1000 °C/s. Při průchodu plynu reaktorem dochází k nukleaci a růstu hliníkových částic. Průtok je 2 dm3/min a tlak je 1 atm (1013 Pa). Při pohybu se plyn ochlazuje a stává se přesyceným, což vede k nukleaci částic v důsledku srážek a vypařování molekul, což se opakuje, dokud částice nedosáhne kritické velikosti. Jak se pohybují přesyceným plynem, molekuly hliníku kondenzují na částicích a zvětšují jejich velikost.