Kimyəvi reaktorlar nədir? Kimyəvi reaktorların növləri

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-02 13:49

Kimyəvi reaksiya reaktivlərin çevrilməsinə gətirib çıxaran prosesdir. Orijinaldan fərqli olan bir və ya bir neçə məhsulla nəticələnən dəyişikliklərlə xarakterizə olunur. Kimyəvi reaksiyalar fərqli xarakter daşıyır. Bu, reagentlərin növündən, alınan maddədən, sintezin şərtlərindən və vaxtından, parçalanmadan, yerdəyişmədən, izomerləşmədən, turşu-qələvidən, redoksdan, üzvi proseslərdən və s. asılıdır.

Kimyəvi reaktorlar son məhsulu istehsal etmək üçün reaksiyalar aparmaq üçün nəzərdə tutulmuş qablardır. Onların dizaynı müxtəlif amillərdən asılıdır və ən sərfəli şəkildə maksimum məhsulu təmin etməlidir.

Baxışlar

Kimyəvi reaktorların üç əsas əsas modeli var:

• Dövri.
• Davamlı Qarışdırılmış (CPM).
• Plunger Axın Reaktoru (PFR).

Bu əsas modellər kimyəvi prosesin tələblərinə cavab vermək üçün dəyişdirilə bilər.

Paket reaktor

Bu tip kimyəvi vahidlər bəzi polimerləşmə proseslərində olduğu kimi aşağı istehsal həcmi, uzun reaksiya müddəti və ya daha yaxşı seçiciliyin əldə edildiyi partiya proseslərində istifadə olunur.

Bunun üçün, məsələn, tərkibi daxili iş bıçaqları, qaz qabarcıqları və ya nasoslarla qarışdırılan paslanmayan polad qablar istifadə olunur. Temperaturun idarə edilməsi istilik dəyişdirici gödəkçələr, suvarma soyuducuları və ya istilik dəyişdiricisi vasitəsilə nasos vasitəsilə həyata keçirilir.

Batch reaktorları hazırda kimya və qida emalı sənayesində istifadə olunur. Onların avtomatlaşdırılması və optimallaşdırılması çətinliklər yaradır, çünki davamlı və diskret prosesləri birləşdirmək lazımdır.

Yarı partiyalı kimyəvi reaktorlar fasiləsiz və toplu əməliyyatı birləşdirir. Məsələn, bioreaktor vaxtaşırı yüklənir və davamlı olaraq karbon qazı buraxır, bu da davamlı olaraq çıxarılmalıdır. Eynilə, xlorlama reaksiyasında, xlor qazı reaktivlərdən biri olduqda, davamlı olaraq daxil edilməzsə, onun çox hissəsi uçacaq.

Böyük istehsal həcmini təmin etmək üçün, əsasən, davamlı kimyəvi reaktorlar və ya qarışdırıcı və ya fasiləsiz axını olan metal çənlər istifadə olunur.

Davamlı qarışdırılan reaktor

Maye reagentlər paslanmayan polad çənlərə verilir. Düzgün qarşılıqlı əlaqəni təmin etmək üçün onlar işləyən bıçaqlar tərəfindən qarışdırılır. Beləliklə, inBu tip reaktorlarda reaktivlər davamlı olaraq birinci çənə (şaquli, polad) verilir, sonra hər bir çəndə yaxşıca qarışdırılaraq sonrakılara daxil olurlar. Qarışığın tərkibinin hər bir ayrı çəndə homojen olmasına baxmayaraq, bütövlükdə sistemdə konsentrasiya çəndən tanka dəyişir.

Reagentin diskret miqdarının çəndə sərf etdiyi orta vaxt miqdarı (yaşayış vaxtı) sadəcə çənin həcmini ondan keçən orta həcmli axın sürətinə bölmək yolu ilə hesablana bilər. Reaksiyanın gözlənilən tamamlanma faizi kimyəvi kinetikadan istifadə etməklə hesablanır.

Çanlar paslanmayan poladdan və ya ərintilərdən, həmçinin emaye örtüklüdür.

NPM-in bəzi mühüm aspektləri

Bütün hesablamalar mükəmməl qarışdırmağa əsaslanır. Reaksiya son konsentrasiya ilə əlaqəli sürətlə davam edir. Tarazlıqda axın sürəti axın sürətinə bərabər olmalıdır, əks halda çən daşacaq və ya boşalacaq.

Birdən çox seriyalı və ya paralel HPM ilə işləmək çox vaxt sərfəli olur. Beş və ya altı ədəd kaskadda yığılmış paslanmayan polad çənlər tıxac axını reaktoru kimi davrana bilər. Bu, birinci qurğuya daha yüksək reaktiv konsentrasiyada və buna görə də daha sürətli reaksiya sürətində işləməyə imkan verir. Həmçinin, HPM-nin bir neçə pilləsi müxtəlif konteynerlərdə baş verən proseslər əvəzinə şaquli polad çəndə yerləşdirilə bilər.

Üfüqi versiyada çoxmərhələli qurğu müxtəlif hündürlükdə olan şaquli arakəsmələrlə bölünür, onların vasitəsilə qarışığın kaskadlarla axır.

Reaksiyaya girən maddələr zəif qarışdıqda və ya sıxlıq baxımından əhəmiyyətli dərəcədə fərqləndikdə, əks cərəyan rejimində şaquli çoxpilləli reaktor (üzlü və ya paslanmayan polad) istifadə olunur. Bu, geri çevrilən reaksiyaların həyata keçirilməsi üçün effektivdir.

Kiçik psevdo-maye təbəqəsi tam qarışdırılır. Böyük kommersiya mayeləşdirilmiş yataq reaktoru əhəmiyyətli dərəcədə vahid temperatura malikdir, lakin bir-birinə qarışan və yerdəyişən axınların və onların arasında keçid vəziyyətlərinin qarışığıdır.

Plug-flow kimyəvi reaktor

RPP, bir və ya bir neçə maye reaktivin boru və ya borularla vurulduğu reaktordur (paslanmayan). Onlara boru axını da deyilir. Bir neçə boru və ya boru ola bilər. Reagentlər daim bir ucdan daxil olur, digər tərəfdən isə məhsullar çıxır. Qarışıq keçərkən kimyəvi proseslər baş verir.

RPP-də reaksiya sürəti gradientdir: girişdə çox yüksəkdir, lakin reagentlərin konsentrasiyasının azalması və çıxış məhsullarının tərkibinin artması ilə onun sürəti yavaşlayır. Adətən dinamik tarazlıq vəziyyətinə çatılır.

Həm üfüqi, həm də şaquli reaktor istiqamətləri ümumidir.

İstilik ötürülməsi tələb olunduqda, fərdi borular gödəkçə ilə örtülür və ya qabıq və boru istilik dəyişdiricisi istifadə olunur. Sonuncu halda, kimyəvi maddələr ola bilərhəm qabıqda, həm də boruda.

Burunları və ya vannaları olan böyük diametrli metal qablar RPP-yə bənzəyir və geniş istifadə olunur. Bəzi konfiqurasiyalarda eksenel və radial axın, daxili istilik dəyişdiriciləri olan çoxsaylı qabıqlar, üfüqi və ya şaquli reaktor mövqeyi və s. istifadə edilir.

Heterojen reaksiyalarda fazalararası əlaqəni yaxşılaşdırmaq üçün reagent qabı katalitik və ya təsirsiz bərk maddələrlə doldurula bilər.

RPP-də vacibdir ki, hesablamalarda şaquli və ya üfüqi qarışdırma nəzərə alınmır - bu, "tıxac axını" termini ilə nəzərdə tutulur. Reagentlər reaktora təkcə giriş vasitəsilə daxil edilə bilməz. Beləliklə, RPP-nin daha yüksək səmərəliliyinə nail olmaq və ya onun ölçüsünü və dəyərini az altmaq mümkündür. RPP-nin məhsuldarlığı adətən eyni həcmli SES-dən daha yüksəkdir. Pistonlu reaktorlarda bərabər həcm və vaxt dəyərləri ilə reaksiya qarışdırma qurğularına nisbətən daha yüksək tamamlanma faizinə malik olacaq.

Dinamik Balans

Əksər kimyəvi proseslər üçün 100 faiz tamamlanmağa nail olmaq mümkün deyil. Onların sürəti bu göstəricinin artması ilə sistemin dinamik tarazlığa çatdığı ana qədər (ümumi reaksiya və ya tərkibində dəyişiklik baş vermədikdə) azalır. Əksər sistemlər üçün tarazlıq nöqtəsi prosesin 100% tamamlanmasından aşağıdır. Bu səbəbdən, qalan reaktivləri və ya yan məhsulları ayırmaq üçün distillə kimi bir ayırma prosesini həyata keçirmək lazımdır.hədəf. Bu reagentlər bəzən Haber prosesi kimi prosesin başlanğıcında təkrar istifadə edilə bilər.

PFA tətbiqi

Piston axını reaktorları böyük miqyaslı, sürətli, homojen və ya heterojen reaksiyalar, davamlı istehsal və yüksək istilik əmələ gətirən proseslər üçün boruya bənzər sistem vasitəsilə hərəkət edərkən birləşmələrin kimyəvi çevrilməsini həyata keçirmək üçün istifadə olunur.

İdeal RPP-nin sabit qalma müddəti var, yəni t vaxtında daxil olan hər hansı maye (piston) onu t + τ zamanında tərk edəcək, burada τ quraşdırmada qalma vaxtıdır.

Bu tip kimyəvi reaktorlar uzun müddət ərzində yüksək performansa, həmçinin əla istilik ötürmə qabiliyyətinə malikdir. RPP-lərin çatışmazlıqları arzuolunmaz temperatur dalğalanmalarına səbəb ola biləcək proses temperaturuna nəzarətdə çətinlik və onların daha yüksək qiymətidir.

Katalitik reaktorlar

Bu tip qurğular tez-tez RPP kimi həyata keçirilsə də, daha mürəkkəb texniki xidmət tələb olunur. Katalitik reaksiyanın sürəti kimyəvi maddələrlə təmasda olan katalizatorun miqdarına mütənasibdir. Bərk katalizator və maye reaktivlər vəziyyətində proseslərin sürəti mövcud sahəyə, kimyəvi maddələrin daxil edilməsinə və məhsulların çıxarılmasına mütənasibdir və turbulent qarışmanın mövcudluğundan asılıdır.

Katalitik reaksiya əslində çox mərhələli olur. Təkcə yoxilkin reaktivlər katalizatorla qarşılıqlı əlaqədə olur. Bəzi ara məhsullar da bununla reaksiya verir.

Katalizatorların davranışı da bu prosesin kinetikasında, xüsusilə yüksək temperaturlu neft-kimya reaksiyalarında mühüm əhəmiyyət kəsb edir, çünki onlar sinterləmə, kokslaşma və oxşar proseslərlə təsirsiz hala gətirilir.

Yeni texnologiyaların tətbiqi

RPP biokütlənin çevrilməsi üçün istifadə olunur. Təcrübələrdə yüksək təzyiqli reaktorlardan istifadə edilir. Onlardakı təzyiq 35 MPa-ya çata bilər. Bir neçə ölçüdən istifadə yaşayış vaxtını 0,5 ilə 600 s arasında dəyişməyə imkan verir. 300 °C-dən yuxarı temperatura nail olmaq üçün elektriklə qızdırılan reaktorlardan istifadə olunur. Biokütlə HPLC nasosları ilə təmin edilir.

RPP aerozol nanohissəcikləri

Yüksək ərintili ərintilər və elektronika sənayesi üçün qalın film keçiriciləri də daxil olmaqla müxtəlif məqsədlər üçün nanoölçülü hissəciklərin sintezi və tətbiqinə böyük maraq var. Digər tətbiqlərə maqnit həssaslığının ölçülməsi, uzaq infraqırmızı ötürülmə və nüvə maqnit rezonansı daxildir. Bu sistemlər üçün idarə olunan ölçüdə hissəciklər istehsal etmək lazımdır. Onların diametri adətən 10-500 nm aralığında olur.

Ölçüləri, forması və yüksək spesifik səth sahəsinə görə bu hissəciklər kosmetik piqmentlər, membranlar, katalizatorlar, keramika, katalitik və fotokatalitik reaktorlar istehsal etmək üçün istifadə edilə bilər. Nanohissəciklər üçün tətbiq nümunələrinə sensorlar üçün SnO₂ daxildirkarbon monoksit, işıq istiqamətləndiriciləri üçün TiO₂, kolloid silikon dioksid və optik liflər üçün SiO_{2, təkərlərdə karbon doldurucular üçün C, qeyd materialları üçün Fe, Ni batareyalar və daha az dərəcədə palladium, maqnezium və vismut üçün. Bütün bu materiallar aerozol reaktorlarında sintez olunur. Tibbdə nanohissəciklər yara infeksiyalarının qarşısını almaq və müalicə etmək üçün, süni sümük implantlarında və beyin görüntüləri üçün istifadə olunur.}

İstehsal nümunəsi

Alüminium hissəciklərini əldə etmək üçün metal buxarı ilə doymuş arqon axını 1000 °C/s sürətlə 1600 °C temperaturdan diametri 18 mm və uzunluğu 0,5 m olan RPP-də soyudulur.. Qaz reaktordan keçərkən alüminium hissəciklərinin nüvələşməsi və böyüməsi baş verir. Axın sürəti 2 dm3/dəq və təzyiq 1 atm (1013 Pa) təşkil edir. Hərəkət etdikcə qaz soyuyur və həddindən artıq doymuş olur, bu da molekulların toqquşması və buxarlanması nəticəsində hissəciklərin nüvələşməsinə gətirib çıxarır, hissəcik kritik ölçüyə çatana qədər təkrarlanır. Həddindən artıq doymuş qazdan keçərkən alüminium molekulları hissəciklərin üzərində sıxlaşır və onların ölçüsünü artırır.