Какви са химическите реактори? Видове химически реактори

Химическата реакция е процес, който води до трансформация на реагентите. Характеризира се с промени, които водят до един или повече продукти, различни от оригиналните. Химичните реакции са от различно естество. Зависи от типа реагенти, полученото вещество, условията и времето на синтез, разлагане, изместване, изомеризация, киселинна база, окислително-редукционни, органични процеси и др.

Химическите реактори са резервоари, предназначени да извършват реакции, за да произведат крайния продукт. Техният дизайн зависи от различни фактори и трябва да осигурява максималния добив по най-рентабилния начин.

видове

Съществуват три основни основни модела химически реактори:

• Периодично действие.
• Продължително с бъркалка (HPM).
• Реактор с бутален поток (PFR).

Тези основни модели могат да бъдат модифицирани в съответствие с изискванията на химическия процес.

Партиден реактор

Химическите агрегати от този тип се използват в партидни процеси с малки обеми на производство, дълги реакционни времена или когато се постига по-добра селективност, както при някои полимеризационни процеси.

За тази цел се използват например резервоари от неръждаема стомана, съдържанието на които се смесва с вътрешни работни остриета, газови мехурчета или с помпи. Контролът на температурата се извършва чрез топлообменници, хладилни охладители или изпомпване през топлообменник.

В момента се използват партидни реактори в химическата и хранително-вкусовата промишленост. Тяхната автоматизация и оптимизация създават трудности, тъй като е необходимо да се съчетаят непрекъснати и дискретни процеси.

Полу-периодичните химически реактори съчетават работата в непрекъснати и периодични режими. Биореакторът, например, периодично се зарежда и постоянно освобождава въглероден диоксид, който трябва непрекъснато да се отстранява. По подобен начин, при реакцията на хлориране, когато един от реагентите е хлорен газ, ако не се внася непрекъснато, по-голямата част от него се изпарява.

За да се осигури голям обем продукция, се използват главно химични реактори с непрекъснато действие или метални резервоари с бъркалка или непрекъснат поток.

Непрекъснат разбъркващ резервоар реактор

Резервоарите от неръждаема стомана се доставят с течни реагенти. За да се осигури правилно взаимодействие, те се смесват чрез работещи ножове. Така, в реактори от този тип, реагентите се подават непрекъснато в първия резервоар (вертикално, стомана), след което те попадат в следващия, докато са добре смесени във всеки резервоар. Въпреки че съставът сместа е хомогенна във всеки отделен резервоар, в системата като цяло, концентрацията варира от капацитет до капацитет.

Средното количество време, което отделено количество от реагента прекарва в резервоара (време на престой), може да бъде изчислено чрез просто разделяне на обема на резервоара от средния обемен дебит през него. Очакваният процент на завършване на реакцията се изчислява като се използва химична кинетика.

Контейнерите са изработени от неръждаема стомана или сплави, както и с емайлово покритие.

Някои важни аспекти на HPM

Всички изчисления се извършват, като се отчита идеалното смесване. Реакцията протича при скорост, свързана с крайната концентрация. В състояние на равновесие скоростта на потока трябва да е равна на скоростта на потока, в противен случай резервоарът ще се препълни или изпразни.

Често е икономично да работите с няколко последователни или паралелни НПМ. Неръждаемите резервоари, сглобени в каскада от пет или шест единици, могат да се държат като реактор с бутален поток. Това позволява на първия блок да работи с по-висока концентрация от реагенти и следователно с по-висока реакционна скорост. Също така, няколко етапа на HPM могат да бъдат поставени във вертикалния стоманен резервоар, вместо процесите, които се извършват в различен капацитет.

В хоризонталната версия многостепенното устройство се разделя от вертикални прегради на различни височини, през които сместа навлиза в каскадите.

Когато реагентите са слабо смесени или значително различаващи се в плътността, се използва вертикален многоетапен реактор (емайлирана или неръждаема стомана) в противодействащ режим. Това е ефективно за извършване на обратими реакции.

Един малък псевдо-течен слой е напълно смесен. Големият реактор с кипящ слой има практически еднаква температура, но комбинира смесването и изместените потоци и преходните състояния между тях.

Химическият реактор на идеалното изместване

PFR е реактор (неръждаем), в който един или повече течни реагенти се изпомпват през тръба или тръби. Те също така се наричат ​​тръбовиден поток. Тя може да има няколко тръби или тръби. Реагентите постоянно се доставят през единия край, а продуктите излизат от другия. Химични процеси като преминава сместа.

В RPP скорост на реакция градиент: при входа е много висока, но с намаляване на концентрацията на реагентите и увеличаване на съдържанието на продуктите от добива, скоростта му се забавя. Обикновено се постига състояние на динамично равновесие.

И хоризонталната и вертикалната ориентация на реактора са чести.

Когато се изисква топлопреминаване, отделни тръби се поставят в кожух или се използва топлообменник на обвивката. В последния случай химичните вещества могат да бъдат намерени както в корпуса, така и в тръбата.

Металните контейнери с голям диаметър с дюзи или вани са подобни на PFR и се използват широко. При някои конфигурации се използва аксиален и радиален поток, множество корпуси с вградени топлообменници, хоризонтално или вертикално положение на реактора и т.н.

Контейнерът на реагента може да бъде напълнен с каталитични или инертни твърди частици, за да се подобри контактът между повърхностите в хетерогенни реакции.

Важен фактор в RFP е, че вертикалното или хоризонталното смесване не се взема предвид при изчисленията - това е терминът "бутален поток". Реагентите могат да бъдат въведени в реактора не само в входа. По този начин е възможно да се постигне по-висока ефективност на ПФП или да се намали размерът и цената му. Ефективността на PFR обикновено е по-висока от тази на HPM със същия обем. При равни стойности на обем и време в буталните реактори, реакцията ще има по-висок процент на завършване, отколкото в смесителните единици.

Динамичен баланс

За повечето химически процеси не е възможно 100% завършване. Скоростта им намалява с нарастването на този показател до момента, в който системата достигне динамично равновесие (когато не настъпи пълната реакция или промяна в състава). Точката на равновесие за повечето системи се намира под 100% завършване на процеса. По тази причина е необходим процес на разделяне, като дестилация, за да се отделят останалите реагенти или странични продукти от целта. Тези реагенти понякога могат да се използват повторно в началото на процеса, например като процеса Haber.

Прилагане на ПЧП

реактори поточен използвани за химична конверсия на съединения по време на тяхното движение през системата, наподобяващ тръба, за целите на голям мащаб, бързо, хомогенни или хетерогенни реакции, непрекъснати производствени процеси и при освобождаване на големи количества топлина.

Идеалният PFR има фиксирано време на пребиваване, т.е. всяка течност (бутало), пристигаща в момента t, ще го остави в момента t + тау-, където tau - времето на пребиваване в инсталацията.

Химическите реактори от този тип имат висока производителност за дълги периоди от време, както и отличен пренос на топлина. Недостатъците на ПЧП са трудностите при мониторинга на температурата на процеса, което може да доведе до нежелани температурни промени, както и тяхната по-висока цена.

Каталитични реактори

Въпреки че агрегатите от този тип често се изпълняват под формата на ПЧП, те изискват по-сложна поддръжка. Скоростта на каталитичната реакция е пропорционална на количеството на катализатора в контакт с химикалите. В случая на твърд катализатор и течни реагенти скоростта на процесите е пропорционална на наличната площ, на входа на химикалите и на избора на продукти и зависи от наличието на турбулентно смесване.

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

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

Прилагане на нови технологии

PFR се използват за преобразуване на биомаса. В експериментите се използват реактори с високо налягане. Налягането в тях може да достигне 35 МРа. Използването на няколко размера позволява да се променя времето на престой от 0.5 до 600 секунди. За достигане на температури над 300 ° C се използват реактори с електрическо отопление. Доставката на биомаса се извършва с помощта на HPLC помпи.

PFR на аерозолни наночастици

Съществува значителен интерес към синтезата и използването на наноразмерни частици за различни цели, включително високолегирани сплави и дебелослойни проводници за електронната индустрия. Други приложения включват измервания на магнитната податливост, далечна инфрачервена трансмисия и ядрено-магнитен резонанс. За тези системи е необходимо да се произведат частици с контролиран размер. Техният диаметър, като правило, 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 на наночастици включват SnO₂ за сензори за въглероден окис, TiO₂ за оптични влакна, SiO₂ за колоиден силициев диоксид и оптични влакна, С за въглеродни пълнители в гуми, Fe за записващи материали, Ni за батерии и в по-малки количества 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, изкуствени костни импланти, както и за визуализиране на мозъка.

Пример за производство

За да се получат алуминиеви частици, потокът от аргон, наситени с пари метал, се охлажда в RPM с диаметър 18 mm и дължина от 0.5 m от 1600 ° С при скорост 1000 ° C / s. Тъй като газът преминава през реактора, възниква образуването и растежа на алуминиеви частици. Дебитът е 2 dm³/ min, а налягането е 1 atm (1013 Ра). Тъй като газът се движи, газът се охлажда и става пренаситен, което води до натрупване на частици в резултат на сблъсъци и изпаряване на молекулите, което се повтаря, докато частицата достигне критичен размер. Тъй като преминават през пренаситен газ, алуминиевите молекули кондензират върху частиците, като увеличават размера си.