Wat zijn chemische reactoren? Soorten chemische reactoren

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Een chemische reactie is een proces dat leidt tot de transformatie van reactanten. Het wordt gekenmerkt door veranderingen die resulteren in een of meer producten die verschillen van het origineel. Chemische reacties zijn van een andere aard. Het hangt af van het type reagentia, de verkregen stof, de omstandigheden en tijd van synthese, ontleding, verdringing, isomerisatie, zuur-base, redox, organische processen, enz.

Chemische reactoren zijn containers die zijn ontworpen om reacties uit te voeren om het eindproduct te produceren. Hun ontwerp is afhankelijk van verschillende factoren en zou op de meest kosteneffectieve manier een maximale output moeten bieden.

Beelden

Er zijn drie hoofdmodellen van chemische reactoren:

• Periodiek.
• Continu geroerd (CPM).
• Plunjerstroomreactor (PFR).

Deze basismodellen kunnen worden aangepast om te voldoen aan de vereisten van het chemische proces.

Batchreactor

Chemische eenheden van dit type worden gebruikt in batchprocessen met lage productievolumes, lange reactietijden of waar een betere selectiviteit wordt bereikt, zoals bij sommige polymerisatieprocessen.

Hiervoor worden bijvoorbeeld roestvrijstalen containers gebruikt, waarvan de inhoud wordt gemengd met interne werkende bladen, gasbellen of met behulp van pompen. Temperatuurregeling wordt uitgevoerd met behulp van warmtewisselaarmantels, irrigatiekoelers of pompen door een warmtewisselaar.

Batchreactoren worden momenteel gebruikt in de chemische en voedselverwerkende industrie. Hun automatisering en optimalisatie levert problemen op, omdat het noodzakelijk is om continue en discrete processen te combineren.

Semi-batch chemische reactoren combineren continu en batchbedrijf. Een bioreactor wordt bijvoorbeeld periodiek belast en stoot constant kooldioxide uit, dat continu moet worden afgevoerd. Evenzo zal bij de chloreringsreactie, wanneer chloorgas een van de reactanten is, het meeste ervan vervluchtigen als het niet continu wordt geïntroduceerd.

Om grote productievolumes te garanderen, worden voornamelijk continue chemische reactoren of metalen tanks met roerwerk of continue stroom gebruikt.

Continu geroerde reactor

Vloeibare reagentia worden in roestvrijstalen tanks gevoerd. Om een goede interactie te garanderen, worden ze gemengd door de werkende messen. Dus, inIn reactoren van dit type worden de reactanten continu in de eerste tank (verticaal, staal) gevoerd, waarna ze de volgende binnenkomen, terwijl ze in elke tank grondig worden gemengd. Hoewel de samenstelling van het mengsel in elke afzonderlijke tank homogeen is, varieert de concentratie in het systeem als geheel van tank tot tank.

De gemiddelde hoeveelheid tijd die een discrete hoeveelheid reagens in een tank doorbrengt (verblijftijd) kan worden berekend door het volume van de tank eenvoudig te delen door het gemiddelde volumetrische debiet er doorheen. Het verwachte voltooiingspercentage van de reactie wordt berekend met behulp van chemische kinetiek.

Tanks zijn gemaakt van roestvrij staal of legeringen, evenals met emaille coating.

Enkele belangrijke aspecten van NPM

Alle berekeningen zijn gebaseerd op een perfecte menging. De reactie verloopt met een snelheid die verband houdt met de eindconcentratie. Bij evenwicht moet het debiet gelijk zijn aan het debiet, anders zal de tank overlopen of leeglopen.

Het is vaak kosteneffectief om met meerdere seriële of parallelle HPM's te werken. Roestvrijstalen tanks geassembleerd in een cascade van vijf of zes eenheden kunnen zich gedragen als een propstroomreactor. Hierdoor kan de eerste eenheid werken met een hogere reactantconcentratie en dus een snellere reactiesnelheid. Ook kunnen verschillende fasen van HPM in een verticale stalen tank worden geplaatst, in plaats van processen die in verschillende containers plaatsvinden.

In de horizontale versie wordt de meertraps unit door verticale scheidingswanden van verschillende hoogtes verdeeld waardoor het mengsel in cascades stroomt.

Wanneer de reactanten slecht gemengd zijn of aanzienlijk verschillen in dichtheid, wordt een verticale meertrapsreactor (gevoerd of roestvrij staal) in tegenstroom gebruikt. Dit is effectief voor het uitvoeren van omkeerbare reacties.

De kleine pseudo-vloeibare laag is volledig gemengd. Een grote commerciële wervelbedreactor heeft een vrijwel uniforme temperatuur, maar een mix van mengbare en verplaatste stromen en overgangstoestanden daartussen.

Plug-flow chemische reactor

RPP is een reactor (roestvrij) waarin een of meer vloeibare reactanten door een leiding of leidingen worden gepompt. Ze worden ook buisvormige stroming genoemd. Het kan meerdere pijpen of buizen hebben. Reagentia komen constant via het ene uiteinde binnen en producten gaan er via het andere uit. Chemische processen vinden plaats terwijl het mengsel er doorheen gaat.

In RPP is de reactiesnelheid gradiënt: aan de ingang is deze erg hoog, maar met een afname van de concentratie van reagentia en een toename van het geh alte aan uitgangsproducten, vertraagt de snelheid. Gewoonlijk wordt een toestand van dynamisch evenwicht bereikt.

Zowel horizontale als verticale reactororiëntaties zijn gebruikelijk.

Wanneer warmteoverdracht vereist is, worden individuele buizen omhuld of wordt een shell-and-tube warmtewisselaar gebruikt. In het laatste geval kunnen de chemicaliënzowel in shell als tube.

Metalen containers met een grote diameter met mondstukken of baden zijn vergelijkbaar met RPP en worden veel gebruikt. Sommige configuraties gebruiken axiale en radiale stroming, meerdere schalen met ingebouwde warmtewisselaars, horizontale of verticale reactorpositie, enzovoort.

Het reagensvat kan worden gevuld met katalytische of inerte vaste stoffen om het grensvlakcontact bij heterogene reacties te verbeteren.

Het is belangrijk in het RPP dat de berekeningen geen rekening houden met verticale of horizontale menging - dit is wat wordt bedoeld met de term "plugstroom". Reagentia kunnen niet alleen via de inlaat in de reactor worden gebracht. Het is dus mogelijk om een hoger rendement van het RPP te bereiken of de omvang en kosten ervan te verminderen. De prestaties van RPP zijn meestal hoger dan die van HPP van hetzelfde volume. Met gelijke waarden van volume en tijd in zuigerreactoren, zal de reactie een hoger voltooiingspercentage hebben dan in mengeenheden.

Dynamische balans

Voor de meeste chemische processen is het onmogelijk om 100 procent voltooiing te bereiken. Hun snelheid neemt af met de groei van deze indicator tot het moment waarop het systeem dynamisch evenwicht bereikt (wanneer de totale reactie of verandering in samenstelling niet optreedt). Het evenwichtspunt voor de meeste systemen ligt onder 100% procesvoltooiing. Om deze reden is het noodzakelijk om een scheidingsproces uit te voeren, zoals destillatie, om de resterende reactanten of bijproducten vandoelwit. Deze reagentia kunnen soms opnieuw worden gebruikt aan het begin van een proces zoals het Haber-proces.

Toepassing van PFA

Zuigerstroomreactoren worden gebruikt om de chemische transformatie van verbindingen uit te voeren terwijl ze door een buisachtig systeem bewegen voor grootschalige, snelle, homogene of heterogene reacties, continue productie en processen die veel warmte genereren.

Een ideale RPP heeft een vaste verblijftijd, d.w.z. elke vloeistof (zuiger) die binnenkomt op tijdstip t zal deze verlaten op tijdstip t + τ, waarbij τ de verblijftijd in de installatie is.

Chemische reactoren van dit type hebben hoge prestaties gedurende lange perioden, evenals een uitstekende warmteoverdracht. De nadelen van RPP's zijn de moeilijkheid om de procestemperatuur te regelen, wat kan leiden tot ongewenste temperatuurschommelingen, en hun hogere kosten.

Katalytische reactoren

Hoewel dit soort units vaak worden geïmplementeerd als RPP, vereisen ze meer complex onderhoud. De snelheid van een katalytische reactie is evenredig met de hoeveelheid katalysator die in contact komt met de chemicaliën. In het geval van een vaste katalysator en vloeibare reactanten is de snelheid van processen evenredig met het beschikbare gebied, de toevoer van chemicaliën en de onttrekking van producten en hangt af van de aanwezigheid van turbulente vermenging.

Een katalytische reactie is in feite vaak uit meerdere stappen. Niet alleende initiële reactanten interageren met de katalysator. Sommige tussenproducten reageren er ook mee.

Het gedrag van katalysatoren is ook belangrijk in de kinetiek van dit proces, vooral bij petrochemische reacties bij hoge temperatuur, omdat ze worden gedeactiveerd door sinteren, vercooksen en soortgelijke processen.

Nieuwe technologieën toepassen

RPP worden gebruikt voor biomassaconversie. Bij de experimenten wordt gebruik gemaakt van hogedrukreactoren. De druk daarin kan 35 MPa bereiken. Door het gebruik van verschillende maten kan de verblijftijd worden gevarieerd van 0,5 tot 600 s. Om temperaturen boven 300 °C te bereiken, worden elektrisch verwarmde reactoren gebruikt. Biomassa wordt geleverd door HPLC-pompen.

RPP aerosol nanodeeltjes

Er is veel belangstelling voor de synthese en toepassing van nanodeeltjes voor verschillende doeleinden, waaronder hooggelegeerde legeringen en dikkefilmgeleiders voor de elektronica-industrie. Andere toepassingen zijn magnetische gevoeligheidsmetingen, verre infraroodtransmissie en nucleaire magnetische resonantie. Voor deze systemen is het noodzakelijk om deeltjes van een gecontroleerde grootte te produceren. Hun diameter ligt gewoonlijk in het bereik van 10 tot 500 nm.

Vanwege hun grootte, vorm en hoge specifieke oppervlakte kunnen deze deeltjes worden gebruikt om cosmetische pigmenten, membranen, katalysatoren, keramiek, katalytische en fotokatalytische reactoren te produceren. Toepassingsvoorbeelden voor nanodeeltjes zijn SnO₂ voor sensorenkoolmonoxide, TiO₂ voor lichtgeleiders, SiO_{2 voor colloïdaal siliciumdioxide en optische vezels, C voor koolstofvulstoffen in banden, Fe voor opnamematerialen, Ni voor batterijen en, in mindere mate, palladium, magnesium en bismut. Al deze materialen worden gesynthetiseerd in aerosolreactoren. In de geneeskunde worden nanodeeltjes gebruikt om wondinfecties te voorkomen en te behandelen, in kunstmatige botimplantaten en voor beeldvorming van de hersenen.}

Productievoorbeeld

Om aluminiumdeeltjes te verkrijgen, wordt een met metaaldamp verzadigde argonstroom gekoeld in een RPP met een diameter van 18 mm en een lengte van 0,5 m vanaf een temperatuur van 1600 °C met een snelheid van 1000 °C/sec. Terwijl het gas door de reactor stroomt, vindt kiemvorming en groei van aluminiumdeeltjes plaats. Het debiet is 2 dm3/min en de druk is 1 atm (1013 Pa). Terwijl het beweegt, koelt het gas af en raakt het oververzadigd, wat leidt tot de kiemvorming van deeltjes als gevolg van botsingen en verdamping van moleculen, herhaald totdat het deeltje een kritische grootte bereikt. Terwijl ze door het oververzadigde gas bewegen, condenseren de aluminiummoleculen op de deeltjes, waardoor ze groter worden.