Reaktor (chemia)

W chemii , A reaktor jest obudowa lub statkiem nadającym się do prowadzenia i optymalizacji reakcji chemicznej i na ogół procesy przekształcania niezależnie od (proces inżynierii ). Żądany cel w reaktorze jednorodności medium reakcyjnego z punktu widzenia temperatury i w mieszaninie z reagentów .

Na przykład :

zbiornik: reaktor otwarty na atmosferę, umożliwiający przeprowadzenie przemiany chemicznej;
bioreaktor : reaktor umożliwiający biologiczną transformację. W przypadku fermentacji używa się również terminu fermentator ;
grignard : reaktor umożliwiający pracę pod lekkim ciśnieniem lub podciśnieniem;
autoklaw : reaktor do pracy pod wysokim ciśnieniem.

W zależności od ograniczeń narzuconych przez bezpieczeństwo , termodynamikę lub kinetykę , inżynier chemik jest odpowiedzialny za wymiarowanie reaktora w celu optymalizacji wydajności procesu. Ponieważ nie jest możliwe osiągnięcie współczynnika konwersji 100%, prawidłowe wymiarowanie może obniżyć koszty separacji i zmniejszyć ilość odpadów.

Generał

Istnieją reaktory wszystkich rozmiarów i kształtów. W procesach ciągłych reaktor jest generalnie zbudowany do pomiarów, w zależności od specyfiki reakcji. W procesach okresowych stosuje się znormalizowane reaktory wielofunkcyjne.

Reaktory są zbudowane ze stali nierdzewnej (najczęściej), emalii (do reakcji z kwasami lub innymi produktami korozyjnymi ), a nawet z tytanu lub hastelloyu w przypadku szczególnie korozyjnych reakcji.

Ogólna konstrukcja reaktorów to naczynie z systemem kontroli temperatury. Istnieją różne konfiguracje kontroli temperatury:

płaszcz umieszczony wokół zbiornika, w którym krąży płyn niezamarzający ;
półrura przyspawana dookoła zbiornika, w której płyn ciepłonośny krąży w sposób wymuszony;
wewnętrzny wymiennik ciepła (cewka umieszczona w zbiorniku), a zewnętrzny wymiennik ciepła (mieszanina ze zbiornika pompuje się na zewnątrz zbiornika, przechodzi przez wymiennik ciepła, a następnie jest zawracany do zbiornika).

Ogólne wymiary reaktora ze stali nierdzewnej zbudowanego zgodnie z normą DIN 28136

Objętość nominalna ( l )	Maksymalna objętość robocza (l)	Całkowita objętość (l)	Masa własna (kg)	Powierzchnia wymiany (podwójna powłoka) (m 2 )	Powierzchnia wymiany (półskorupy) (m 2 )
63	87,5	100	350	0.63	-
100	126	138	400	0.86	-
160	198	218	450	1.2	-
250	330	363	750	1.48	1.1
400	465	512	900	2.04	1.63
630	800	900	1100	2.73	2.05
1000	1380	1,550	1400	3.86	2,93
2500	3,265	3,665	2300	7.64	6.0
10 000	10 815,	12 160,	6000	22,0	13.5
16 000	18 980,	21 120	8,000	32,0	20,0

Masę podano w podwójnym płaszczem reaktora (63- 2500 l ) odpowiednio do reaktora połowy rury (10 000- 16 000 l ). Masę dotyczy reaktorach ze sprzętem ( czujnika , mieszadło , itp ). Wartości orientacyjne zgodnie z normą DIN 28136 .

Idealne reaktory

W dziedzinie inżynierii chemicznej wyróżnia się trzy główne klasy reaktorów:

reaktory pracujące z ciągłym przepływem:
- reaktory ciągłe lub otwarte (CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor );
- reaktory z przepływem tłokowym (PFTR - rurowy reaktor z przepływem tłokowym );
reaktory okresowe lub zamknięte ( reaktor okresowy );
reaktory półciągłe lub półzamknięte ( wsadowe ), które znajdują się między reaktorem zamkniętym a reaktorem otwartym.

Te reaktory są również nazywane reaktorami idealnymi, ponieważ służą jako podstawowy model do projektowania procesów chemicznych. Wyznacza je pewna liczba założeń, które ułatwiają modelowanie procesu.

Ciągły reaktor

Założenia związane z modelem reaktora ciągłego są następujące:

jednorodna mieszanina na poziomie molekularnym;
jednorodna temperatura medium;
stała objętość i gęstość (przepływ wlotowy = przepływ wylotowy);
stężenia i temperatura strumienia wyjściowego są takie same jak w reaktorze.

Spełnia następujący bilans: WEJŚCIE + ŹRÓDŁO + DOBRZE = WYJŚCIE.

O takiej równowadze mówi się, że jest stacjonarna (właściwość reaktora ciągłego po fazie rozruchu, to znaczy w fazie produkcji), to znaczy, że zarówno temperatura, jak i stężenia składników medium nie zmienia się. nie z upływem czasu. Matematycznie daje to:

bilans materiałowy: ;

{\ Displaystyle 0 = {\ kropka {V}} \ cdot (C_ {i, {\ tekst {wejście}}} - C_ {ja, {\ tekst {wyjście}}}) + R_ {i} \ cdot V}

Bilans energetyczny: .

{\ Displaystyle 0 = \ rho \ cdot C_ {p} \ cdot {\ kropka {V}} \ cdot (T _ {\ tekst {wpis}} - T _ {\ tekst {reaktor}}) + U \ cdot A \ cdot (T _ {\ text {płaszcz}} - T _ {\ text {reaktor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V}

Zalety :

Niewielkie różnice w jakości produktu w długim okresie.
Wysoka wydajność.
Dobry do badań kinetycznych.
Działa przy niskich stężeniach odczynników (większe bezpieczeństwo, lepsza konwersja dla rzędów reakcji mniejszych niż 1 lub w przypadku hamowania przez substrat).

Wady :

Mniej dobra konwersja dla rzędów reakcji większych niż 1 lub w przypadku hamowania przez produkt.
Wymaga doskonałej kontroli przepływu (wejście i wyjście).
Nie pozwala na reakcje wymagające zmian warunków pracy.

Reaktor okresowy

Założenia związane z nieciągłym modelem reaktora są następujące:

jednorodna mieszanina na poziomie molekularnym;
jednorodna temperatura medium;
stała objętość (przepływ wlotowy = przepływ wylotowy = 0).

Spełnia następujący bilans: ŹRÓDŁO + DOBRZE = AKUMULACJA.

Mówi się , że równowaga taka jest przejściowa , to znaczy, że stężenia składników ośrodka zmieniają się w czasie. Temperatura może pozostać stała lub nie (reaktor izotermiczny ). Matematycznie daje to:

bilans materiałowy: ;

{\ Displaystyle V \ cdot {\ Frac {dC_ {i}} {dt}} = R_ {i} \ cdot V}

bilans energetyczny (trzy możliwości):

moda politropowe : , ${\ Displaystyle m \ cdot C_ {p} \ cdot {\ Frac {dT} {dt}} = U \ cdot A \ cdot (T _ {\ tekst {płaszcz}} - T _ {\ tekst {reaktor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V}$

Tryb izoterma: , ${\ Displaystyle 0 = U \ cdot A \ cdot (T _ {\ tekst {płaszcz}} - T _ {\ tekst {reaktor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V}$

moda adiabatyczne : . ${\ Displaystyle m \ cdot C_ {p} \ cdot {\ Frac {dT} {dt}} = R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V}$

Zalety :

Prosta instalacja i duża wszechstronność.
Pozwala na reakcje wymagające zmian warunków pracy (w szczególności zmian temperatury).

Wady :

Działa przy wysokich stężeniach odczynników na początku reakcji (problem bezpieczeństwa, gorsza konwersja w przypadku hamowania przez substrat).
Wymaga przestojów między każdą operacją (napełnianie, opróżnianie, czyszczenie), co wpływa na wydajność.

Reaktor przepływowy tłokowy

Założenia związane z modelem reaktora typu plug-in są następujące:

mieszaninę radialną uważa się za doskonałą;
przepływ jest tłokowy;
stała gęstość;
brak mieszania osiowego.

Spełnia następujący bilans: WEJŚCIE + ŹRÓDŁO + DOBRZE = WYJŚCIE.

Uważa się, że reaktor znajduje się w stanie stacjonarnym, ale ma profil temperatury i stężenia w funkcji jego osi. Nie rozpatrujemy reaktora w całości, ale dzielimy go na cienkie plasterki, co umożliwia napisanie:

bilans materiałowy: dla wycinka o grubości dL i objętości dV;

{\ displaystyle {\ frac {dC_ {i}} {dt}} = R_ {i}}

Bilans energetyczny: .

{\ Displaystyle {\ kropka {m.}} \ cdot C_ {p} \ cdot {\ Frac {dT} {dV}} = U \ cdot dA \ cdot (T _ {\ tekst {płaszcz}} - T _ {\ text {reactor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H}

Zalety :

Niewielkie różnice w jakości produktu w długim okresie.
Wysoka wydajność.

Wady :

Wymaga doskonałej kontroli przepływu (wejście i wyjście).

Reaktor ze złożem stałym

Reaktor ze złożem nieruchomym jest rodzajem reaktora z przepływem tłokowym. Stosowany jest głównie do heterogenicznych reakcji katalitycznych w fazie gazowej: reakcja zachodzi na powierzchni stałego katalizatora, przy czym reagenty i produkty są gazami. Katalizator osadza się na powierzchni obojętnych nośników (kratki metalowe lub elementy krzemionkowe), które tworzą stałą strukturę (złoże stałe) umieszczoną w reaktorze. Reagenty krążą w reaktorze wokół elementów złoża (lub nawet w elementach złoża, jeśli to ostatnie składa się z elementów porowatych) i reagują na jego powierzchni z katalizatorem.

Reaktor półciągły

Reaktor półciągły jest bardzo podobny do reaktora okresowego. Główna zmiana polega na tym, że objętość zmienia się podczas reakcji. Główne założenia modelu to:

jednorodna mieszanina na poziomie molekularnym;
jednorodna temperatura medium.

Spełnia następujący bilans: AKUMULACJA = WPROWADZENIE + ŹRÓDŁO + DOBRZE.

Bilans materiałowy: .

{\ Displaystyle V \ cdot {\ Frac {dC_ {i}} {dt}} = R_ {i} \ cdot V + {\ kropka {V}} \ cdot C_ {i, {\ tekst {wpis}}}}

Bilans energetyczny (trzy możliwości):

politropowe moda: ; ${\ Displaystyle m \ cdot C_ {p} \ cdot {\ Frac {dT} {dt}} = U \ cdot A \ cdot (T _ {\ tekst {płaszcz}} - T _ {\ tekst {reaktor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V + \ rho \ cdot C_ {p} \ cdot {\ dot {V}} \ cdot (T _ {\ text {wpis}} - T _ {\ text {reactor}})}$

Tryb izotermiczne: ; ${\ Displaystyle 0 = U \ cdot A \ cdot (T _ {\ tekst {płaszcz}} - T _ {\ tekst {reaktor}}) + R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V + \ rho \ cdot C_ {p} \ cdot {\ dot {V}} \ cdot (T _ {\ text {input}} - T _ {\ text {reactor}})}$
adiabatyczne moda: . ${\ Displaystyle m \ cdot C_ {p} \ cdot {\ Frac {dT} {dt}} = R \ cdot - \ Delta _ {r} H \ cdot V + \ rho \ cdot C_ {p} \ cdot {\ kropka {V}} \ cdot (T _ {\ text {input}} - T _ {\ text {reaktor}})}$

Sprawdź objętość: .

{\ displaystyle {\ frac {dV} {dt}} = {\ kropka {V}}}

Zalety :

Pozwala na kontrolę koncentracji (większe bezpieczeństwo).
Pozwala na reakcje wymagające zmian warunków pracy (w szczególności zmiany stężenia odczynników).
Lepsza konwersja w przypadku hamowania przez podłoże.
Pozwala na osiągnięcie bardzo wysokich gęstości komórek w biotechnologii.

Wady :

Wymaga doskonałej kontroli przepływu na wejściu (niebezpieczeństwo gromadzenia się odczynnika).
Wymaga przestojów między każdą operacją (napełnianie, opróżnianie, czyszczenie), co wpływa na wydajność.

Inne reaktory

Reaktor z recyklingiem

Zwykle jest to reaktor z przepływem tłokowym, którego część przepływu wylotowego jest ponownie wtryskiwana do reaktora przez mieszanie z przepływem wlotowym. Ten typ reaktora jest powszechnie stosowany, gdy konwersja w reaktorze jest niska, w celu zwiększenia wydajności.

Kaskada reaktora

Ten typ reaktora charakteryzuje się kolejnością reaktorów (kilka reaktorów ciągłych lub duet ciągły reaktor-reaktor z przepływem tłokowym. Wypływ z pierwszego reaktora służy jako przepływ wlotowy do drugiego reaktora itd. Ta konfiguracja pozwala na osiągnięcie bardzo wysoka konwersja Reaktory można łączyć szeregowo lub równolegle.

Nieidealne reaktory

W rzeczywistości założenia nie są przestrzegane, tym bardziej, jeśli reaktor jest duży. Zatem w reaktorze o pojemności kilku tysięcy litrów temperatura nie jest jednorodna, co generuje profile stężeń, ponieważ szybkość reakcji , która jest zależna od temperatury, nie jest równomierna w masie reakcyjnej.

Aby zmierzyć idealność reaktora, istnieje technika, rozkład czasu przebywania (DTS). Technika ta umożliwia, poprzez pomiar stężenia znacznika w różnych miejscach reaktora, porównanie reaktora z powyższymi modelami i, jeśli to konieczne, skorygowanie modelu w celu uwzględnienia odchyleń.