Химиялық реакторлар дегеніміз не? Химиялық реакторлардың түрлері

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-02 13:58

Химиялық реакция – әрекеттесуші заттардың түрленуіне әкелетін процесс. Ол түпнұсқадан ерекшеленетін бір немесе бірнеше өнімге әкелетін өзгерістермен сипатталады. Химиялық реакциялардың табиғаты әртүрлі. Ол реагенттердің түріне, алынған затқа, синтез, ыдырау, орын ауыстыру, изомерлену, қышқыл-негіз, тотығу-тотықсыздану, органикалық процестер және т.б. жағдайлары мен уақытына байланысты.

Химиялық реакторлар – соңғы өнімді алу үшін реакцияларды жүргізуге арналған контейнерлер. Олардың дизайны әртүрлі факторларға байланысты және ең үнемді жолмен максималды өнімді қамтамасыз етуі керек.

Көрулер

Химиялық реакторлардың үш негізгі негізгі моделі бар:

• Мерзімді.
• Үздіксіз араластырылған (CPM).
• Поршеньді ағынды реактор (PFR).

Бұл негізгі үлгілерді химиялық процестің талаптарына сай өзгертуге болады.

Пакеттік реактор

Бұл түрдегі химиялық қондырғылар кейбір полимерлеу процестеріндегідей өндіріс көлемі төмен, реакция уақыты ұзақ немесе жақсырақ селективтілікке қол жеткізілетін сериялық процестерде қолданылады.

Бұл үшін, мысалы, ішкі жұмыс қалақшаларымен, газ көпіршіктерімен немесе сорғыларды пайдаланып мазмұны араластырылған тот баспайтын болаттан жасалған контейнерлер пайдаланылады. Температураны реттеу жылу алмастырғыш кеудешелерді, суару салқындатқыштарын пайдалану немесе жылу алмастырғыш арқылы сору арқылы жүзеге асырылады.

Пахталық реакторлар қазіргі уақытта химия және тамақ өңдеу өнеркәсібінде қолданылады. Оларды автоматтандыру және оңтайландыру қиындықтар туғызады, өйткені үздіксіз және дискретті процестерді біріктіру қажет.

Жартылай сериялы химиялық реакторлар үздіксіз және сериялық жұмысты біріктіреді. Мысалы, биореактор мезгіл-мезгіл жүктеледі және үнемі көмірқышқыл газын шығарады, оны үздіксіз алып тастау керек. Сол сияқты хлорлау реакциясында хлор газы әрекеттесуші заттардың бірі болған кезде, оны үздіксіз енгізбесе, оның көп бөлігі ұшады.

Үлкен өндіріс көлемін қамтамасыз ету үшін негізінен үздіксіз химиялық реакторлар немесе араластырғыш немесе үздіксіз ағыны бар металл резервуарлар пайдаланылады.

Үздіксіз араластырылатын реактор

Сұйық реагенттер тот баспайтын болаттан жасалған резервуарларға беріледі. Тиісті өзара әрекеттесуді қамтамасыз ету үшін олар жұмыс пышақтары арқылы араласады. Осылайша, вОсы типтегі реакторларда әрекеттесуші заттар бірінші резервуарға (тік, болат) үздіксіз беріледі, содан кейін олар әрбір резервуарда мұқият араластырыла отырып, кейінгілерге түседі. Қоспаның құрамы әрбір жеке резервуарда біртекті болғанымен, тұтастай алғанда жүйеде концентрация резервуардан резервуарға дейін өзгереді.

Реагенттің дискретті мөлшерінің резервуарда өткізетін орташа уақытын (тұру уақыты) резервуардың көлемін ол арқылы өтетін орташа көлемдік ағынның жылдамдығына жай ғана бөлу арқылы есептеуге болады. Реакцияның күтілетін аяқталу пайызы химиялық кинетика арқылы есептеледі.

Бактериялар тот баспайтын болаттан немесе қорытпалардан жасалған, сондай-ақ эмальмен қапталған.

NPM кейбір маңызды аспектілері

Барлық есептеулер тамаша араластыруға негізделген. Реакция соңғы концентрацияға байланысты жылдамдықпен жүреді. Тепе-теңдікте ағын жылдамдығы ағын жылдамдығына тең болуы керек, әйтпесе резервуар толып кетеді немесе босап қалады.

Бірнеше сериялық немесе параллель HPM-мен жұмыс істеу көбінесе үнемді. Бес немесе алты блоктан тұратын каскадта жиналған тот баспайтын болаттан жасалған цистерналар тығынды реактор сияқты әрекет ете алады. Бұл бірінші блоктың жоғарырақ реактивті концентрацияда жұмыс істеуіне, демек жылдамырақ реакция жылдамдығына мүмкіндік береді. Сондай-ақ, HPM бірнеше сатысын әртүрлі контейнерлерде өтетін процестердің орнына тік болат резервуарға орналастыруға болады.

Көлденең нұсқада көп сатылы қондырғы әртүрлі биіктіктегі тік қалқалармен бөлінген, олар арқылы қоспа каскадтармен ағып тұрады.

Реактивтер нашар араласқанда немесе тығыздығы бойынша айтарлықтай ерекшеленетін кезде қарсы ток режимінде тік көп сатылы реактор (қапталған немесе тот баспайтын болат) пайдаланылады. Бұл қайтымды реакцияларды орындау үшін тиімді.

Кішкентай псевдосұйық қабат толығымен араласқан. Үлкен коммерциялық сұйық қабаттағы реактордың температурасы біркелкі, бірақ араласатын және ығысатын ағындар мен олардың арасындағы өтпелі күйлердің қоспасы.

Штепсельдік ағынды химиялық реактор

RPP – бір немесе бірнеше сұйық реактивтер құбыр немесе құбырлар арқылы айдалатын реактор (тот баспайтын). Оларды құбырлы ағын деп те атайды. Оның бірнеше құбырлары немесе түтіктері болуы мүмкін. Реагенттер үнемі бір ұшынан еніп, екінші жағынан өнімдер шығады. Химиялық процестер қоспаның өтуімен жүреді.

РПП-да реакция жылдамдығы градиентті: кірісте ол өте жоғары, бірақ реагенттер концентрациясының төмендеуімен және шығарылатын өнімдер мөлшерінің жоғарылауымен оның жылдамдығы баяулайды. Әдетте динамикалық тепе-теңдік күйге жетеді.

Реактордың көлденең және тік бағдарлары ортақ.

Жылу беру қажет болғанда, жеке түтіктер қапталады немесе қабық пен түтік жылу алмастырғыш пайдаланылады. Соңғы жағдайда химиялық заттар болуы мүмкінқабықта да, түтікте де.

Саптамалары немесе ванналары бар үлкен диаметрлі металл контейнерлер RPP-ге ұқсас және кеңінен қолданылады. Кейбір конфигурациялар осьтік және радиалды ағынды, кірістірілген жылу алмастырғыштары бар бірнеше қабықтарды, көлденең немесе тік реактордың орнын және т.б. пайдаланады.

Гетерогенді реакциялардағы фазааралық байланысты жақсарту үшін реагент ыдысын каталитикалық немесе инертті қатты заттармен толтыруға болады.

РПП-да есептеулер тік немесе көлденең араластыруды ескермейтіні маңызды - бұл «штепсельдік ағын» терминімен түсіндіріледі. Реагенттерді реакторға тек кіріс арқылы ғана емес енгізуге болады. Осылайша, РПП жоғары тиімділігіне қол жеткізуге немесе оның көлемі мен құнын төмендетуге болады. ЖЭС өнімділігі әдетте бірдей көлемдегі СЭС-ке қарағанда жоғары. Поршеньді реакторлардағы көлем мен уақыттың тең мәндері кезінде реакция араластырғыш қондырғыларға қарағанда жоғарырақ аяқталу пайызына ие болады.

Динамикалық баланс

Химиялық процестердің көпшілігі үшін 100 пайыз аяқталуға қол жеткізу мүмкін емес. Олардың жылдамдығы осы көрсеткіштің өсуімен жүйе динамикалық тепе-теңдікке жеткен сәтке дейін төмендейді (толық реакция немесе құрамның өзгеруі болмаған кезде). Көптеген жүйелер үшін тепе-теңдік нүктесі процестің 100% аяқталуынан төмен. Осы себепті қалған реагенттерді немесе жанама өнімдерді бөлу үшін дистилляция сияқты бөлу процесін жүргізу қажет.мақсат. Бұл реагенттерді кейде Хабер процесі сияқты процестің басында қайта пайдалануға болады.

PFA қолданбасы

Поршеньді ағынды реакторлар үлкен масштабты, жылдам, біртекті немесе гетерогенді реакциялар, үздіксіз өндіріс және жоғары жылу шығару процестері үшін түтік тәрізді жүйе арқылы қозғалатын қосылыстардың химиялық түрленуін жүзеге асыру үшін пайдаланылады.

Идеал RPP тұрақты тұру уақыты бар, яғни t уақытында түскен кез келген сұйықтық (поршень) оны t + τ уақытында қалдырады, мұндағы τ - қондырғыда тұру уақыты.

Осы түрдегі химиялық реакторлар ұзақ уақыт бойы жоғары өнімділікке, сондай-ақ тамаша жылу өткізгіштікке ие. RPP кемшіліктері - температураның қажетсіз ауытқуларына әкелетін процесс температурасын бақылаудың қиындығы және олардың жоғары құны.

Катализдік реакторлар

Бірліктердің бұл түрлері жиі RPP ретінде енгізілгенімен, олар күрделірек техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді. Каталитикалық реакцияның жылдамдығы химиялық заттармен жанасатын катализатордың мөлшеріне пропорционал. Қатты катализатор және сұйық реактивтер жағдайында процестердің жылдамдығы қол жетімді аумаққа, химиялық заттардың түсуіне және өнімдердің алынуына пропорционалды және турбулентті араластырудың болуына байланысты.

Катализдік реакция көбінесе көп сатылы болады. Тек қана емесбастапқы реакцияға түсетін заттар катализатормен әрекеттеседі. Кейбір аралық өнімдер де онымен әрекеттеседі.

Катализаторлардың әрекеті де осы процестің кинетикасында, әсіресе жоғары температурадағы мұнай-химиялық реакцияларда маңызды, өйткені олар агломерация, кокстеу және ұқсас процестер арқылы дезактивацияланады.

Жаңа технологияларды қолдану

RPP биомассаны түрлендіру үшін пайдаланылады. Тәжірибелерде жоғары қысымды реакторлар қолданылады. Олардағы қысым 35 МПа жетуі мүмкін. Бірнеше өлшемдерді пайдалану тұру уақытын 0,5-тен 600 с-қа дейін өзгертуге мүмкіндік береді. 300 °C жоғары температураға жету үшін электрмен қыздырылатын реакторлар қолданылады. Биомассаны HPLC сорғылары қамтамасыз етеді.

RPP аэрозоль нанобөлшектері

Электрондық өнеркәсібі үшін жоғары легирленген қорытпаларды және қалың пленкалы өткізгіштерді қоса алғанда, әртүрлі мақсаттар үшін наноөлшемді бөлшектердің синтезі мен қолданылуына үлкен қызығушылық бар. Басқа қолданбаларға магниттік сезімталдықты өлшеу, алыс инфрақызыл тарату және ядролық магниттік резонанс жатады. Бұл жүйелер үшін басқарылатын өлшемдегі бөлшектерді өндіру қажет. Олардың диаметрі әдетте 10 мен 500 нм аралығында болады.

Өлшеміне, пішініне және жоғары үлестік ауданына байланысты бұл бөлшектер косметикалық пигменттерді, мембраналарды, катализаторларды, керамикаларды, каталитикалық және фотокаталитикалық реакторларды өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Нанобөлшектерге арналған қолданбалы мысалдар сенсорларға арналған SnO₂ қамтиды.көміртегі тотығы, жарық бағыттағыштары үшін TiO₂, коллоидты кремний диоксиді және оптикалық талшықтар үшін SiO_{2, шиналардағы көміртегі толтырғыштары үшін C, материалдарды жазу үшін Fe, Батареялар үшін Ni және аз дәрежеде палладий, магний және висмут. Бұл материалдардың барлығы аэрозольдық реакторларда синтезделеді. Медицинада нанобөлшектер жара инфекцияларының алдын алу және емдеу үшін, жасанды сүйек имплантаттарында және миды бейнелеу үшін қолданылады.}

Өндіріс үлгісі

Алюминий бөлшектерін алу үшін металл буымен қаныққан аргон ағынын диаметрі 18 мм және ұзындығы 0,5 м РПП-да 1600 °C температурадан 1000 °C/с жылдамдықпен салқындатады.. Газ реактордан өткенде алюминий бөлшектерінің ядролануы және өсуі жүреді. Ағын жылдамдығы 2 дм3/мин және қысым 1 атм (1013 Па). Қозғалыс кезінде газ салқындайды және аса қаныққан болады, бұл молекулалардың соқтығысуы және булануы нәтижесінде бөлшектердің ядролануына әкеледі, бөлшек критикалық мөлшерге жеткенше қайталанады. Аса қаныққан газ арқылы қозғалған кезде алюминий молекулалары бөлшектерде конденсацияланып, олардың көлемін ұлғайтады.