Ի՞նչ են քիմիական ռեակտորները: Քիմիական ռեակտորների տեսակները

2024 Հեղինակ: Howard Calhoun | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 13:56

Քիմիական ռեակցիան գործընթաց է, որը հանգեցնում է ռեակտիվների փոխակերպմանը: Այն բնութագրվում է փոփոխություններով, որոնք հանգեցնում են մեկ կամ մի քանի ապրանքների, որոնք տարբերվում են օրիգինալից: Քիմիական ռեակցիաները տարբեր բնույթ են կրում։ Դա կախված է ռեակտիվների տեսակից, ստացված նյութից, սինթեզի պայմաններից և ժամանակից, տարրալուծման, տեղաշարժի, իզոմերացման, թթու-բազային, ռեդոքսի, օրգանական պրոցեսներից և այլն։

Քիմիական ռեակտորները կոնտեյներներ են, որոնք նախատեսված են ռեակցիաներ իրականացնելու համար՝ վերջնական արտադրանք ստանալու համար: Դրանց դիզայնը կախված է տարբեր գործոններից և պետք է ապահովի առավելագույն արդյունք՝ ամենաարդյունավետ կերպով:

Դիտումներ

Գոյություն ունեն քիմիական ռեակտորների երեք հիմնական մոդելներ.

• Պարբերական.
• Շարունակական խառնված (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Այս հիմնական մոդելները կարող են փոփոխվել՝ բավարարելու քիմիական գործընթացի պահանջները:

Խմբաքանակային ռեակտոր

Այս տեսակի քիմիական միավորներն օգտագործվում են խմբաքանակային գործընթացներում ցածր արտադրական ծավալներով, երկար արձագանքման ժամանակներով կամ որտեղ ավելի լավ ընտրողականություն է ձեռք բերվում, ինչպես որոշ պոլիմերացման գործընթացներում:

Դրա համար, օրինակ, օգտագործվում են չժանգոտվող պողպատից տարաներ, որոնց պարունակությունը խառնվում է ներքին աշխատանքային շեղբերների, գազի պղպջակների կամ պոմպերի միջոցով։ Ջերմաստիճանի հսկողությունն իրականացվում է ջերմափոխանակման բաճկոնների, ոռոգման հովացուցիչների կամ ջերմափոխանակիչի միջոցով մղելու միջոցով:

Խմբաքանակային ռեակտորները ներկայումս օգտագործվում են քիմիական և սննդի վերամշակման արդյունաբերության մեջ: Դրանց ավտոմատացումը և օպտիմալացումը դժվարություններ են ստեղծում, քանի որ անհրաժեշտ է համատեղել շարունակական և դիսկրետ գործընթացները։

Կիսամյակային քիմիական ռեակտորները համատեղում են շարունակական և խմբաքանակային աշխատանքը: Օրինակ, կենսառեակտորը պարբերաբար բեռնված է և անընդհատ արտանետում է ածխաթթու գազ, որը պետք է շարունակաբար հեռացվի: Նմանապես, քլորացման ռեակցիայի ժամանակ, երբ քլոր գազը ռեակտիվներից մեկն է, եթե այն անընդհատ չներարկվի, դրա մեծ մասը կցնդի:

Արտադրական մեծ ծավալներ ապահովելու համար հիմնականում օգտագործվում են անընդհատ քիմիական ռեակտորներ կամ մետաղական տանկեր՝ խառնիչով կամ շարունակական հոսքով։

Շարունակական խառնված ռեակտոր

Հեղուկ ռեակտիվները սնվում են չժանգոտվող պողպատից տանկերի մեջ: Պատշաճ փոխազդեցությունն ապահովելու համար դրանք խառնվում են աշխատանքային շեղբերով: Այսպիսով, մեջԱյս տիպի ռեակտորներում ռեակտիվները անընդհատ սնվում են առաջին տանկի մեջ (ուղղահայաց, պողպատե), այնուհետև դրանք մտնում են հաջորդները՝ միաժամանակ մանրակրկիտ խառնվելով յուրաքանչյուր տանկի մեջ։ Չնայած խառնուրդի բաղադրությունը միատարր է յուրաքանչյուր առանձին տանկի մեջ, ընդհանուր առմամբ համակարգում կոնցենտրացիան տատանվում է տանկից տանկ:

Տաքում ռեագենտի առանձին քանակի ծախսած ժամանակի միջին քանակը (բնակության ժամանակը) կարելի է հաշվարկել՝ պարզապես տանկի ծավալը բաժանելով դրա միջով միջին ծավալային հոսքի արագության վրա: Ռեակցիայի ակնկալվող տոկոսային ավարտը հաշվարկվում է քիմիական կինետիկայի միջոցով:

Տանկերը պատրաստված են չժանգոտվող պողպատից կամ համաձուլվածքներից, ինչպես նաև էմալապատ ծածկույթով։

NPM-ի որոշ կարևոր ասպեկտներ

Բոլոր հաշվարկները հիմնված են կատարյալ խառնման վրա: Ռեակցիան ընթանում է վերջնական կոնցենտրացիայի հետ կապված արագությամբ: Հավասարակշռության դեպքում հոսքի արագությունը պետք է հավասար լինի հոսքի արագությանը, հակառակ դեպքում բաքը կթափվի կամ կդատարկվի:

Հաճախ ծախսարդյունավետ է աշխատել մի քանի սերիական կամ զուգահեռ HPM-ների հետ: Հինգ կամ վեց միավորից բաղկացած կասկադում հավաքված չժանգոտվող պողպատից տանկերը կարող են իրենց պահել խցանման հոսքի ռեակտորի նման: Սա թույլ է տալիս առաջին միավորին աշխատել ավելի բարձր ռեակտիվ կոնցենտրացիայի դեպքում և, հետևաբար, ավելի արագ ռեակցիայի արագությամբ: Բացի այդ, HPM-ի մի քանի փուլերը կարող են տեղադրվել ուղղահայաց պողպատե տանկի մեջ՝ տարբեր տարաներում տեղի ունեցող գործընթացների փոխարեն:

Հորիզոնական տարբերակում բազմաստիճան միավորը կտրված է տարբեր բարձրությունների ուղղահայաց միջնորմներով, որոնց միջով խառնուրդը հոսում է կասկադներով:

Երբ ռեակտիվները վատ են խառնվում կամ զգալիորեն տարբերվում են խտությամբ, ուղղահայաց բազմաստիճան ռեակտորը (երեսապատված կամ չժանգոտվող պողպատ) օգտագործվում է հակահոսանքի ռեժիմում: Սա արդյունավետ է շրջելի ռեակցիաներ իրականացնելու համար։

Փոքր կեղծ-հեղուկ շերտը լիովին խառնված է: Խոշոր առևտրային հեղուկացված հունով ռեակտորն ունի էապես միատեսակ ջերմաստիճան, բայց խառնվող և տեղաշարժվող հոսքերի և դրանց միջև անցումային վիճակների խառնուրդ:

Խցանային քիմիական ռեակտոր

RPP-ն ռեակտոր է (չժանգոտվող), որտեղ մեկ կամ մի քանի հեղուկ ռեակտիվներ մղվում են խողովակի կամ խողովակների միջով: Դրանք նաև կոչվում են խողովակային հոսք: Այն կարող է ունենալ մի քանի խողովակ կամ խողովակ: Ռեակտիվները մշտապես մտնում են մի ծայրով, իսկ արտադրանքը դուրս է գալիս մյուսից: Քիմիական գործընթացները տեղի են ունենում, երբ խառնուրդն անցնում է:

RPP-ում ռեակցիայի արագությունը գրադիենտ է. մուտքի մոտ այն շատ բարձր է, բայց ռեակտիվների կոնցենտրացիայի նվազման և ելքային արտադրանքի պարունակության աճի հետ նրա արագությունը դանդաղում է: Սովորաբար ձեռք է բերվում դինամիկ հավասարակշռության վիճակ:

Եվ հորիզոնական և ուղղահայաց ռեակտորի կողմնորոշումները տարածված են:

Երբ ջերմության փոխանցումը պահանջվում է, առանձին խողովակները պատվում են բաճկոնով կամ օգտագործվում է պատյանով և խողովակով ջերմափոխանակիչ: Վերջին դեպքում քիմիական նյութերը կարող են լինելինչպես կեղևով, այնպես էլ խողովակով:

Մետաղական մեծ տրամագծով վարդակներով կամ լոգարաններով տարաները նման են RPP-ին և լայնորեն կիրառվում են: Որոշ կոնֆիգուրացիաներ օգտագործում են առանցքային և շառավղային հոսք, բազմաթիվ պատյաններ ներկառուցված ջերմափոխանակիչներով, ռեակտորի հորիզոնական կամ ուղղահայաց դիրք և այլն:

Ռեագենտի անոթը կարող է լցվել կատալիտիկ կամ իներտ պինդ նյութերով՝ տարասեռ ռեակցիաների ժամանակ միջերեսային շփումը բարելավելու համար:

RPP-ում կարևոր է, որ հաշվարկներում հաշվի չառնվի ուղղահայաց կամ հորիզոնական խառնումը. ահա թե ինչ է նշանակում «վարդակից հոսք» տերմինը: Ռեակտիվները կարող են ներմուծվել ռեակտոր ոչ միայն մուտքի միջոցով: Այսպիսով, հնարավոր է հասնել RPP-ի ավելի բարձր արդյունավետության կամ նվազեցնել դրա չափը և արժեքը: ՀԷԿ-ի արդյունավետությունը սովորաբար ավելի բարձր է, քան նույն ծավալով ՀԷԿ-ի: Մխոցային ռեակտորներում ծավալի և ժամանակի հավասար արժեքների դեպքում ռեակցիան ավարտվածության ավելի բարձր տոկոս կունենա, քան խառնիչ միավորներում:

Դինամիկ հաշվեկշիռ

Քիմիական գործընթացների մեծ մասի համար անհնար է հասնել 100 տոկոս ավարտի: Նրանց արագությունը նվազում է այս ցուցանիշի աճով մինչև այն պահը, երբ համակարգը հասնում է դինամիկ հավասարակշռության (երբ ընդհանուր ռեակցիան կամ կազմի փոփոխությունը տեղի չի ունենում): Համակարգերի մեծ մասի համար հավասարակշռության կետը 100% գործընթացի ավարտից ցածր է: Այդ իսկ պատճառով անհրաժեշտ է իրականացնել տարանջատման գործընթաց, ինչպիսին է թորումը, մնացած ռեակտիվները կամ ենթամթերքները բաժանելու համար:թիրախ. Այս ռեակտիվները երբեմն կարող են կրկին օգտագործվել այնպիսի գործընթացի սկզբում, ինչպիսին է Haber պրոցեսը:

PFA-ի կիրառում

Մխոցային հոսքի ռեակտորներն օգտագործվում են միացությունների քիմիական փոխակերպումն իրականացնելու համար, երբ դրանք շարժվում են խողովականման համակարգով՝ լայնածավալ, արագ, միատարր կամ տարասեռ ռեակցիաների, շարունակական արտադրության և բարձր ջերմության առաջացման գործընթացների համար:

Իդեալական RPP-ն ունի ֆիքսված կեցության ժամանակ, այսինքն՝ t-ում ներթափանցող ցանկացած հեղուկ (մխոց) կթողնի այն t + τ պահին, որտեղ t-ը տեղադրման ժամանակ մնալու ժամանակն է:

Այս տեսակի քիմիական ռեակտորներն ունեն բարձր արդյունավետություն երկար ժամանակ, ինչպես նաև գերազանց ջերմափոխանակություն: RPP-ների թերությունները գործընթացի ջերմաստիճանը վերահսկելու դժվարությունն են, ինչը կարող է հանգեցնել ջերմաստիճանի անցանկալի տատանումների և դրանց ավելի բարձր արժեքի:

Կատալիտիկ ռեակտորներ

Չնայած այս տեսակի միավորները հաճախ իրականացվում են որպես RPP, դրանք պահանջում են ավելի բարդ սպասարկում: Կատալիտիկ ռեակցիայի արագությունը համաչափ է քիմիական նյութերի հետ շփվող կատալիզատորի քանակին: Պինդ կատալիզատորի և հեղուկ ռեակտիվների դեպքում պրոցեսների արագությունը համաչափ է հասանելի տարածքին, քիմիական նյութերի մուտքագրմանը և արտադրանքի հեռացմանը և կախված է տուրբուլենտ խառնման առկայությունից:

Կատալիտիկ ռեակցիան իրականում հաճախ բազմաքայլ է: Ոչ միայնսկզբնական ռեակտիվները փոխազդում են կատալիզատորի հետ: Որոշ միջանկյալ ապրանքներ նույնպես արձագանքում են դրա հետ։

Կատալիզատորների վարքագիծը նույնպես կարևոր է այս գործընթացի կինետիկայի մեջ, հատկապես բարձր ջերմաստիճան նավթաքիմիական ռեակցիաներում, քանի որ դրանք ապաակտիվացվում են սինթրման, կոքսացման և նմանատիպ գործընթացների արդյունքում:

Նոր տեխնոլոգիաների կիրառում

RPP-ն օգտագործվում է կենսազանգվածի փոխակերպման համար: Փորձարկումներում օգտագործվում են բարձր ճնշման ռեակտորներ։ Դրանցում ճնշումը կարող է հասնել 35 ՄՊա: Մի քանի չափսերի օգտագործումը թույլ է տալիս բնակության ժամանակը տատանվել 0,5-ից մինչև 600 վրկ: 300 °C-ից բարձր ջերմաստիճանի հասնելու համար օգտագործվում են էլեկտրական ջեռուցվող ռեակտորներ: Կենսազանգվածը մատակարարվում է HPLC պոմպերով։

RPP աերոզոլային նանոմասնիկներ

Կա զգալի հետաքրքրություն տարբեր նպատակների համար նանո չափերի մասնիկների սինթեզի և կիրառման նկատմամբ, ներառյալ բարձր համաձուլվածքների համաձուլվածքները և հաստ թաղանթով հաղորդիչները էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության համար: Այլ ծրագրերը ներառում են մագնիսական զգայունության չափումներ, հեռավոր ինֆրակարմիր փոխանցում և միջուկային մագնիսական ռեզոնանս: Այս համակարգերի համար անհրաժեշտ է արտադրել վերահսկվող չափի մասնիկներ։ Դրանց տրամագիծը սովորաբար տատանվում է 10-ից 500 նմ միջակայքում։

Իրենց չափի, ձևի և բարձր հատուկ մակերեսի պատճառով այս մասնիկները կարող են օգտագործվել կոսմետիկ գունանյութեր, թաղանթներ, կատալիզատորներ, կերամիկա, կատալիտիկ և ֆոտոկատալիտիկ ռեակտորներ արտադրելու համար: Նանոմասնիկների կիրառման օրինակները ներառում են SnO₂ սենսորների համարածխածնի երկօքսիդ, TiO₂ լուսային ուղեցույցների համար, SiO_{2 կոլոիդ սիլիցիումի երկօքսիդի և օպտիկական մանրաթելերի համար, C՝ անվադողերում ածխածնի լցոնիչների համար, Fe՝ ձայնագրող նյութերի համար, Ni մարտկոցների և, ավելի քիչ, պալադիումի, մագնեզիումի և բիսմուտի համար: Այս բոլոր նյութերը սինթեզվում են աերոզոլային ռեակտորներում։ Բժշկության մեջ նանոմասնիկները օգտագործվում են վերքերի վարակների կանխարգելման և բուժման համար, արհեստական ոսկորների իմպլանտների և ուղեղի պատկերման համար:}

Արտադրական օրինակ

Ալյումինի մասնիկներ ստանալու համար մետաղական գոլորշիներով հագեցած արգոնի հոսքը սառչում են 18 մմ տրամագծով և 0,5 մ երկարությամբ RPP-ում 1600 °C ջերմաստիճանից 1000 °C/վ արագությամբ:. Երբ գազն անցնում է ռեակտորի միջով, տեղի է ունենում ալյումինի մասնիկների միջուկացում և աճ: Հոսքի արագությունը 2 դմ3/րոպե է, իսկ ճնշումը՝ 1 ատմ (1013 Պա): Երբ այն շարժվում է, գազը սառչում է և դառնում գերհագեցված, ինչը հանգեցնում է մասնիկների միջուկացմանը մոլեկուլների բախումների և գոլորշիացման արդյունքում, որը կրկնվում է այնքան ժամանակ, մինչև մասնիկը հասնի կրիտիկական չափի: Երբ նրանք շարժվում են գերհագեցած գազով, ալյումինի մոլեկուլները խտանում են մասնիկների վրա՝ մեծացնելով դրանց չափերը։