راهنمای انتخاب انواع و کاربردهای راکتورهای شیمیایی

یک کارخانه شیمیایی دقیق را تصور کنید که در آن راکتورها به عنوان قلب عملیات عمل می کنند و به طور مداوم مواد خام ارزان قیمت را به محصولات با ارزش تبدیل می کنند.سوال مهم برای مهندسان شیمیچگونه مناسب ترین نوع راکتور را برای واکنش های خاص انتخاب کنیم؟ آیا باید تولید مستمر کارآمد را اولویت بندی کنند یا انعطاف پذیری پردازش دسته را انتخاب کنند؟

راکتورهای شیمیایی ظرف های بسته شده ای هستند که برای تسهیل واکنش های کارآمد در حالی که به حداقل رساندن هزینه ها طراحی شده اند. این شامل کنترل دقیق انرژی ورودی و خروجی است.استفاده بهینه از مواد اولیه، و در نظر گرفتن هزینه های عملیاتی از جمله نیروی کار. واکنش دهنده ها و محصولات به طور معمول به عنوان مایعات (گازهای یا مایعات) وجود دارد. بر اساس حالت عملیات،راکتورها به عنوان سیستم های مداوم یا دسته بندی می شوند..

راکتورهای صنعتی عموماً تحت سه مدل ایده آل کار می کنند که پارامترهای اساسی فرآیند را تعیین می کنند:

• راکتورهای دسته ای
• راکتورهای مخزن مخلوط مداوم (CSTR)
• راکتورهای جریان پلاگین (PFR)

پارامترهای کلیدی فرآیند شامل حجم راکتور (V) ، زمان اقامت (t) ، دمای (T) ، فشار (P) ، غلظت مواد (C1، C2،...Cn) و ضریب انتقال گرما (U، h) است.بسیاری از راکتورهای صنعتی عناصر این انواع اساسی را ترکیب می کنند.

رآکتورهای دسته به صورت متناوب به عنوان ظروف بسته کار می کنند که در آن همه رآکتورها به طور همزمان بارگذاری می شوند. مخلوط کردن از طریق مخلوط کننده ها برای ارتقای کارایی واکنش انجام می شود.

برای واکنش های exothermic، راکتورهای دسته ای معمولاً شامل کویل های خنک کننده هستند. این سیستم ها در شرایط گذرا و غیر پایدار کار می کنند که نرخ تبدیل در طول زمان متفاوت است.مخلوط کردن یکنواخت اطمینان از خواص یکنواخت در سراسر ظرف، به این معنی که تبدیل در تمام موقعیت ها ثابت است.

• انعطاف پذیری استثنایی برای تولید محصولات متعدد
• ایده آل برای تولید در مقیاس کوچک
• مناسب برای واکنش هایی که نیاز به زمان پردازش طولانی دارند

• فرآیند بارگذاری، بارگذاری و تمیز کردن که نیازمند نیروی کار است
• هزینه های عملیاتی بالاتر به دلیل الزامات دستی
• بهره وری تولید پایین تر در مقایسه با سیستم های مستمر

CSTR ها، که راکتورهای جریان مخلوط نیز نامیده می شوند، به طور مداوم در مخازن تحریک شده کار می کنند که در آن واکنش ها با سرعت جریان ثابت وارد می شوند، برای زمان های اقامت از قبل تعیین شده واکنش نشان می دهند و با سرعت جریان معادل خارج می شوند.

تحریک مداوم غلظت یکسانی را در سراسر ظرف حفظ می کند، به این معنی که تبدیل عمدتاً به حجم راکتور بستگی دارد نه موقعیت.

• تولید مستمر در مقیاس بزرگ را امکان پذیر می کند
• برای مدت طولانی در حالت ثابت کار می کند
• زمان توقف بین چرخه های تولید را به حداقل می رساند

• غیر عملی برای واکنش های حرکتی آهسته که نیاز به حجم بزرگ دارند
• نرخ های تبدیل پایین تر در مقایسه با مقادیر معادل PFR

PFR ها (یا راکتورهای لوله ای مداوم) مدل سیستم های جریان مستمر استوانه ای هستند که در آن واکنش ها به صورت محوری در شکل گیری "پلاک" بدون مخلوط محوری اما مخلوط رادیال کامل حرکت می کنند.

این طراحی زمان اقامت یکسان را تضمین می کند در حالی که غلظت ها در طول طول راکتور متفاوت است.

• الزامات حجم کمتر از CSTR برای تبدیل معادل
• بهره وری فضای بالاتر
• برتر برای تعیین حرکات کاتالیستیک فاز گازی

• کنترل دمای چالش برانگیز برای واکنش های exothermic
• هزینه های نگهداری بالاتر
• حساس به یکنواخت تغذیه و مستعد انسداد

این سیستم های دسته بندی شده اصلاح شده یک واکنش دهنده را در ابتدا بارگذاری می کنند در حالی که به تدریج دیگر را اضافه می کنند. این رویکرد به کنترل واکنش های exothermic کمک می کند، از واکنش های جانبی جلوگیری می کند،یا جداسازی محصول را در طول تشکیل گاز تسهیل می کند، بارندگی جامد، یا تولید محصول هیدروفوب.

• کنترل بیشتر روی تولید و انتخابی محصول
• برای مدیریت واکنش های exothermic موثر است
• ایده آل برای واکنش های گازی

• نیاز به تمیز کردن گسترده بین دسته ها دارد
• عملیات پیچیده ای که نیاز به کنترل دقیق افزودن واکنش دهنده دارد

رآکتورهای کاتالیستی که به طور معمول به عنوان PFR ها پیکربندی شده اند، نیاز به محاسبات پیچیده دارند زیرا سرعت واکنش به تماس کاتالیست و غلظت واکنش دهنده بستگی دارد.مسیرهای کاتالیز اغلب شامل چندین مرحله با واسطه های مرتبط شیمیایی است.

کاتالیزورها از طریق کوکس کردن، مسمومیت و سینتر کردن، به ویژه در فرایندهای پتروشیمیک با دمای بالا، غیرفعال می شوند. صنایع که از راکتورهای کاتالیزوری استفاده می کنند، پارامترهای عملیاتی متعددی را مدیریت می کنند.

• باعث ایجاد حرکات واکنش اقتصادی می شود.
• راه های جایگزین با مصرف انرژی کم را فراهم می کند
• ضروری برای فرآیندهایی مانند کرکنگ نفت، هیدروژنی و سنتز آمونیاک

• نیاز به نگهداری و کنترل تخصصی
• خطر تخریب کاتالیزور گران قیمت
• نیاز به جایگزینی دوره ای کاتالیزور یا بازسازی آن