Што такое хімічныя рэактары? Віды хімічных рэактараў

Хімічная рэакцыя з'яўляецца працэсам, які вядзе да пераўтварэння рэагентаў. Яна характарызуецца зменамі, у выніку якіх атрымліваюць адзін або некалькі прадуктаў, выдатных ад зыходных. Хімічныя рэакцыі носяць розны характар. Ён залежыць ад тыпу рэагентаў, якi атрымлiваецца рэчывы, умоў і часу сінтэзу, декомпозиции, зрушэння, ізамерызацыі, кіслотна-шчолачных, акісляльна-аднаўленчых, арганічных працэсаў і інш.

Хімічныя рэактары ўяўляюць сабой ёмістасці, прызначаныя для правядзення рэакцый з мэтай выпрацоўкі канчатковага прадукту. Іх канструкцыя залежыць ад розных фактараў і павінна забяспечваць максімальны выхад найбольш эканамічна эфектыўным спосабам.

віды

Існуюць тры асноўныя базавыя мадэлі хімічных рэактараў:

• Перыядычнага дзеяння.
• Бесперапынны з мешалкай (НРМ).
• Рэактар з поршневым патокам (РПП).

Гэтыя базавыя мадэлі могуць быць мадыфікаваных ў адпаведнасці з патрабаваннямі хімічнага працэсу.

Рэактар перыядычнага дзеяння

Хімічныя агрэгаты гэтага тыпу выкарыстоўваюцца ў перыядычных працэсах пры невялікіх аб'ёмах вытворчасці, працяглым часу рэакцый ці там, дзе дасягаецца лепшая селектыўнасць, як у некаторых працэсах полімерызацыі.

Для гэтага ўжываюцца, напрыклад, ёмістасці з нержавеючай сталі, змесціва якіх змешваецца ўнутранымі рабочымі лопасцямі, бурбалкамі газу або з дапамогай помпаў. Кантроль тэмпературы ажыццяўляецца з дапамогай цеплаабменных кашуль, халадзільнікаў арашэння або прапампоўкай праз цеплаабменнік.

Рэактары перыядычнага дзеяння ў цяперашні час выкарыстоўваюцца ў хімічнай і перапрацоўчай харчовай прамысловасці. Іх аўтаматызацыя і аптымізацыя ствараюць складанасці, бо неабходна спалучаць бесперапынныя і дыскрэтныя працэсы.

Полупериодические хімічныя рэактары сумяшчаюць працу ў бесперапынным і перыядычным рэжымах. Біярэактар, напрыклад, перыядычна загружаецца і пастаянна вылучае вуглякіслы газ, які неабходна бесперапынна выдаляць. Аналагічным чынам пры рэакцыі хларавання, калі адным з рэагуюць рэчываў з'яўляецца газ хлор, калі яго не ўводзіць бесперапынна, то вялікая яго частка знікае.

Для забеспячэння вялікіх аб'ёмаў вытворчасці ў асноўным выкарыстоўваюцца хімічныя рэактары бесперапыннага дзеяння альбо ёмістасці металічныя з мешалкай або з бесперапынным патокам.

Бесперапынны рэактар з мешалкай

У ёмістасці з нержавеючай сталі падаюцца вадкія рэагенты. Для забеспячэння належнага ўзаемадзеяння іх змешваюць працоўныя лопасці. Такім чынам, у рэактарах дадзенага тыпу рэагуюць рэчывы бесперапынна падаюцца ў першы рэзервуар (вертыкальны, сталёвы), затым яны трапляюць у наступныя, адначасова старанна перамешваючы ў кожнай ёмістасці. Хоць склад сумесі аднастайны ў кожным асобным рэзервуары, у сістэме ў цэлым канцэнтрацыя змяняецца ад ёмістасці да ёмістасці.

Сярэдняя колькасць часу, якое дыскрэтнае колькасць рэагента праводзіць у рэзервуары (час знаходжання) можа быць разлічана простым дзяленнем аб'ёму ёмістасці на сярэднюю аб'ёмную хуткасць праходжання патоку праз яго. Чаканы працэнт завяршэння рэакцыі разлічваецца з выкарыстаннем хімічнай кінетыкі.

Вырабляюцца ёмістасці з нержавеючай сталі або сплаваў, а таксама з эмаляваным пакрыццём.

Некаторыя важныя аспекты НРМ

Усе разлікі выконваюцца з улікам ідэальнага змешвання. Рэакцыя працякае з хуткасцю, звязанай з канчатковай канцэнтрацыяй. У стане раўнавагі хуткасць патоку павінна быць роўная хуткасці расходу, у адваротным выпадку рэзервуар перапоўніў або апусьцее.

Часта эканамічна выгадна працаваць з некалькімі паслядоўнымі або паралельнымі НРМ. Нержавеючыя рэзервуары, сабраныя ў каскад з пяці або шасці адзінак, могуць паводзіць сябе як рэактар з поршневым патокам. Гэта дазваляе першаму агрэгату працаваць з больш высокай канцэнтрацыяй рэагентаў і, такім чынам, больш высокай хуткасцю рэакцыі. Таксама ў рэзервуар вертыкальны сталёвы можна змясціць некалькі прыступак НРМ, замест таго каб працэсы праходзілі ў розных ёмістасцях.

У гарызантальным выкананні шматступенны агрэгат секционирован вертыкальнымі перагародкамі рознай вышыні, праз якія сумесь паступае каскадамі.

Калі рэагенты дрэнна змешваюцца або значна адрозніваюцца па шчыльнасці, выкарыстоўваецца вертыкальны шматступенны рэактар (эмаляваны або з нержавеючай сталі) у противоточном рэжыме. Гэта эфектыўна для правядзення зварачальных рэакцый.

Невялікі псевдожидкий пласт з'яўляецца цалкам змяшаным. Вялікі камерцыйны рэактар з псевдосжиженным пластом мае практычна аднастайную тэмпературу, але спалучае змешваць і выцясняюцца патокі і пераходныя стану паміж імі.

Хімічны рэактар ідэальнага выцяснення

РПП - гэта рэактар (нержавеючы), у якім адзін ці больш вадкіх рэагентаў прапампоўваецца праз трубу або трубы. Іх таксама называюць трубчастымі праточнымі. Ён можа мець некалькі труб або трубак. Рэагенты пастаянна паступаюць праз адзін канец, а прадукты выходзяць з іншага. Хімічныя працэсы працякаюць па меры праходжання сумесі.

У РПП хуткасць рэакцыі Градыентнае: на ўваходзе яна вельмі высокая, але са зніжэннем канцэнтрацыі рэагентаў і павелічэннем ўтрымання прадуктаў выхаду яе хуткасць запавольваецца. Звычайна дасягаецца стан дынамічнай раўнавагі.

Звычайнымі з'яўляюцца як гарызантальная, так і вертыкальная арыентацыя рэактара.

Калі патрабуецца перадача цяпла, асобныя трубы змяшчаюцца ў кашулю або выкарыстоўваецца кожухотрубные цеплаабменнік. У апошнім выпадку хімічныя рэчывы могуць знаходзіцца як у кажусе, так і ў трубе.

Ёмістасці металічныя вялікага дыяметра з асадкамі або ваннамі падобныя да РПП і шырока ўжываюцца. У некаторых канфігурацыях выкарыстоўваецца восевай і радыяльны паток, множныя абалонкі з убудаванымі цеплаабменнікамі, гарызантальнае або вертыкальнае становішча рэактара і гэтак далей.

Ёмістасць з рэагентаў можа быць запоўненая каталітычнымі або інэртнымі цвёрдымі часціцамі для паляпшэння межфазного кантакту ў гетэрагенных рэакцыях.

Важнае значэнне ў РПП мае тое, што ў разліках не ўлічваецца вертыкальнае або гарызантальнае змешванне - гэта і маецца на ўвазе пад тэрмінам «поршневай паток». Рэагенты могуць быць уведзеныя ў рэактар не толькі ва уваходнае адтуліну. Такім чынам, можна дамагчыся больш высокай эфектыўнасці РПП або скараціць яго памеры і кошт. Прадукцыйнасць РПП звычайна вышэй, чым у НРМ таго ж аб'ёму. Пры роўных значэннях аб'ёму і часу ў поршневых рэактарах рэакцыя будзе мець больш высокі адсотак завяршэння, чым у агрэгатах змешвання.

дынамічная раўнавага

Для большасці хімічных працэсаў немагчыма дасягнуць 100-адсоткавага завяршэння. Іх хуткасць памяншаецца з ростам гэтага паказчыка да таго моманту, калі сістэма дасягае дынамічнай раўнавагі (калі сумарная рэакцыя або змяненне складу не адбываецца). Кропка раўнавагі ў большасці сістэм размешчана ніжэй за 100% завяршэння працэсу. Па гэтай прычыне неабходна вырабіць працэс падзелу, такога як дыстыляцыя, каб аддзяліць пакінутыя рэагенты або пабочныя прадукты ад мэтавага. Гэтыя рэагенты могуць часам паўторна выкарыстоўвацца ў пачатку працэсу, напрыклад, такога, як працэс Хабер.

прымяненне РПП

Рэактары поршневага патоку выкарыстоўваюцца для правядзення хімічнага пераўтварэнні злучэнняў падчас іх руху па сістэме, якая нагадвае трубы, для мэт правядзення маштабных, хуткіх, гамагенных або гетэрагенных рэакцый, бесперапыннага вытворчасці і пры працэсах з вылучэннем вялікай колькасці цяпла.

Ідэальны РПП мае фіксаваны час знаходжання, т. Е. Любая вадкасць (поршань), якая паступае ў момант часу t, пакіне яго ў момант часу t + τ, дзе τ - час знаходжання ва ўсталёўцы.

Хімічныя рэактары дадзенага тыпу валодаюць высокімі паказчыкамі прадукцыйнасці на працягу працяглых перыядаў часу, а таксама найвышэйшай цеплаперадачы. Недахопамі РПП з'яўляецца складанасць ажыццяўлення кантролю за тэмпературай працэсу, што можа прывесці да непажаданых тэмпературных перападаў, а таксама іх больш высокі кошт.

каталітычныя рэактары

Хоць агрэгаты дадзенага тыпу часта рэалізуюцца ў выглядзе РПП, яны патрабуюць больш складанага абслугоўвання. Хуткасць каталітычнай рэакцыі прапарцыйная колькасці каталізатара, кантактуе з хімічнымі рэчывамі. У выпадку цвёрдага каталізатара і вадкіх рэагентаў хуткасць працэсаў прапарцыйная даступнай плошчы, паступлення хімікатаў і адбору прадуктаў і залежыць ад наяўнасці турбулентнага перамешвання.

Каталітычная рэакцыя фактычна часта з'яўляецца многоэтапной. Не толькі першапачатковыя рэагенты ўзаемадзейнічаюць з каталізатарам. З ім рэагуюць і некаторыя прамежкавыя прадукты.

Паводзіны каталізатараў таксама важна ў кінэтыцы гэтага працэсу, асабліва ў высокатэмпературных нафтахімічных рэакцыях, так як яны дэактывуе спяканнем, каксавання і аналагічнымі працэсамі.

Прымяненне новых тэхналогій

РПП выкарыстоўваюцца для канверсіі біямасы. У эксперыментах прымяняюцца рэактары высокага ціску. Ціск у іх можа дасягаць 35 Мпа. Выкарыстанне некалькіх памераў дазваляе вар'іраваць час знаходжання ад 0,5 да 600 с. Для дасягнення тэмпературы звыш 300 ° C ўжываюць рэактары з электрычным падагрэвам. Падача біямасы вырабляецца з дапамогай HPLC-помпаў.

РПП аэразольных наначасціц

Існуе значны цікавасць да сінтэзу і прымяненню наноразмерных часціц для розных мэтаў, уключаючы высоколегированные сплавы і толстопленочные праваднікі для электроннай прамысловасці. Іншыя вобласці прымянення ўключаюць вымярэння магнітнай успрымальнасці, перадача ў далёкім ІЧ-дыяпазоне і ядзерны магнітны рэзананс. Для гэтых сістэм неабходна вырабляць часціцы кантраляванага памеру. Іх дыяметр, як правіла, знаходзяцца ў дыяпазоне ад 10 да 500 нм.

З прычыны іх памеру, формы і высокай удзельнай плошчы паверхні гэтыя часціцы могуць быць выкарыстаны для вытворчасці касметычных пігментаў, мембран, каталізатараў, керамікі, каталітычных і фотокаталитических рэактараў. Прыклады прымянення наначасціц ўключаюць SnO ₂ для датчыкаў угарнага газу, TiO ₂ для святлаводаў, SiO ₂ для коллоідного дыяксіду крэмнія і аптычных валокнаў, C для вугляродных напаўняльнікаў у шынах, Fe для запісваюць матэрыялаў, Ni для батарэй і, у меншых аб'ёмах, паладый, магній і вісмута. Усе гэтыя матэрыялы сінтэзуюцца ў аэразольных рэактарах. У медыцыне наначасціц выкарыстоўваюцца для прафілактыкі і лячэння раневых інфекцый, у штучных касцяных імплантатах, а таксама для візуалізацыі мозгу.

прыклад вытворчасці

Для атрымання часціц алюмінія паток аргону, насычанага парамі металу, астуджаецца ў РПП дыяметрам 18 мм і даўжынёй 0,5 м ад тэмпературы 1600 ° С з хуткасцю 1000 ° С / с. Па меры праходжання газу праз рэактар адбываецца зараджэнне і рост часціц алюмінія. Хуткасць патоку складае 2 дм ³ / мін, а ціск роўна 1 атм (1013 Па). Па меры руху газ астуджаецца і становіцца перанасычаным, што прыводзіць да зараджэння часціц у выніку сутыкненняў і выпарэнняў малекул, якія паўтараюцца да таго часу, пакуль часціца ня дасягне крытычнага памеру. Па меры руху праз перанасычаны газ, малекулы алюмінія кандэнсуюцца на часціцах, павялічваючы іх памеры.