Eräreaktorit
yksinkertaisin reaktorityyppi on eräreaktori. Materiaalit Ladataan eräreaktoriin, ja reaktio etenee ajan kanssa. Eräreaktori ei saavuta tasaista tilaa, ja lämpötilan, paineen ja tilavuuden säätely on usein tarpeen. Monissa eräreaktoreissa on siis portteja antureille ja materiaalin syötölle ja ulostulolle. Eräreaktoreita käytetään tyypillisesti pienimuotoisessa tuotannossa ja reaktioissa biologisten materiaalien kanssa, kuten panimossa, sellussa ja entsyymien valmistuksessa. Yksi esimerkki eräreaktorista on painereaktori.
CSTR (continuous stuffed-tank reactor)Edit
CSTR: ssä säiliöreaktoriin johdetaan yksi tai useampia nestemäisiä reagensseja, joita tyypillisesti sekoitetaan juoksupyörällä reagenssien asianmukaisen sekoittumisen varmistamiseksi samalla, kun reaktorin jätevesi poistetaan. Jakamalla säiliön tilavuus keskimääräisellä tilavuusvirralla säiliön läpi saadaan tila-aika eli yhden reaktorin nestetilavuuden käsittelyyn tarvittava aika. Kemiallisen kinetiikan avulla voidaan laskea reaktion odotettu valmistumisprosentti. YKR: n tärkeitä näkökohtia:
- vakiotilassa massavirran sisään on oltava yhtä suuri kuin massavirta ulos, muuten säiliö ylivuoto tai tyhjenee (ohimenevä tila). Reaktorin ollessa ohimenevässä tilassa mallin yhtälö on johdettava differentiaalisesta massa-ja energiataseesta.
- reaktio etenee lopulliseen (lähtö) konsentraatioon liittyvällä reaktionopeudella, koska konsentraation oletetaan olevan homogeeninen koko reaktorissa.
- on usein taloudellisesti kannattavaa operoida useita Cstr: Itä sarjoina. Tämä mahdollistaa esimerkiksi ensimmäisen CSTR: n toiminnan suuremmalla reagenssipitoisuudella ja siten suuremmalla reaktionopeudella. Näissä tapauksissa reaktoreiden kokoa voidaan vaihdella, jotta prosessin toteuttamiseen tarvittava kokonaisinvestointi olisi mahdollisimman pieni.
- voidaan osoittaa, että ääretön määrä äärettömän pieniä sarjoissa toimivia Cstr: Itä vastaisi PFR: ää.
CSTR: n käyttäytymistä approksimoidaan tai mallinnetaan usein Cistr: n (Continuous Ideally Stuffed-Tank Reactor) käyttäytymisen mukaan. Kaikki laskelmat suoritetaan CISTRs oletetaan täydellinen sekoitus. Jos viipymisaika on 5-10-kertainen sekoitusaikaan verrattuna, tätä likiarvoa pidetään pätevänä teknisiin tarkoituksiin. Cistr-mallia käytetään usein teknisten laskelmien yksinkertaistamiseen ja sitä voidaan käyttää tutkimusreaktoreiden kuvaamiseen. Käytännössä sitä voidaan lähestyä vain erityisesti teollisen kokoisissa reaktoreissa, joissa sekoitusaika voi olla hyvinkin suuri.
silmukkareaktori on hybridityyppinen katalyyttinen reaktori, joka fyysisesti muistuttaa putkireaktoria, mutta toimii CSTR: n tavoin. Reaktioseosta kierretään putkisilmukassa, jota ympäröi jäähdytykseen tai lämmitykseen tarkoitettu vaippa, ja lähtöainetta virtaa jatkuvasti sisään ja tuotetta ulos.
PFR (plug flow reactor)Edit
In PFR, joskus kutsutaan jatkuva putkimainen reaktori (Ctr), yksi tai useampi neste reagenssit pumpataan putken tai putken. Kemiallinen reaktio etenee reagenssien kulkiessa PFR: n läpi. Tämän tyyppisessä reaktorissa muuttuva reaktionopeus luo gradientin suhteessa kuljettuun etäisyyteen; PFR: n sisääntulossa nopeus on hyvin korkea, mutta reagenssien pitoisuuksien pienentyessä ja tuotteen(tuotteiden) pitoisuuden kasvaessa reaktionopeus hidastuu. Joitakin PFR: n tärkeitä näkökohtia:
- idealisoitu PFR-malli ei oleta aksiaalista sekoittumista: mikään reaktorin läpi kulkeva fluidin osa ei sekoitu fluidin kanssa virtaussuuntaan tai virtaussuuntaan, kuten termillä ”plug flow”tarkoitetaan.
- reagensseja voidaan lisätä PFR: ään muualla reaktorissa kuin tuloaukossa. Tällä tavoin voidaan saavuttaa parempi hyötysuhde tai vähentää PFR: n kokoa ja kustannuksia.
- PFR: llä on suurempi teoreettinen hyötysuhde kuin saman tilavuuden CSTR: llä. Toisin sanoen, kun otetaan huomioon sama aika-avaruus (tai viipymisaika), reaktio etenee suurempaan prosenttilukuun PFR: ssä kuin CSTR: ssä. Tämä ei aina päde palautuviin reaktioihin.
useimpien teollisuuden kannalta merkittävien kemiallisten reaktioiden kohdalla reaktion on mahdotonta edetä 100-prosenttisesti loppuun. Reaktionopeus hidastuu, kun reaktantteja kulutetaan, kunnes systeemi saavuttaa dynaamisen tasapainon (ei nettoreaktiota tai muutoksia kemiallisissa lajeissa). Useimpien järjestelmien tasapainopiste on alle 100% täydellinen. Tästä syystä erotusprosessi, kuten tislaus, seuraa usein kemiallista reaktoria, jotta jäljelle jääneet reagenssit tai sivutuotteet voidaan erottaa halutusta tuotteesta. Näitä reagensseja saatetaan joskus käyttää uudelleen prosessin alussa, kuten Haber-prosessissa. Joissakin tapauksissa tarvitaan hyvin suuria reaktoreita tasapainon saavuttamiseksi, ja kemian insinöörit voivat halutessaan erottaa osittain reagoivan seoksen ja kierrättää jäljelle jääneet reaktantit.
laminaarisissa virtausolosuhteissa oletus tulpan virtauksesta on erittäin epätarkka, sillä putken keskustan läpi kulkeva neste liikkuu paljon nopeammin kuin seinässä oleva neste. Jatkuva värähtelevä hämmentävä reaktori (COBR) saavuttaa perusteellisen sekoittamisen yhdistämällä nesteen värähtelyn ja aukon välilevyt, jolloin pistokevirtaus voidaan approksimoida laminaarisissa virtausolosuhteissa.
Semibatch-reaktori
puolibatch-reaktori toimii sekä jatkuvilla että erätuloilla ja-lähdöillä. Esimerkiksi fermentorissa on runsaasti väliainetta ja mikrobeja, jotka tuottavat jatkuvasti hiilidioksidia, joka on poistettava jatkuvasti. Vastaavasti kaasun reagoiminen nesteen kanssa on yleensä vaikeaa, koska reagoimiseen tarvitaan suuri määrä kaasua, jonka massa on yhtä suuri. Tämän ongelman ratkaisemiseksi, jatkuva syöttö kaasua voidaan kuplittaa läpi erän nestettä. Yleensä semibatch-toiminnassa reaktoriin Ladataan yksi kemiallinen reaktori ja siihen lisätään hitaasti (esimerkiksi sivureaktioiden estämiseksi) toinen kemikaali, tai faasimuutoksesta johtuva tuote poistetaan jatkuvasti, esimerkiksi reaktiossa muodostuva kaasu, saostuva kiinteä aine tai vesiliuoksessa muodostuva hydrofobinen tuote.
Katalyyttireaktorit
vaikka katalyyttireaktorit toteutetaan usein pistotulppavirtausreaktoreina, niiden analysointi vaatii monimutkaisempaa käsittelyä. Katalyyttisen reaktion nopeus on verrannollinen reagenssien kosketukseen joutuvan katalyytin määrään sekä reaktanttien konsentraatioon. Kiinteäfaasikatalysaattorilla ja nestefaasireagensseilla tämä on verrannollinen paljaaseen pinta-alaan, reagenssien sisään ja tuotteiden ulos diffuusion tehokkuuteen sekä sekoituksen tehokkuuteen. Täydellistä sekoittumista ei yleensä voida olettaa. Lisäksi katalyyttinen reaktioreitti tapahtuu usein useassa vaiheessa katalyyttiin kemiallisesti sitoutuneiden välituotteiden kanssa; ja koska kemiallinen sitoutuminen katalyyttiin on myös kemiallinen reaktio, se voi vaikuttaa kinetiikkaan. Katalyyttisissä reaktioissa esiintyy usein niin sanottua falsifioitua kinetiikkaa, kun näennäinen kinetiikka poikkeaa fysikaalisten kuljetusvaikutusten vuoksi todellisesta kemiallisesta kinetiikasta.
katalyytin tuote on myös vastike. Erityisesti korkean lämpötilan petrokemiallisissa prosesseissa katalyytit deaktivoidaan esimerkiksi sintraamalla, koksaamalla ja myrkyttämällä.
yleinen esimerkki katalyyttisestä reaktorista on katalysaattori, joka käsittelee autojen pakoputkien myrkyllisiä osia. Useimmat petrokemialliset reaktorit ovat kuitenkin katalyyttisiä, ja ne ovat vastuussa suurimmasta osasta teollisuuskemikaalien tuotantoa, jossa on erittäin suuria määriä esimerkkejä, kuten rikkihappo, ammoniakki, reformaatti/BTEX (bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeni), ja nesteen katalyyttinen krakkaus. Eri kokoonpanot ovat mahdollisia, katso heterogeeninen katalyyttinen reaktori.
