szakaszos reaktor
a legegyszerűbb reaktortípus a szakaszos reaktor. Az anyagokat egy szakaszos reaktorba töltik, és a reakció idővel folytatódik. A szakaszos reaktor nem éri el az egyensúlyi állapotot, és gyakran szükséges a hőmérséklet, a nyomás és a térfogat szabályozása. Ezért sok szakaszos reaktor rendelkezik portokkal az érzékelők, valamint az anyagbevitel és-kimenet számára. A szakaszos reaktorokat általában kisüzemi termelésben és biológiai anyagokkal való reakciókban használják, például sörfőzésben, pépesítésben és enzimek előállításában. A szakaszos reaktor egyik példája a nyomásreaktor.
CSTR (folyamatos keverésű tartályos reaktor)Szerkesztés
egy CSTR-ben egy vagy több folyékony reagenst vezetünk be egy tartályreaktorba, amelyet jellemzően egy járókerékkel keverünk, hogy biztosítsuk a reagensek megfelelő keverését, miközben a reaktor szennyvizét eltávolítjuk. A tartály térfogatának elosztása a tartályon keresztüli átlagos térfogatárammal megadja a téridőt, vagy az egy reaktor folyadékmennyiségének feldolgozásához szükséges időt. Kémiai kinetika segítségével kiszámítható a reakció várható százalékos befejezése. A CSTR néhány fontos szempontja:
- egyensúlyi állapotban a tömegáramnak meg kell egyeznie a tömegárammal, különben a tartály túlfolyik vagy kiürül (átmeneti állapot). Amíg a reaktor tranziens állapotban van, a modellegyenletet a tömeg-és energiamérleg különbségéből kell levezetni.
- a reakció a végső (kimeneti) koncentrációhoz kapcsolódó reakciósebességgel megy végbe, mivel feltételezzük, hogy a koncentráció az egész reaktorban homogén.
- gyakran gazdaságilag előnyös több Cstr-t sorozatban üzemeltetni. Ez lehetővé teszi például, hogy az első CSTR nagyobb reagenskoncentrációval, tehát nagyobb reakciósebességgel működjön. Ezekben az esetekben a reaktorok méretei változtathatók annak érdekében, hogy minimalizálják a folyamat végrehajtásához szükséges teljes tőkebefektetést.
- kimutatható, hogy végtelen számú végtelenül kicsi Cstr-ek sorozatban működve egyenértékű lenne egy PFR-rel.
a cstr viselkedését gyakran közelítik vagy modellezik a folyamatos ideálisan kevert Tartály Reaktor (CISTR). A CISTRs-szel végzett összes számítás tökéletes keverést feltételez. Ha a tartózkodási idő a keverési idő 5-10-szerese, akkor ez a közelítés mérnöki célokra érvényesnek tekinthető. A CISTR modellt gyakran használják a mérnöki számítások egyszerűsítésére, és felhasználható a kutatóreaktorok leírására. A gyakorlatban csak megközelíteni lehet, különösen ipari méretű reaktorokban, amelyekben a keverési idő nagyon nagy lehet.
a hurokreaktor egy hibrid típusú katalitikus reaktor, amely fizikailag hasonlít egy cső alakú reaktorra, de úgy működik, mint a CSTR. A reakcióelegyet egy csőhurokban keringtetjük, amelyet hűtés vagy melegítés céljából köpeny vesz körül, és a kiindulási anyag folyamatosan áramlik be és ki a termékből.
PFR (plug flow reactor)Szerkesztés
fő cikk: a Plug flow reaktor modellje
a PFR, néha folyamatos cső alakú reaktor (Ctr), egy vagy több folyékony reagenst pumpálnak egy csövön vagy csövön keresztül. A kémiai reakció akkor megy végbe, amikor a reagensek áthaladnak a PFR-en. Az ilyen típusú reaktorokban a változó reakciósebesség gradienst hoz létre a megtett távolsághoz képest; a PFR bemeneténél a sebesség nagyon magas, de ahogy a reagensek koncentrációja csökken, és a termék(EK) koncentrációja növekszik, a reakciósebesség lelassul. A PFR néhány fontos szempontja:
- az idealizált PFR modell nem feltételez axiális keverést: a reaktoron áthaladó folyadék bármely eleme nem keveredik a folyadékkal felfelé vagy lefelé, amint azt a “dugóáramlás”kifejezés is sugallja.
- reagenseket a reaktorban a bemeneti nyílástól eltérő helyeken is be lehet vezetni a PFR-be. Ily módon nagyobb hatékonyság érhető el, vagy csökkenthető a PFR mérete és költsége.
- a PFR elméleti hatékonysága magasabb, mint az azonos térfogatú CSTR. Vagyis, ha ugyanazt a téridőt (vagy tartózkodási időt) vesszük figyelembe, akkor a reakció nagyobb százalékos befejezést eredményez egy PFR-ben, mint egy CSTR-ben. Ez nem mindig igaz a reverzibilis reakciókra.
a legtöbb ipari jelentőségű kémiai reakció esetében lehetetlen, hogy a reakció 100% – ban befejeződjön. A reakció sebessége csökken, amikor a reagenseket addig fogyasztják, amíg a rendszer el nem éri a dinamikus egyensúlyt (nincs nettó reakció, vagy a kémiai Fajok változása nem következik be). A legtöbb rendszer egyensúlyi pontja kevesebb, mint 100% – ban teljes. Emiatt egy elválasztási eljárás, például desztilláció, gyakran követi a kémiai reaktor annak érdekében, hogy a maradék reagenseket vagy melléktermékeket elválassza a kívánt terméktől. Ezeket a reagenseket néha újra felhasználhatjuk a folyamat elején, például a Haber-folyamatban. Bizonyos esetekben nagyon nagy reaktorokra lenne szükség az egyensúly eléréséhez, és a vegyészmérnökök dönthetnek úgy, hogy elválasztják a részlegesen reagált keveréket, és újrahasznosítják a maradék reagenseket.
lamináris áramlási körülmények között a dugó áramlásának feltételezése nagyon pontatlan, mivel a cső közepén áthaladó folyadék sokkal gyorsabban mozog, mint a falnál lévő folyadék. A folyamatos oszcillációs zavarodott reaktor (cobr) a folyadék oszcillációjának és a nyílás terelőlapjainak kombinációjával alapos keverést ér el, lehetővé téve a dugó áramlásának közelítését lamináris áramlási körülmények között.
Semibatch reactorEdit
a semibatch reactor mind folyamatos, mind szakaszos bemenettel és kimenettel működik. A fermentort például egy adag táptalajjal és mikrobákkal töltik meg, amelyek folyamatosan szén-dioxidot termelnek, amelyet folyamatosan el kell távolítani. Hasonlóképpen, a gáz folyadékkal való reagálása általában nehéz, mivel nagy mennyiségű gázra van szükség ahhoz, hogy azonos tömegű folyadékkal reagáljon. Ennek a problémának a leküzdése érdekében folyamatos gázadagolást lehet buborékolni egy folyadék tételén keresztül. Általában a semibatch művelet során egy kémiai reagenst töltünk be a reaktorba, és egy második vegyszert lassan adunk hozzá (például a mellékreakciók megelőzése érdekében), vagy egy fázisváltozásból származó terméket folyamatosan távolítunk el, például a reakció során képződött gázt, egy kicsapódó szilárd anyagot vagy egy vizes oldatban képződő hidrofób terméket.
katalitikus reaktor
bár a katalitikus reaktorokat gyakran dugaszáramú reaktorként valósítják meg, elemzésük bonyolultabb kezelést igényel. A katalitikus reakció sebessége arányos a reagensekkel érintkező katalizátor mennyiségével, valamint a reagensek koncentrációjával. Szilárd fázisú katalizátorral és folyékony fázisú reagensekkel ez arányos a kitett területtel, a reagensek diffúziójának hatékonyságával és a termékek kijutásával, valamint a keverés hatékonyságával. A tökéletes keverés általában nem feltételezhető. Ezenkívül a katalitikus reakcióút gyakran több lépésben fordul elő olyan köztitermékekkel, amelyek kémiailag kötődnek a katalizátorhoz; és mivel a katalizátorhoz való kémiai kötődés szintén kémiai reakció, ez befolyásolhatja a kinetikát. A katalitikus reakciók gyakran úgynevezett hamisított kinetikát mutatnak, amikor a látszólagos kinetika a fizikai transzporthatások miatt eltér a tényleges kémiai kinetikától.
a katalizátor terméke szintén szempont. Különösen a magas hőmérsékletű petrolkémiai folyamatokban a katalizátorokat deaktiválják olyan folyamatok, mint a szinterezés, kokszolás és mérgezés.
a katalitikus reaktor gyakori példája a katalizátor, amely az autó kipufogógázainak mérgező alkatrészeit dolgozza fel. A legtöbb petrolkémiai reaktor azonban katalitikus, és a legtöbb ipari vegyipari termelésért felelős, rendkívül nagy mennyiségű példákkal, például kénsavval, ammóniával, reformát/BTEX-szel (benzol, toluol, etilbenzol és xilol), valamint folyékony katalitikus krakkolással. Különböző konfigurációk lehetségesek, lásd heterogén katalitikus reaktor.
