Verifica delle condizioni all’interno del caso di un reattore continuous stirred tank reactor (CSTR). Le lame della girante (o dell’agitatore) sull’aiuto dell’asse che mescola. Il deflettore nella parte inferiore dell’immagine aiuta anche nella miscelazione.

In un CSTR, uno o più reagenti fluidi vengono introdotti in un reattore a serbatoio che viene tipicamente mescolato con una girante per garantire una corretta miscelazione dei reagenti mentre l’effluente del reattore viene rimosso. Dividendo il volume del serbatoio per la portata volumetrica media attraverso il serbatoio dà lo spazio tempo, o il tempo necessario per elaborare un volume reattore di fluido. Utilizzando la cinetica chimica, è possibile calcolare il completamento percentuale previsto della reazione. Alcuni aspetti importanti del CSTR:

• Allo stato stazionario, la portata massica in deve essere uguale alla portata massica fuori, altrimenti il serbatoio traboccherà o andrà vuoto (stato transitorio). Mentre il reattore è in uno stato transitorio, l’equazione del modello deve essere derivata dai bilanci differenziali di massa ed energia.
• La reazione procede alla velocità di reazione associata alla concentrazione finale (di uscita), poiché si presume che la concentrazione sia omogenea in tutto il reattore.
• Spesso, è economicamente vantaggioso operare diversi CSTR in serie. Ciò consente, ad esempio, al primo CSTR di operare a una concentrazione di reagente più elevata e quindi a una velocità di reazione più elevata. In questi casi, le dimensioni dei reattori possono essere variate al fine di ridurre al minimo l’investimento totale di capitale necessario per attuare il processo.
• Si può dimostrare che un numero infinito di CSTR infinitamente piccoli che operano in serie sarebbe equivalente a un PFR.

Il comportamento di un CSTR è spesso approssimato o modellato da quello di un reattore a serbatoio continuo idealmente agitato (CISTR). Tutti i calcoli eseguiti con CISTRs presuppongono una miscelazione perfetta. Se il tempo di permanenza è 5-10 volte il tempo di miscelazione, questa approssimazione è considerata valida per scopi ingegneristici. Il modello CISTR viene spesso utilizzato per semplificare i calcoli ingegneristici e può essere utilizzato per descrivere i reattori di ricerca. In pratica può essere affrontato solo, in particolare nei reattori di dimensioni industriali in cui il tempo di miscelazione può essere molto grande.

Un reattore ad anello è un tipo ibrido di reattore catalitico che assomiglia fisicamente a un reattore tubolare, ma funziona come un CSTR. La miscela di reazione viene fatta circolare in un anello di tubo, circondato da un rivestimento per il raffreddamento o il riscaldamento, e vi è un flusso continuo di materiale di partenza in e prodotto fuori.

PFR (plug flow reactor)Modifica

Semplice diagramma che illustra plug flow reactor modello

In un PFR, a volte chiamato tubolare continuo reattore (CTR), uno o più fluidi reagenti vengono pompati attraverso un tubo o tubo. La reazione chimica procede mentre i reagenti viaggiano attraverso il PFR. In questo tipo di reattore, la velocità di reazione variabile crea un gradiente rispetto alla distanza percorsa; all’ingresso del PFR la velocità è molto alta, ma man mano che le concentrazioni dei reagenti diminuiscono e la concentrazione del / dei prodotto / i aumenta / i, la velocità di reazione rallenta. Alcuni aspetti importanti del PFR:

• Il modello PFR idealizzato non assume alcuna miscelazione assiale: qualsiasi elemento di fluido che viaggia attraverso il reattore non si mescola con il fluido a monte oa valle da esso, come implicito dal termine “flusso a spina”.
• I reagenti possono essere introdotti nel PFR in punti del reattore diversi dall’ingresso. In questo modo si può ottenere una maggiore efficienza o ridurre le dimensioni e il costo del PFR.
• Un PFR ha una maggiore efficienza teorica di un CSTR dello stesso volume. Cioè, dato lo stesso spazio-tempo (o tempo di residenza), una reazione procederà a un completamento percentuale più alta in un PFR che in un CSTR. Questo non è sempre vero per le reazioni reversibili.

Per la maggior parte delle reazioni chimiche di interesse industriale, è impossibile che la reazione proceda al completamento del 100%. La velocità di reazione diminuisce man mano che i reagenti vengono consumati fino al punto in cui il sistema raggiunge l’equilibrio dinamico (non si verifica alcuna reazione netta o cambiamento nelle specie chimiche). Il punto di equilibrio per la maggior parte dei sistemi è inferiore al 100% completo. Per questo motivo un processo di separazione, come la distillazione, spesso segue un reattore chimico per separare eventuali reagenti o sottoprodotti rimanenti dal prodotto desiderato. Questi reagenti possono talvolta essere riutilizzati all’inizio del processo, come nel processo Haber. In alcuni casi, sarebbero necessari reattori molto grandi per avvicinarsi all’equilibrio e gli ingegneri chimici potrebbero scegliere di separare la miscela parzialmente reagita e riciclare i reagenti rimanenti.

In condizioni di flusso laminare, l’assunzione del flusso della spina è altamente imprecisa, poiché il fluido che viaggia attraverso il centro del tubo si muove molto più velocemente del fluido alla parete. Il continuo oscillatorio reattore sconcertato (COBR) raggiunge accurata miscelazione dalla combinazione di oscillazione del fluido e orifizio deflettori, consentendo spina flusso di essere approssimato in condizioni di flusso laminare.

Semibatch reactorEdit

Un reattore semibatch è gestito con ingressi e uscite continui e batch. Un fermentatore, ad esempio, viene caricato con un lotto di terreno e microbi che produce costantemente anidride carbonica che deve essere rimossa continuamente. Allo stesso modo, reagire un gas con un liquido è solitamente difficile, perché è necessario un grande volume di gas per reagire con una massa uguale di liquido. Per superare questo problema, un’alimentazione continua di gas può essere fatta gorgogliare attraverso un lotto di un liquido. In generale, nel funzionamento semibatch, un reagente chimico viene caricato nel reattore e una seconda sostanza chimica viene aggiunta lentamente (ad esempio, per prevenire reazioni collaterali), o un prodotto che risulta da un cambiamento di fase viene continuamente rimosso, ad esempio un gas formato dalla reazione, un solido che precipita o un prodotto idrofobo che si forma in una soluzione acquosa.

Catalytic reactorEdit

Sebbene i reattori catalitici siano spesso implementati come reattori a flusso plug, la loro analisi richiede un trattamento più complicato. La velocità di una reazione catalitica è proporzionale alla quantità di catalizzatore che i reagenti contattano e alla concentrazione dei reagenti. Con un catalizzatore in fase solida e reagenti in fase fluida, questo è proporzionale all’area esposta, all’efficienza di diffusione dei reagenti e dei prodotti e all’efficacia della miscelazione. La miscelazione perfetta di solito non può essere assunta. Inoltre, una via di reazione catalitica si verifica spesso in più fasi con intermedi che sono chimicamente legati al catalizzatore; e poiché il legame chimico al catalizzatore è anche una reazione chimica, può influenzare la cinetica. Le reazioni catalitiche mostrano spesso la cosiddetta cinetica falsificata, quando la cinetica apparente differisce dalla cinetica chimica effettiva a causa degli effetti di trasporto fisico.

Il prodotto del catalizzatore è anche una considerazione. In particolare nei processi petrolchimici ad alta temperatura, i catalizzatori vengono disattivati da processi come la sinterizzazione, la coke e l’avvelenamento.

Un esempio comune di reattore catalitico è il convertitore catalitico che elabora componenti tossici degli scarichi delle automobili. Tuttavia, la maggior parte dei reattori petrolchimici sono catalitici e sono responsabili della maggior parte della produzione chimica industriale, con esempi di volumi estremamente elevati tra cui acido solforico, ammoniaca, reformato/BTEX (benzene, toluene, etilbenzene e xilene) e cracking catalitico fluido. Sono possibili varie configurazioni, vedi Reattore catalitico eterogeneo.