batchreactor
het eenvoudigste type reactor is een batchreactor. Materialen worden geladen in een batch reactor, en de reactie verloopt met de tijd. Een batchreactor bereikt geen stabiele toestand en controle van temperatuur, druk en volume is vaak noodzakelijk. Veel batchreactoren hebben daarom poorten voor sensoren en materiaalinvoer en-uitgang. De batchreactoren worden typisch gebruikt in kleinschalige productie en reacties met biologische materialen, zoals in het brouwen, het verpulveren, en productie van enzymen. Een voorbeeld van een batchreactor is een drukreactor.
CSTR (continuous stirred-tank reactor)Edit
In een CSTR worden een of meer vloeibare reagentia in een tankreactor gebracht die gewoonlijk met een waaier wordt geroerd om ervoor te zorgen dat de reagentia correct worden gemengd terwijl het effluent van de reactor wordt verwijderd. Door het volume van de tank te delen door het gemiddelde volumetrische debiet door de tank wordt de ruimtetijd of de tijd gegeven die nodig is om één reactorvolume vloeistof te verwerken. Met behulp van chemische kinetica, kan het verwachte percentage voltooiing van de reactie worden berekend. Enkele belangrijke aspecten van het CSTR:
- bij steady-state moet het massastroomdebiet gelijk zijn aan het massastroomdebiet uit, anders loopt de tank over of leeg (transiënte toestand). Terwijl de reactor zich in een voorbijgaande toestand bevindt, moet de modelvergelijking worden afgeleid uit de differentiële massa-en energiebalansen.
- de reactie verloopt met de reactiesnelheid die gepaard gaat met de uiteindelijke (output) concentratie, aangezien wordt aangenomen dat de concentratie homogeen is in de gehele reactor.
- vaak is het economisch voordelig om meerdere CSTRs in serie te gebruiken. Dit staat, bijvoorbeeld, de eerste CSTR toe om bij een hogere reagensconcentratie en daarom een hogere reactiesnelheid te werken. In deze gevallen kan de omvang van de reactoren variëren om de totale investeringen die nodig zijn voor de uitvoering van het proces tot een minimum te beperken.
- het kan worden aangetoond dat een oneindig aantal oneindig kleine CSTRs die in serie werken, gelijk zou zijn aan een PFR.
het gedrag van een CSTR wordt vaak benaderd of gemodelleerd door dat van een Continuous idealiter Stirred-Tank Reactor (CISTR). Alle berekeningen uitgevoerd met Cistr ‘ s gaan uit van een perfecte menging. Als de verblijftijd 5-10 keer de mengtijd is, wordt deze benadering geacht geldig te zijn voor technische doeleinden. Het cistr-model wordt vaak gebruikt om technische berekeningen te vereenvoudigen en kan worden gebruikt om onderzoeksreactoren te beschrijven. In de praktijk kan dit alleen worden bereikt, met name in reactoren van industriële omvang, waar de mengtijd zeer groot kan zijn.
een lusreactor is een hybride katalytische reactor die fysiek lijkt op een buisreactor, maar werkt als een CSTR. Het reactiemengsel circuleert in een lus van buis, omgeven door een omhulsel voor koeling of verwarming, en er is een continue stroom van uitgangsmateriaal in en product uit.
PFR (plug flow reactor)Edit
in een PFR, soms continuous tubular Reactor (Ctr) genoemd, worden een of meer vloeibare reagentia gepompt door een pijp of buis. De chemische reactie verloopt naarmate de reagentia door de PFR reizen. In dit type reactor creëert de veranderende reactiesnelheid een gradiënt ten opzichte van de afgelegde afstand; bij de inlaat van de PFR is de snelheid zeer hoog, maar naarmate de concentraties van de reagentia afnemen en de concentratie van het product(en) toeneemt, vertraagt de reactiesnelheid. Enkele belangrijke aspecten van het PFR:
- het geïdealiseerde PFR-model veronderstelt geen axiale menging: elk element van vloeistof dat door de reactor reist, mengt zich niet met vloeistof stroomopwaarts of stroomafwaarts ervan, zoals de term “plug flow”impliceert.
- reagentia kunnen in de PFR worden ingebracht op andere plaatsen in de reactor dan de inlaat. Op deze manier kan een hoger rendement worden verkregen, of kunnen de omvang en de kosten van de PFR worden verminderd.
- een PFR heeft een hoger theoretisch rendement dan een CSTR van hetzelfde volume. Dat wil zeggen, gegeven dezelfde ruimte-tijd (of verblijfstijd), zal een reactie overgaan tot een hoger percentage voltooiing in een PFR dan in een CSTR. Dit geldt niet altijd voor reversibele reacties.
voor de meeste chemische reacties van industrieel belang is het onmogelijk dat de reactie tot 100% voltooid wordt. De reactiesnelheid neemt af naarmate de reagentia worden geconsumeerd tot het punt waar het systeem dynamisch evenwicht bereikt (geen nettoreactie, of verandering in chemische species optreedt). Het evenwichtspunt voor de meeste systemen is minder dan 100% compleet. Daarom volgt een scheidingsproces, zoals destillatie, vaak een chemische reactor om de resterende reagentia of bijproducten van het gewenste product te scheiden. Deze reagentia kunnen soms worden hergebruikt aan het begin van het proces, zoals in het Haber-proces. In sommige gevallen zouden zeer grote reactoren nodig zijn om het evenwicht te benaderen, en chemische ingenieurs kunnen ervoor kiezen om het gedeeltelijk gereageerde mengsel te scheiden en de overgebleven reactanten te recyclen.
bij laminaire stroming is de aanname van de plug flow zeer onnauwkeurig, omdat de vloeistof die door het midden van de buis beweegt veel sneller beweegt dan de vloeistof aan de wand. De continuous oscillatory baffled reactor (COBR) bereikt een grondige menging door de combinatie van vloeistof oscillatie en opening Schotten, waardoor plug flow kan worden benaderd onder laminaire stromingsomstandigheden.
Semibatch reactorredit
een semibatch reactor wordt gebruikt met zowel continue als batch-in-en uitgangen. Een fermentor, bijvoorbeeld, wordt geladen met een partij medium en microben die voortdurend kooldioxide produceert die continu moet worden verwijderd. Een gas reageren met een vloeistof is ook meestal moeilijk, omdat een groot volume gas nodig is om te reageren met een gelijke massa vloeistof. Om dit probleem op te lossen, kan een continue toevoer van gas worden borreld door een partij van een vloeistof. In het algemeen wordt bij een semibatch-operatie één chemische reactant in de reactor geladen en een tweede chemische stof langzaam toegevoegd (bijvoorbeeld om zijreacties te voorkomen), of een product dat het resultaat is van een faseverandering wordt continu verwijderd, bijvoorbeeld een gas dat door de reactie wordt gevormd, een vaste stof die neerslaat, of een hydrofoob product dat zich in een waterige oplossing vormt.
katalytische reactorreactor
hoewel katalytische reactoren vaak worden uitgevoerd als “plug flow” – reactoren, vereist hun analyse een meer gecompliceerde behandeling. De snelheid van een katalytische reactie is evenredig met de hoeveelheid katalysator die de reagentia contacteren, evenals de concentratie van de reactanten. Met een vaste fase katalysator en vloeibare fase reagentia, dit is evenredig met het blootgestelde gebied, de efficiëntie van de diffusie van reagentia in en producten uit, en de doeltreffendheid van het mengen. Perfecte menging kan meestal niet worden aangenomen. Bovendien komt een katalytische reactieweg vaak in veelvoudige stappen met tussenpersonen voor die chemisch aan de katalysator worden gebonden; en aangezien de chemische band aan de katalysator ook een chemische reactie is, kan het de kinetica beà nvloeden. Katalytische reacties vertonen vaak zogenaamde vervalste kinetiek, wanneer de schijnbare kinetiek verschilt van de werkelijke chemische kinetiek als gevolg van fysische transporteffecten.
het product van de katalysator is ook een overweging. Vooral in petrochemische processen bij hoge temperaturen worden katalysatoren gedeactiveerd door processen zoals sinteren, cokes en vergiftiging.
een algemeen voorbeeld van een katalytische reactor is de katalysator die toxische componenten van uitlaatgassen van auto ‘ s verwerkt. De meeste petrochemische reactoren zijn echter katalytisch en zijn verantwoordelijk voor de meeste industriële chemische productie, met voorbeelden van extreem hoge volumes, waaronder zwavelzuur, ammoniak, reformaat/BTEX (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen) en vloeibaar katalytisch kraken. Verschillende configuraties zijn mogelijk, zie heterogene katalytische reactor.
