Batchreaktoredit
den enklaste typen av reaktor är en batchreaktor. Material laddas i en batchreaktor, och reaktionen fortsätter med tiden. En batchreaktor når inte ett stabilt tillstånd, och kontroll av temperatur, tryck och volym är ofta nödvändig. Många batchreaktorer har därför portar för sensorer och materialingång och utgång. Batchreaktorer används vanligtvis i småskalig produktion och reaktioner med biologiska material, såsom vid bryggning, massa och produktion av enzymer. Ett exempel på en batchreaktor är en tryckreaktor.
CSTR (kontinuerlig rörs-Tank reaktor)redigera
i en CSTR införs ett eller flera vätskereagenser i en tankreaktor som vanligtvis rörs om med ett pumphjul för att säkerställa korrekt blandning av reagenserna medan reaktorutflödet avlägsnas. Att dela tankens volym med den genomsnittliga volymetriska flödeshastigheten genom tanken ger rymdtiden eller den tid som krävs för att bearbeta en reaktorvolym vätska. Med hjälp av kemisk kinetik kan reaktionens förväntade procentuella slutförande beräknas. Några viktiga aspekter av CSTR:
- vid steady-state måste massflödet i vara lika med massflödet ut, annars kommer tanken att rinna över eller gå tom (övergående tillstånd). Medan reaktorn är i ett övergående tillstånd måste modellekvationen härledas från differentialmassan och energibalanserna.
- reaktionen fortsätter med reaktionshastigheten associerad med den slutliga (utgående) koncentrationen, eftersom koncentrationen antas vara homogen i hela reaktorn.
- ofta är det ekonomiskt fördelaktigt att driva flera CSTRs i serie. Detta tillåter till exempel den första CSTR att fungera vid en högre reagenskoncentration och därför en högre reaktionshastighet. I dessa fall kan storleken på reaktorerna varieras för att minimera den totala kapitalinvestering som krävs för att genomföra processen.
- Det kan påvisas att ett oändligt antal oändligt små CSTRs som arbetar i Serie skulle motsvara en PFR.
beteendet hos en CSTR approximeras eller modelleras ofta av en kontinuerlig idealt omrörd Tankreaktor (CISTR). Alla beräkningar som utförs med CISTRs antar perfekt blandning. Om uppehållstiden är 5-10 gånger blandningstiden anses denna approximation vara giltig för tekniska ändamål. CISTR-modellen används ofta för att förenkla tekniska beräkningar och kan användas för att beskriva forskningsreaktorer. I praktiken kan det bara närma sig, särskilt i industriella reaktorer där blandningstiden kan vara mycket stor.
en slingreaktor är en hybrid typ av katalytisk reaktor som fysiskt liknar en rörformig reaktor, men fungerar som en CSTR. Reaktionsblandningen cirkuleras i en rörslinga, omgiven av en jacka för kylning eller uppvärmning, och det finns ett kontinuerligt flöde av utgångsmaterial in och Ut.
PFR (pluggflödesreaktor)redigera
i en PFR, ibland kallad kontinuerlig tubulär reaktor (Ctr), pumpas ett eller flera fluidreagens genom ett rör eller rör. Den kemiska reaktionen fortsätter när reagenserna färdas genom PFR. I denna typ av reaktor skapar den förändrade reaktionshastigheten en gradient med avseende på avstånd som passeras; vid inloppet till PFR är hastigheten mycket hög, men när koncentrationerna av reagenserna minskar och koncentrationen av produkten / produkterna ökar reaktionshastigheten saktar. Några viktiga aspekter av PFR:
- den idealiserade PFR-modellen antar ingen axiell blandning: något element av vätska som reser genom reaktorn blandas inte med vätska uppströms eller nedströms från det, vilket antyds av termen ”pluggflöde”.
- reagenser kan införas i PFR på andra platser i reaktorn än inloppet. På detta sätt kan en högre effektivitet erhållas, eller storleken och kostnaden för PFR kan minskas.
- en PFR har en högre teoretisk effektivitet än en CSTR med samma volym. Det vill säga, med samma rymdtid (eller uppehållstid), kommer en reaktion att fortsätta till en högre procentuell slutförande i en PFR än i en CSTR. Detta gäller inte alltid för reversibla reaktioner.
För de flesta kemiska reaktioner av industriellt intresse är det omöjligt för reaktionen att fortsätta till 100% slutförande. Reaktionshastigheten minskar när reaktanterna konsumeras till den punkt där systemet når dynamisk jämvikt (ingen nettoreaktion eller förändring av kemiska arter inträffar). Jämviktspunkten för de flesta system är mindre än 100% komplett. Av denna anledning följer en separationsprocess, såsom destillation, ofta en kemisk reaktor för att separera eventuella kvarvarande reagens eller biprodukter från den önskade produkten. Dessa reagenser kan ibland återanvändas i början av processen, såsom i Haber-processen. I vissa fall skulle mycket stora reaktorer vara nödvändiga för att närma sig jämvikt, och kemiska ingenjörer kan välja att separera den delvis reagerade blandningen och återvinna kvarvarande reaktanter.
under laminära flödesförhållanden är antagandet om pluggflöde mycket felaktigt, eftersom vätskan som rör sig genom rörets centrum rör sig mycket snabbare än vätskan vid väggen. Continuous oscillatory baffled reactor (COBR) uppnår noggrann blandning genom kombinationen av fluidoscillation och öppningsbafflar, vilket gör att pluggflödet kan approximeras under laminära flödesförhållanden.
Semibatch reactorEdit
en semibatch reaktor drivs med både kontinuerliga och batchingångar och utgångar. En fermentor laddas till exempel med ett parti medium och mikrober som ständigt producerar koldioxid som måste avlägsnas kontinuerligt. På samma sätt är det vanligtvis svårt att reagera en gas med en vätska, eftersom en stor volym gas krävs för att reagera med en lika stor massa vätska. För att övervinna detta problem kan en kontinuerlig matning av gas bubblas genom en sats av en vätska. I allmänhet laddas en kemisk reaktant i reaktorn vid semibatch-drift och en andra kemikalie tillsätts långsamt (till exempel för att förhindra sidreaktioner), eller en produkt som är resultatet av en fasförändring avlägsnas kontinuerligt, till exempel en gas som bildas av reaktionen, ett fast ämne som fälls ut eller en hydrofob produkt som bildas i en vattenlösning.
katalytisk reaktordit
även om katalytiska reaktorer ofta implementeras som pluggflödesreaktorer, kräver deras analys mer komplicerad behandling. Hastigheten för en katalytisk reaktion är proportionell mot mängden katalysator som reagenserna kommer i kontakt med, liksom koncentrationen av reaktanterna. Med en fast faskatalysator och vätskefasreagens är detta proportionellt mot det exponerade området, effektiviteten av diffusion av reagens i och produkter ut och effektiviteten av blandning. Perfekt blandning kan vanligtvis inte antas. Vidare sker en katalytisk reaktionsväg ofta i flera steg med mellanprodukter som är kemiskt bundna till katalysatorn; och eftersom den kemiska bindningen till katalysatorn också är en kemisk reaktion kan den påverka kinetiken. Katalytiska reaktioner visar ofta så kallad förfalskad kinetik, när den uppenbara kinetiken skiljer sig från den faktiska kemiska kinetiken på grund av fysiska transporteffekter.
produkten av katalysatorn är också ett övervägande. Särskilt i petrokemiska processer med hög temperatur avaktiveras katalysatorer genom processer såsom sintring, koksning och förgiftning.
ett vanligt exempel på en katalytisk reaktor är den katalytiska omvandlaren som bearbetar giftiga komponenter i bilavgaser. De flesta petrokemiska reaktorer är emellertid katalytiska och ansvarar för de flesta industriella kemiska produktion, med extremt höga volymexempel inklusive svavelsyra, ammoniak, reformat/BTEX (bensen, toluen, etylbensen och xylen) och flytande katalytisk krackning. Olika konfigurationer är möjliga, se heterogen katalytisk reaktor.
