راکتورهای همگن و ناهمگن دو دسته اصلی را می توان از هم تشخیص داد. راکتور ناهمگن فقط یک فاز، معمولاً گاز یا مایع، وجود دارد. اگر بیش از یک واکنش دهنده درگیر باشد، باید شرایطی را برای مخلوط کردن آنها با یکدیگر برای تشکیل یک مخلوط همگن در نظر گرفت. نوع دیگری از طبقه بندی، که تقسیم بندی همگن-ناهمگن-نو را قطع می کند، حالت کار، دسته ای یا پیوسته است.
واکنش‌های دسته‌ای همگن در ظروف، مخازن یا اتوکلاوها انجام می‌شود که در آنها مخلوط واکنش به هم زده و به روشی مناسب مخلوط می‌شود. این عملیات برای هر کسی که واکنش های آماده سازی در مقیاس کوچک را در آزمایشگاه انجام داده است آشنا است. راکتورهای جریان پیوسته برای سیستم های واکنش همگن در حال حاضر تنوع بسیار بیشتری را نشان می دهند.
تفاوت راکتورهای لوله ای و مخزن ترکیبی
اشکال غالب راکتور لوله‌ای و راکتور مخزن ترکیبی هستند که اساساً ویژگی‌های متفاوتی دارند. در راکتورهای ناهمگن، دو یا چند فاز وجود دارد. طبقه بندی راکتورها برای سیستم های ناهمگن دارای تعداد زیادی از امکانات است. عامل غالب تماس بین فازهای مختلف است. این منجر به طبقه بندی راکتورها به عنوان یک دستگاه تماس می شود. برخی از نمونه های رایج عبارتند از سیستم های گاز-مایع، گاز-جامد، مایع-جامد، مایع-مایع و گاز-مایع-جامد. در بسیاری از موارد فاز جامد به عنوان یک کاتالیزور وجود دارد.
راکتورهای کاتالیزوری گاز-جامد
راکتورهای کاتالیزوری گاز-جامد یک دسته مهم از سیستم‌های واکنش شیمیایی ناهمگن را تشکیل می‌دهند. به طور کلی، راکتورهای ناهمگن دارای تنوع بیشتری از پیکربندی‌ها و الگوهای تماسی نسبت به راکتورهای همگن هستند. تغییر، گرمای واکنش وجود دارد، که فقط در موارد معدودی از آن صرف نظر می شود. بزرگی گرمای واکنش اغلب تأثیر عمده ای بر طراحی یک راکتور دارد. برای مثال، در یک واکنش بسیار گرمازا، افزایش قابل توجهی در دمای مخلوط واکنش رخ می دهد، مگر اینکه شرایطی برای حذف گرما در حین انجام واکنش فراهم شود.
راکتورهایی که در آنها مواد شیمیایی در صنعت ساخته می‌شوند، از چند سانتی‌متر مکعب تا ساختارهای وسیعی که اغلب در عکس‌های کارخانه‌های صنعتی به تصویر کشیده می‌شوند، متفاوت هستند. به عنوان مثال، کوره هایی که از سنگ آهک تولید می کنند ممکن است بیش از 25 متر ارتفاع داشته باشند و در هر زمان بیش از 400 تن مواد را در خود نگه دارند. واکنش‌های شیمیایی در حال انجام است. دو نوع اصلی راکتور، دسته‌ای و پیوسته نامیده می‌شوند.
راکتورهای دسته ای
راکتورهای دسته ای برای اکثر واکنش های انجام شده در آزمایشگاه استفاده می شوند. واکنش دهنده ها در یک لوله آزمایش، فلاسک یا لیوان قرار می گیرند. آنها با هم مخلوط می شوند، اغلب برای انجام واکنش حرارت داده می شوند و سپس سرد می شوند. محصولات ریخته شده و در صورت لزوم تصفیه می شوند.
این روش در صنعت نیز انجام می شود، تفاوت اصلی در اندازه راکتور و مقدار واکنش دهنده ها است.
پس از واکنش، راکتور آماده برای افزودن دسته دیگری از واکنش دهنده ها تمیز می شود.
راکتورهای دسته ای معمولاً زمانی استفاده می شوند که یک شرکت بخواهد طیف وسیعی از محصولات را شامل واکنش دهنده ها و شرایط راکتور مختلف تولید کند. سپس می توانند از تجهیزات مشابه برای این واکنش ها استفاده کنند.
نمونه‌هایی از فرآیندهایی که از راکتورهای دسته‌ای استفاده می‌کنند شامل ساخت رنگ‌ها و مارگارین است.
راکتورهای پیوسته
یک جایگزین برای فرآیند دسته ای این است که واکنش دهنده ها را به طور مداوم در یک نقطه به راکتور تغذیه کنید، اجازه دهید واکنش انجام شود و محصولات را در نقطه دیگر خارج کنید. باید سرعت جریان یکسانی از واکنش دهنده ها و محصولات وجود داشته باشد. در حالی که راکتورهای پیوسته به ندرت در آزمایشگاه استفاده می شوند، یک نرم کننده آب را می توان به عنوان نمونه ای از یک فرآیند پیوسته در نظر گرفت. آب سخت از شبکه اصلی از طریق یک لوله حاوی رزین تبادل یونی عبور داده می شود. واکنش در لوله رخ می دهد و آب نرم در خروجی بیرون می ریزد.
راکتورهای پیوسته معمولاً زمانی نصب می شوند که مقادیر زیادی از یک ماده شیمیایی تولید شود. مهم است که راکتور بتواند چندین ماه بدون خاموش شدن کار کند.
زمان ماندن در راکتور توسط نرخ تغذیه واکنش دهنده ها به راکتور کنترل می شود. به عنوان مثال، اگر یک راکتور دارای حجم 20 متر مکعب باشد و نرخ تغذیه واکنش دهنده ها 40 متر مکعب در ساعت باشد، زمان ماند 20 متر مکعب / 40 متر مکعب در ساعت 1 = 0.5 ساعت است. کنترل دقیق سرعت جریان واکنش دهنده ها ساده است. حجم ثابت است و بنابراین زمان اقامت در راکتور نیز به خوبی کنترل می شود.
این محصول از یک راکتور پیوسته کیفیت سازگارتری دارد زیرا پارامترهای واکنش (مانند زمان ماند، دما و فشار) بهتر از عملیات دسته ای کنترل می شوند.
آنها همچنین ضایعات کمتری تولید می کنند و به ذخیره سازی بسیار کمتری از مواد خام و محصولات نیاز دارند که در نتیجه عملکرد کارآمدتری دارند. در نتیجه هزینه های سرمایه به ازای هر تن محصول تولید شده کمتر است. نقطه ضعف اصلی عدم انعطاف پذیری آنها است زیرا هنگامی که راکتور ساخته شده است تنها در موارد نادری می توان از آن برای انجام یک واکنش شیمیایی متفاوت استفاده کرد. در ادامه به معرفی انواع راکتور پیوسته می پردازیم. اما شما می توانید برای اطلاعات بیشتر و دقیقتر درباره انواع راکتور شیمیایی این مقاله را نیز مطالعه کنید.
انواع راکتورهای پیوسته
صنعت از چندین نوع راکتور پیوسته استفاده می کند.
الف) راکتورهای لوله ای
در یک راکتور لوله ای، سیالات (گازها و/یا مایعات) با سرعت بالا از طریق آن جریان می یابند. همانطور که واکنش دهنده ها جریان می یابند، برای مثال در طول یک لوله گرم شده، آنها به محصولات تبدیل می شوند (شکل 4). در این سرعت های بالا، محصولات قادر به پخش شدن به عقب نیستند و اختلاط پشتی کم یا اصلا وجود ندارد. شرایط به عنوان جریان پلاگین نامیده می شود. این امر باعث کاهش بروز واکنش های جانبی و افزایش بازده محصول مورد نظر می شود.
با سرعت جریان ثابت، شرایط در هر نقطه با زمان ثابت می ماند و تغییرات در زمان واکنش بر حسب موقعیت در طول لوله اندازه گیری می شود.
سرعت واکنش در ورودی لوله سریع‌تر است، زیرا غلظت واکنش‌دهنده‌ها در بالاترین حد خود است و با جریان یافتن واکنش‌دهنده‌ها در لوله به دلیل کاهش غلظت واکنش‌دهنده، سرعت واکنش کاهش می‌یابد.
ب) راکتورهای بستر ثابت
یک کاتالیزور ناهمگن اغلب در صنعت استفاده می شود که در آن گازها از طریق یک کاتالیزور جامد (که اغلب به شکل گلوله های کوچک برای افزایش سطح است) جریان می یابد. اغلب به عنوان بستر ثابت کاتالیزور توصیف می شود (شکل 5).
از جمله نمونه های استفاده از آنها می توان به ساخت اسید سولفوریک (فرایند تماس با اکسید وانادیوم (V) به عنوان کاتالیزور)، ساخت اسید نیتریک و ساخت آمونیاک (فرایند هابر، با آهن به عنوان کاتالیزور) اشاره کرد.
جمع بندی
در این نوشتار نکاتی درباره راکتور شیمیایی و انواع آن آورده شده است. طبیعتا برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این موضوع بهتر است از یک متخصص نیز مشورت بگیرید.
