Chemiese reaktor

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Jump to navigation Jump to search

'n Chemiese reaktor is 'n afgeslote volume waarin 'n chemiese reaksie plaasvind.[1][2] In chemiese ingenieurswese, word dit oor die algemeen gesien as 'n proseshouer wat gebruik word om 'n chemiese reaksie uit te voer,[3] ed is dus een van die klassieke eenheidsoperasies in die analise van chemiese prosesse. Die ontwerp van 'n chemiese reaksie behels verskeie aspekte van chemiese ingenieurswese. Chemiese ingenieurs ontwerp reaktore om die ekonomiese waarde van die gegewe operasie te maksimeer. Ontwerpsingenieurs weeg dus die reaksie se opbrengs en doeltreffendheid in die produksie van die verlangde eindproduk op teen die kapitaalinset en bedryfsuitgawes van die aanleg, insluitend energie-insette, energieverwydering, rou materiaal koste, arbeid, ens. Energie-insette kan kom in die vorm van verhitting of verkoeling, pomparbeitd om druk te verhoog, drukverlies deur wrywing, en roerenergie.

Chemiese reaksie ingenieurswese is die tak van chemiese ingenieurswese wat handel oor chemiese reaktore en hul ontwerp, veral deur die toepassing van chemiese kinetika op industriële stelsels.

Oorsig[wysig | wysig bron]

Deursnee van 'n geroerde-tenk chemiese reaktor met dubbelwand verkoeling.
Chemiese reaktor met eksterne verkoelingsklos

Die mees algemene basiese tipes van chemiese reaktore is tenkreaktore (waar die reaktante meng in die hele volume) en pype of buise (vir laminêre vloei reaktore en propvloeireaktore)

Beide tipes kan gebruik word as kontinue reaktore of enkelladingsreaktore, en kan een of meer vaste stowwe insluit (reagense, katalisatore, of inerte materiaal), maar die reagense en produkte is tipies vloeistowwe of gasse. Reaktore in kontinue prosesse word tipies by 'n bestendige toestand bedryf, terwyl enkelladingsreaktore noodwendig in 'n onbestendige toestand bedryf word. Wanneer 'n reaktor in bedryf gebring word, hetsy vir die eerste keer of na 'n prosesonderbreking, dit is in 'n onbestendige toestand, en die sleutel prosesveranderlikes verander oor tyd.

Daar is drie geïdealiseerde modelle wat gebruik word om die belangrikste prosesveranderlikes van verskillende chemiese reaktore te beraam:

  • Enkelladingsreaktormodel,
  • Konstantstromende geroerde tenkreaktormodel (CSTR vir "Continuously Stirred Tank Reactor"), en
  • Propvloei reaktor model (PFR vir "plug flow reactor").

Baie werklike reaktore kan gemodelleer word as 'n kombinasie van hierdie basiese tipes.

Sleutel prosesveranderlikes sluit in:

  • Residensietyd (τ, griekse kleinletter tau)
  • Volume (V)
  • Temperatuur (T)
  • Druk (P)
  • Konsentrasies van chemiese stowwe (C1, C -2, C -3, ... Cn)
  • Warmteoordragkoëffisiënte (h, U)

'n Buisreaktor kan dikwels 'n gepakte bed insluit. In hierdie geval is die buis gevul met korrels, gewoonlik 'n vaste katalisator.[4] Die reaktante, in die vloeistof of gas fase, word deur die katalisatorbed gepomp.[5] 'n Chemiese reaksie kan ook in 'n gefluïdiseerde bed plaasvind.

Chemiese reaksies wat in 'n reaktor plaasvind kan word eksotermies wees, as hulle hitte afgee, of endotermies, as hulle hitte absorbeer. 'n Tenkreaktor kan 'n dubbelwand hê vir verkoeling of verhitting, of buise kan rondom die buitekant van sy wand gedraai wees om sy inhoud af te koel of te verhit, terwyl 'n buisreaktor ontwerp kan word soos 'n hitteruiler as die reaksie sterk eksotermies is, of soos 'n vlamkas as die reaksie sterk endotermies is.[6]

Tipes[wysig | wysig bron]

Enkelladingsreaktor[wysig | wysig bron]

Die eenvoudigste reaktortipe is 'n enkelladingsreaktor. Die materiaal word op een slag ingelaai, en die reaksie verloop oor 'n gegewe tyd. 'n Enkelladingsreaktor bereik teoreties nie 'n bestendige toestand nie, omdat die reaksiesnelheid afneem soos die reaktante opgebruik word, en beheer van die temperatuur, druk en volume is dikwels nodig. Baie enkelladingsreaktore het dus poorte vir sensors en materiaalinset en -uitset. Enkelladingsreaktore word tipies gebruik in kleinskaalproduksie en reaksies met biologiese materiale, soos in bierbrouery, pulpverwerking, en die produksie van ensieme.

Konstantstromende geroerde tenkreaktore (CSTR)[wysig | wysig bron]

In 'n CSTR, word een of meer vloeistofreagense ingepomp in 'n tenkreaktor wat tipies met 'n stuwer geroer word om behoorlike vermenging van die reagense te verseker, terwyl die reaktor uitvloeisel verwyder word. Deur die volume van die tenk deur die gemiddelde volumetriese vloeitempo te deel, gee die ruimte-tyd, of die tyd wat nodig is om een reaktorvolume van die vloeistof te prosesseer. Die gebruik van chemiese kinetika maak dit moontlik om die verwagte persentasie voltooiing van die reaksie te bereken. 'n Paar belangrike aspekte van die CSTR is:

  • By 'n bestendige toestand moet die massavloeitempo in die reaktor in, gelyk wees aan die massavloeitempo uit, anders sal die tenk oorloop of leegloop. Terwyl die reaktor nog nie by 'n bestendige toestand is nie, moet die vergelykings wat die reaktor beskryf afgelei word van differensiële massa- en energiebalanse.
  • Die reaksie verloop teen die reaksiesnelheid wat verband hou met die finale (uitset) konsentrasie, aangesien die konsentrasie veronderstel word om homogeen te wees regdeur die reaktor.
  • Dit id dikwels ekonomies voordelig om 'n paar CSTRs in serie te skakel. Dit maak dit byvoorbeeld moontlik om die eerste CSTR by 'n hoër reagenskonsentrasie en dus 'n hoër reaksietempo te bedryf. In so 'n geval, kan die groottes van die reaktore verander word om die totale kapitaalinset vir die proses te optimeer.
  • Dit kan bewys word dat 'n oneindige aantal van oneindig klein CSTRs in serie gelykstaande is aan 'n PFR.[7]

Die gedrag van 'n CSTR word dikwels gemodelleer deur 'n ideale model, waar perfekte vermenging aangeneem word. Indien die residensietyd 5 tot 10 keer die vermengingstyd is, kan hierdie benadering beskou word as geldig vir ingenieursdoeleindes. Die ideale model word dikwels gebruik vir eenvoudige berekeninge en kan gebruik word om navorsingsreaktore te beskryf. In die praktyk dit kan net benader word, veral in groot industriële reaktore, waar die vermengingstyd baie lank kan wees.

'n Lusreaktor is 'n hibriede tipe katalitiese reaktor wat fisies lyk soos 'n buisreaktor, maar werk soos 'n CSTR. Die reaksiemengsel word gesirkuleer in 'n buislus, wat omring word deur 'n medium vir verkoeling of verhitting, en daar is 'n deurlopende vloei van toevoermateriaal in en produk uit.

Propvloeireaktor (PFR)[wysig | wysig bron]

Eenvoudige diagram van die propvloei reaktormodel

In propvloeireaktor, of deurlopende buisreaktor,[8] word een of meer vloeibare reagense deur 'n pyp of buis gepomp. Die chemiese reaksie verloop soos die reagense deur die reaktor beweeg. In hierdie tipe reaktor, skep die veranderende reaksiesnelheid 'n gradiënt met betrekking tot die afstand wat afgelê is; by die inlaat is die koers is baie hoog, maar soos die konsentrasies van die reagense afneem en die konsentrasies van die produkte verhoog, verlaag die reaksietempo. 'n paar belangrike aspekte van die PFR is:

  • Die geïdealiseerde propvloeimodel aanvaar dat geen aksiale vermenging plaasvind nie: enige element van die vloeistof wat deur die reaktor beweeg, meng nie met vloeistofelemente stroomop of stroomaf nie, soos geïmpliseer word deur die naam "propvloei".
  • Reagense kan ook stroomaf van die inlaat ingevoer word om in sekere gevalle 'n hoër doeltreffendheid te bewerkstellig, of om die grootte en koste van die reaktor te verminder.
  • 'n PFR het 'n hoër teoretiese doeltreffendheid as 'n CSTR van dieselfde volume. Dit is, gegewe dieselfde ruimte-tyd (of residensietyd), sal 'n reaksie in 'n PFR normaalweg verder kan verloop as in 'n CSTR. Dit geld egter nie altyd nie, byvoorbeeld vir omkeerbare reaksies.

Vir die meeste chemiese reaksies van industriële belang, is dit onmoontlik om die reaksie tot by 100% voltooiing deur te voer nie. Die tempo van die reaksie neem af soos die reagense verbruik word, tot die punt waar die stelsel dinamiese ewewig bereik (geen netto reaksie). Die ekwilibriumpunt vir die meeste stelsels gee 'n onvolledige reaksie. Om hierdie rede word 'n skeidingsproses, soos distillasie, dikwels na 'n chemiese reaksie uitgevoer om enige oorblywende reagense of byprodukte van die gewenste produk te skei. Hierdie reagense kan soms hergebruik word in die proses, soos byvoorbeeld by die Haber-proses. In sommige gevalle sou baie groot reaktore nodig sou om ewewig te benader, en chemiese ingenieurs kan kies om die gedeeltelik gereageerde mengsel te skei, en die oorblywende reaktante te herwin.

Onder laminêre vloeitoestande, is die aanname van propvloei hoogs onakkuraat, aangesien die vloeistof in die middel van die buis baie vinniger beweeg as die vloeistof by die wand. Die deurlopende ossillasie keerplaatreaktor bereik deeglike vermenging deur die kombinasie van vloeistofossillasie en keerplate, sodat propvloei benader word onder toestande wat andersins tot laminêre vloei sou lei.

Semi-enkelladingsreaktor[wysig | wysig bron]

'n Semi-enkelladingsreaktor word bedryf met deurlopende sowel as enkelladingsinsette en -uitsette. 'n Fermenteertenk, byvoorbeeld, word gelaai met 'n medium en mikroorganismes wat voortdurend koolstofdioksied produseer wat verwyder moet word. Ook wanneer 'n gas met 'n vloeistof moet reageer is dit gewoonlik moeilik om 'n suiwer enkelladingsreaktor te bedryf, want 'n groot volume van die gasword benodig is om te reageer met 'n gelyke massa van die vloeistof. Om hierdie probleem te oorkom, kan 'n deurlopende toevoer van gas kan deur 'n lading vloeistof geborrel word. Semi-enkelladingsprosesse behels in die algemeen gesien, een chemiese reactant wat in die reaktor gelaai word, en 'n tweede stof wat stadig bygevoeg word, byvoorbeeld om te verhoed dat neweeaksies plaasvind, of 'n produk wat as gevolg van 'n faseverandering deurlopend verwyder kan word, byvoorbeeld 'n gas wat gevorm word deur die reaksie, 'n vaste stof wat neerslaan, of 'n hidrofobiese produk wat vorm in 'n waterige oplossing.

Katalitiese reaktor[wysig | wysig bron]

Alhoewel katalitiese reaktore dikwels geïmplementeer word as propvloeireaktore, verg hulle analise meer ingewikkelde berekeninge. Die tempo van 'n katalitiese reaksie is eweredig aan die hoeveelheid katalisator wat kontak maak met die reaktante, sowel as die konsentrasie van die reaktante. Met 'n vastestofkatalisator en reaktante in die vloeistoffase, is dit eweredig aan die blootgestelde area, doeltreffendheid van die diffusie van die reagense en produkte uit die porieë van die katalisatordeeltjies, en die doeltreffendheid van die vermenging. Perfekte vermenging kan oor die algemeen nie aanvaar word nie. 'n Katalitiese reaksie verloop dikwels oor verskeie stappe met 'n tussenproduk wat chemies gebind is aan die katalisator; en aangesien die chemiese binding aan die katalisator ook 'n chemiese reaksie is, kan dit ook 'n invloed op die kinetika hê. Katalitiese reaksies vertoon dikwels sogenaamde vervalsde kinetika, waar die oënskynlike kinetika verskil van die werklike chemiese kinetika as gevolg van fisiese oordragverskynsels.

Die gedrag van die katalisator is ook 'n oorweging. Veral in petrochemiese prosesse wat by hoë temperature uitgevoer word, kan katalisators deur prosesse soos sintering, verkooksing en vergiftiging gedeaktiveer word.

'n Tipiese voorbeeld van 'n katalitiese reaktor is die katalitiese omsetter wat giftige komponente van uitlaatgasse verwerk. Die meeste petrochemiese reaktore is egter ook katalities, en is verantwoordelik vir die produksie van die meeste industriële chemiese stowwe, bv. swaelsuur, ammoniak, BTEX (benseen, tolueen, etielbenseen en xileen) en vloeistofkatalitiese kraking.

Eksterne skakels[wysig | wysig bron]

Verwysings[wysig | wysig bron]

  1. Joseph., Pereira, Carmo (2008). "19". Perry's chemical engineers' handbook. Section 19, Reactors. Leib, Tiberiu M. (8th ed uitg.). [New York]: McGraw-Hill. p. 4. ISBN 9780071542265. OCLC 191805887. 
  2. Prud'homme, Roger (2010-07-15). Flows of Reactive Fluids (in Engels). Springer Science & Business Media. p. 109. ISBN 9780817646592. 
  3. Suresh, S.; Sundaramoorthy, S. (2014-12-18). Green Chemical Engineering: An Introduction to Catalysis, Kinetics, and Chemical Processes (in Engels). CRC Press. p. 67. ISBN 9781466558854. 
  4. Jakobsen, Hugo A. (2014-04-02). Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows (in Engels). Springer Science & Business Media. p. 1057. ISBN 9783319050928. 
  5. "What Is a Packed Bed Reactor?". COMSOL Multiphysics©. Besoek op 2016-10-19. 
  6. Peacock, D. G.; Richardson, J. F. (2012-12-02). Chemical Engineering, Volume 3: Chemical and Biochemical Reactors and Process Control (in Engels). Elsevier. p. 8. ISBN 0080571549. 
  7. Ravi, R.; Vinu, R.; Gummadi, S. N. (2017-09-26). Coulson and Richardson’s Chemical Engineering: Volume 3A: Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering (in Engels). Butterworth-Heinemann. p. 80. ISBN 9780081012239. 
  8. "Plug Flow Reactor|Vapourtec Ltd". Vapourtec (in Engels). Besoek op 2016-10-19.