ما هي المفاعلات الكيميائية؟ أنواع المفاعلات الكيميائية

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 13:49

التفاعل الكيميائي هو عملية تؤدي إلى تحول المواد المتفاعلة. يتميز بالتغييرات التي ينتج عنها منتج واحد أو أكثر يختلف عن المنتج الأصلي. التفاعلات الكيميائية ذات طبيعة مختلفة. يعتمد ذلك على نوع الكواشف ، والمادة التي تم الحصول عليها ، وظروف ووقت التوليف ، والتحلل ، والإزاحة ، والأزمرة ، والقاعدة الحمضية ، والاختزال ، والعمليات العضوية ، إلخ.

المفاعلات الكيميائية عبارة عن حاويات مصممة لإجراء تفاعلات من أجل إنتاج المنتج النهائي. يعتمد تصميمها على عوامل مختلفة ويجب أن توفر أقصى قدر من الإنتاج بأكثر الطرق فعالية من حيث التكلفة.

المشاهدات

هناك ثلاثة نماذج أساسية رئيسية للمفاعلات الكيميائية:

• دوري
• التحريك المستمر
• مفاعل تدفق الغطاس (PFR).

يمكن تعديل هذه النماذج الأساسية لتلبية متطلبات العملية الكيميائية.

مفاعل دفعة

يتم استخدام الوحدات الكيميائية من هذا النوع في عمليات دفعية ذات أحجام إنتاج منخفضة ، وأوقات تفاعل طويلة أو حيث يتم تحقيق انتقائية أفضل ، كما هو الحال في بعض عمليات البلمرة.

لهذا ، على سبيل المثال ، يتم استخدام حاويات من الفولاذ المقاوم للصدأ ، يتم خلط محتوياتها مع شفرات العمل الداخلية ، أو فقاعات الغاز أو باستخدام المضخات. يتم التحكم في درجة الحرارة باستخدام سترات التبادل الحراري أو مبردات الري أو الضخ من خلال مبادل حراري.

تستخدم المفاعلات الدفعية حاليًا في الصناعات الكيميائية وصناعات تجهيز الأغذية. إن التشغيل الآلي والتحسين يخلق صعوبات ، حيث من الضروري الجمع بين العمليات المستمرة والمنفصلة.

تجمع المفاعلات الكيميائية نصف الدفعية بين التشغيل المستمر والدُفعي. المفاعل الحيوي ، على سبيل المثال ، يتم تحميله بشكل دوري ويصدر باستمرار ثاني أكسيد الكربون ، والذي يجب إزالته باستمرار. وبالمثل ، في تفاعل الكلورة ، عندما يكون غاز الكلور أحد المواد المتفاعلة ، إذا لم يتم إدخاله بشكل مستمر ، فإن معظمه سيتطاير.

لضمان كميات الإنتاج الكبيرة ، يتم استخدام المفاعلات الكيميائية المستمرة أو الخزانات المعدنية ذات المحرض أو التدفق المستمر بشكل أساسي.

مفاعل التقليب المستمر

يتم تغذية الكواشف السائلة في خزانات الفولاذ المقاوم للصدأ. لضمان التفاعل المناسب ، يتم مزجها بواسطة شفرات العمل. وهكذا ، فيفي المفاعلات من هذا النوع ، يتم تغذية المواد المتفاعلة باستمرار في الخزان الأول (العمودي ، الصلب) ، ثم تدخل في الخزانات اللاحقة ، بينما يتم خلطها جيدًا في كل خزان. على الرغم من أن تركيبة الخليط متجانسة في كل خزان فردي ، إلا أن التركيز في النظام ككل يختلف من خزان إلى آخر.

يمكن حساب متوسط الوقت الذي تقضيه كمية منفصلة من الكاشف في الخزان (وقت الإقامة) ببساطة عن طريق قسمة حجم الخزان على متوسط معدل التدفق الحجمي خلاله. يتم حساب النسبة المئوية المتوقعة لإكمال التفاعل باستخدام الخواص الحركية الكيميائية.

الخزانات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو السبائك ، وكذلك مع طلاء المينا.

بعض الجوانب الهامة من NPM

تستند جميع الحسابات إلى الخلط المثالي. يستمر التفاعل بمعدل متعلق بالتركيز النهائي. عند التوازن ، يجب أن يكون معدل التدفق مساويًا لمعدل التدفق ، وإلا فإن الخزان سوف يفيض أو يفرغ.

غالبًا ما يكون العمل مع عدة HPMs متسلسلة أو متوازية أمرًا فعالاً من حيث التكلفة. يمكن لخزانات الفولاذ المقاوم للصدأ المُجمَّعة في سلسلة من خمس أو ست وحدات أن تتصرف مثل مفاعل تدفق السدادة. يسمح هذا للوحدة الأولى بالعمل عند تركيز أعلى من المتفاعلات وبالتالي معدل تفاعل أسرع. أيضًا ، يمكن وضع عدة مراحل من HPM في خزان فولاذي عمودي ، بدلاً من العمليات التي تتم في حاويات مختلفة.

في الإصدار الأفقي ، يتم تقسيم الوحدة متعددة المراحل بواسطة أقسام عمودية من ارتفاعات مختلفة يتدفق من خلالها الخليط في سلاسل متتالية.

عندما تكون المواد المتفاعلة مختلطة بشكل سيئ أو تختلف اختلافًا كبيرًا في الكثافة ، يتم استخدام مفاعل رأسي متعدد المراحل (مبطّن أو صلب لا يصدأ) في وضع التيار المعاكس. هذا فعال لتنفيذ ردود الفعل العكسية.

يتم خلط الطبقة السائلة الزائفة الصغيرة تمامًا. يحتوي مفاعل الطبقة المميعة التجاري الكبير على درجة حرارة موحدة إلى حد كبير ، ولكن مزيج من التيارات القابلة للامتزاج والمزاح وحالات الانتقال بينهما.

مفاعل كيميائي تدفق المكونات

RPP عبارة عن مفاعل (غير قابل للصدأ) يتم فيه ضخ واحد أو أكثر من المواد المتفاعلة السائلة عبر أنبوب أو أنابيب. ويطلق عليهم أيضًا اسم التدفق الأنبوبي. قد تحتوي على عدة أنابيب أو أنابيب. تدخل الكواشف باستمرار من خلال أحد طرفيها وتخرج المنتجات من الطرف الآخر. تحدث العمليات الكيميائية أثناء مرور الخليط.

في RPP ، يكون معدل التفاعل متدرجًا: عند الإدخال يكون مرتفعًا جدًا ، ولكن مع انخفاض تركيز الكواشف وزيادة محتوى المنتجات الناتجة ، يتباطأ معدلها. عادة يتم الوصول إلى حالة من التوازن الديناميكي

كلا الاتجاهين الأفقي والرأسي للمفاعلات شائعة.

عندما يكون نقل الحرارة مطلوبًا ، يتم تغليف الأنابيب الفردية أو استخدام مبادل حراري للقذيفة والأنبوب. في الحالة الأخيرة ، قد تكون المواد الكيميائيةفي كل من قذيفة وأنبوب.

الحاويات المعدنية ذات القطر الكبير مع الفوهات أو الحمامات تشبه RPP وتستخدم على نطاق واسع. تستخدم بعض التكوينات التدفق المحوري والقطري ، وقذائف متعددة مع مبادلات حرارية مدمجة ، وموضع المفاعل الأفقي أو العمودي ، وما إلى ذلك.

يمكن ملء وعاء الكاشف بمواد محفزة أو صلبة خاملة لتحسين الاتصال البيني في التفاعلات غير المتجانسة.

من المهم في RPP ألا تأخذ الحسابات في الاعتبار الخلط الرأسي أو الأفقي - وهذا هو المقصود بمصطلح "تدفق المكونات". يمكن إدخال الكواشف في المفاعل ليس فقط من خلال المدخل. وبالتالي ، من الممكن تحقيق كفاءة أعلى لـ RPP أو تقليل حجمها وتكلفتها. عادة ما يكون أداء RPP أعلى من أداء HPP من نفس الحجم. مع قيم متساوية للحجم والوقت في مفاعلات المكبس ، سيكون للتفاعل نسبة اكتمال أعلى من وحدات الخلط.

توازن ديناميكي

بالنسبة لمعظم العمليات الكيميائية ، من المستحيل تحقيق اكتمال بنسبة 100 بالمائة. تنخفض سرعتهم مع نمو هذا المؤشر حتى اللحظة التي يصل فيها النظام إلى التوازن الديناميكي (عندما لا يحدث التفاعل الكلي أو التغيير في التركيب). نقطة التوازن لمعظم الأنظمة أقل من 100٪ من اكتمال العملية. لهذا السبب ، من الضروري إجراء عملية فصل ، مثل التقطير ، لفصل المواد المتفاعلة المتبقية أو المنتجات الثانوية مناستهداف. يمكن أحيانًا إعادة استخدام هذه الكواشف في بداية عملية مثل عملية هابر.

تطبيق PFA

تُستخدم مفاعلات تدفق المكبس لإجراء التحويل الكيميائي للمركبات أثناء تحركها عبر نظام يشبه الأنبوب للتفاعلات واسعة النطاق والسريعة والمتجانسة أو غير المتجانسة والإنتاج المستمر وعمليات توليد الحرارة العالية.

RPP المثالي له وقت مكوث ثابت ، أي أن أي سائل (مكبس) يدخل في الوقت t سيتركه في الوقت t + τ ، حيث τ هو وقت الإقامة في التثبيت.

المفاعلات الكيميائية من هذا النوع لها أداء عالٍ على مدى فترات طويلة من الزمن ، فضلاً عن نقل الحرارة الممتاز. عيوب RPPs هي صعوبة التحكم في درجة حرارة العملية ، والتي يمكن أن تؤدي إلى تقلبات غير مرغوب فيها في درجات الحرارة ، وارتفاع تكلفتها.

المفاعلات الحفازة

على الرغم من أن هذه الأنواع من الوحدات غالبًا ما يتم تنفيذها على أنها RPP ، إلا أنها تتطلب صيانة أكثر تعقيدًا. يتناسب معدل التفاعل الحفاز مع كمية المحفز المتلامس مع المواد الكيميائية. في حالة وجود محفز صلب ومتفاعلات سائلة ، فإن معدل العمليات يتناسب مع المساحة المتاحة ، ومدخلات المواد الكيميائية وسحب المنتجات ويعتمد على وجود خلط مضطرب.

رد الفعل التحفيزي غالبًا ما يكون متعدد الخطوات. ليس فقطالمتفاعلات الأولية تتفاعل مع المحفز. تتفاعل معه بعض المنتجات الوسيطة أيضًا.

سلوك المحفزات مهم أيضًا في حركية هذه العملية ، لا سيما في تفاعلات البتروكيماويات ذات درجات الحرارة العالية ، حيث يتم تعطيلها عن طريق التلبيد والتكويك والعمليات المماثلة.

تطبيق التقنيات الجديدة

RPP تستخدم لتحويل الكتلة الحيوية. تستخدم مفاعلات الضغط العالي في التجارب. يمكن أن يصل الضغط فيها إلى 35 ميجا باسكال. يسمح استخدام العديد من الأحجام باختلاف وقت الإقامة من 0.5 إلى 600 ثانية. لتحقيق درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، يتم استخدام مفاعلات تسخين كهربائي. يتم توفير الكتلة الحيوية بواسطة مضخات HPLC.

جزيئات الهباء الجوي RPP النانوية

هناك اهتمام كبير بتركيب وتطبيق الجسيمات النانوية لأغراض مختلفة ، بما في ذلك السبائك عالية السبائك والموصلات ذات الأغشية السميكة لصناعة الإلكترونيات. وتشمل التطبيقات الأخرى قياسات الحساسية المغناطيسية ، ونقل الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، والرنين المغناطيسي النووي. بالنسبة لهذه الأنظمة ، من الضروري إنتاج جزيئات ذات حجم متحكم فيه. يتراوح قطرها عادة بين 10 و 500 نانومتر.

نظرًا لحجمها وشكلها ومساحة السطح المحددة العالية ، يمكن استخدام هذه الجسيمات لإنتاج أصباغ مستحضرات التجميل والأغشية والمحفزات والسيراميك والمفاعلات التحفيزية والمحفزة الضوئية. تتضمن أمثلة تطبيقات الجسيمات النانوية SnO₂لأجهزة الاستشعارأول أكسيد الكربون ، TiO₂لموجهات الضوء ، SiO_{2لثاني أكسيد السيليكون الغرواني والألياف الضوئية ، C لحشو الكربون في الإطارات ، Fe لتسجيل المواد والنيكل للبطاريات وبدرجة أقل البلاديوم والمغنيسيوم والبزموت. يتم تصنيع كل هذه المواد في مفاعلات الهباء الجوي. في الطب ، تُستخدم الجسيمات النانوية للوقاية من التهابات الجروح وعلاجها ، وفي زراعة العظام الاصطناعية وتصوير الدماغ.}

مثال على الإنتاج

للحصول على جزيئات الألومنيوم ، يتم تبريد تدفق الأرجون المشبع ببخار معدني في RPP بقطر 18 ملم وطول 0.5 متر من درجة حرارة 1600 درجة مئوية بمعدل 1000 درجة مئوية / ثانية. عندما يمر الغاز عبر المفاعل ، يحدث تنوي ونمو جسيمات الألومنيوم. معدل التدفق 2 dm3 / min والضغط 1 atm (1013 Pa). أثناء تحركه ، يبرد الغاز ويصبح مفرط التشبع ، مما يؤدي إلى تنوي الجزيئات نتيجة تصادم الجزيئات وتبخرها ، ويتكرر ذلك حتى يصل الجسيم إلى الحجم الحرج. أثناء تحركها عبر الغاز فائق التشبع ، تتكثف جزيئات الألومنيوم على الجسيمات ، مما يزيد من حجمها.