Химический реактор
Химический реактор представляет собой процесс инженерного устройство , в котором ( как правило , более ценные) продукты производятся из сырья или промежуточных продуктов с помощью химических реакций . Однако часто в реакциях не достигается полного превращения или образуются побочные продукты. По этой причине за реактором обычно следуют разделительные устройства (например, ректификационные или экстракционные колонны ), в которых продукт очищается до требуемой чистоты. Разделенные компоненты реакционной смеси - непревращенные реагенты и растворители - могут быть возвращены в реактор в виде так называемых рециркулирующих потоков. Таким образом, химический реактор является лишь одним - хотя и центральным - компонентом химического производственного предприятия .
Вид на эмалированный чайник с мешалкой
Эскиз резервуара с мешалкой
Дизайн
Химические реакторы бывают двух основных видов:
- бак с мешалкой и
- расходная трубка , реактор потока.
Режимы работы
По существу, можно различать непрерывный и прерывистый режим работы. В непрерывном режиме работы реактор протекает равномерно, переменные состояния ( температура , давление , концентрации ) изменяются - помимо процессов пуска и останова и сбоев - не во времени, а только локально. Например, концентрация продукта увеличивается от входа к выходу трубчатого реактора, но в установившемся состоянии она постоянна во времени в каждом месте (по определению). Из-за энтальпии реакции, температура может иметь максимум или минимум между входом и выходом, в то время как давление обычно уменьшается в направлении потока из-за потери давления . Длина и скорость потока должны быть согласованы друг с другом для достижения оптимального времени пребывания реагентов. Это, в свою очередь, определяет конверсию реакции (и, возможно, нежелательных вторичных реакций ).
В случае прерывистой работы можно различать запись или пакетную операцию и операцию с подпиткой . Хотя все реагенты первоначально вводятся в периодическом режиме и удаляются снова после определенного времени выдержки, в периодическом режиме с подачей сначала вводятся только некоторые из реагентов, а остальные реагенты (непрерывно или периодически) добавляются. Это используется, например, для поддержания концентрации реагента и, таким образом, низкой скорости реакции в высокоэкзотермических реакциях , чтобы всегда иметь возможность рассеивать достаточное количество тепла и не допустить «разбегания » реактора. Как реакторы периодического действия, так и реакторы периодического действия с подпиткой опорожняются, очищаются и повторно заполняются по мере необходимости после завершения реакции, что означает значительно более высокие ручные усилия по сравнению с в основном автоматизированными непрерывными процессами. Преимуществами являются более высокая гибкость во времени выдержки и возможность производства часто меняющихся продуктов.
В принципе, непрерывные процессы и, следовательно, реакторы непрерывного действия используются на заводах для больших объемов производства (например, на нефтеперерабатывающих заводах и при производстве основных химикатов ), в то время как партии используются для меньших количеств продукта (например, при производстве активных фармацевтических ингредиентов ). Более поздняя разработка - это так называемые микро- и миллиреакторы , которые позволяют работать в непрерывном режиме даже при меньших потоках продукта.
интерпретация
Проектирование химического реактора - это задача инженерии химических реакций . Следующие влияющие переменные требуются для расчетов, связанных с устройством, и бизнес-расчетов, чтобы оптимизировать целевую переменную .
- Для протекания общей реакции и основных подпроцессов необходимо знать механизм реакции , кинетику и тепловой баланс .
- Для размера реактора необходимы значения для переноса материала, такие как тип потока, смешение, а также данные материала для вязкости и теплового коэффициента.
- Тепловой баланс и процесс реакции предоставляют информацию о потребностях в охлаждении или нагревании.
- Необходимо знать об особых опасностях, связанных с используемыми веществами ( коррозионная активность , реакционная способность промежуточных или побочных продуктов, возможное тепловое ускорение ) и условиями реакции (экстремальные температуры, сосуд высокого давления).
- Наконец, необходимо уточнить, как добавляются исходные материалы и выгружаются продукты (очистка, рециркуляция, последующие реакции).
Для этой конструкции изначально рассматриваются идеализированные реакторы . Подразумевается, что это модели желаемого реакционного сосуда, которые благодаря упрощениям позволяют математическое моделирование .
На первом этапе для проектирования химических реакторов используются в основном программные модели ( моделирование процесса ). На втором этапе математические модели оптимизируются путем строительства реакторов в лабораторном масштабе, возможно, также в масштабе экспериментальной установки. Наконец, завод доводится до производственных мощностей за счет увеличения масштаба .
Специальные конструкции
- При производстве полимеров на конструкцию часто влияют чрезвычайно высокие вязкости реакционных смесей.
- Каталитические процессы требуют создания необходимых больших контактных поверхностей с твердыми каталитическими материалами.
- Из-за температурной чувствительности биологических веществ для биотехнологических процессов необходимы специальные конструкции .
Различные реакторы в химическом производстве
В химическом производстве различают реакторы. Наиболее известным в химии является бак с мешалкой (также называемый баком с мешалкой). Химические реакции проводятся в жидкой фазе в емкостях с мешалкой. Время отклика относительно велико. Перерабатываемые количества варьируются в зависимости от размера резервуара с мешалкой и времени пребывания. Баки с мешалкой - это большие стальные баки, оборудованные мешалкой и нагревательной рубашкой. Перегородки выступают в контейнер через насадки . Они предотвращают вращение всего содержимого контейнера вместе с мешалкой и перемешивают реагенты. Дополнительные форсунки в крышке обеспечивают подачу реагентов и используются для вставки измерительных приборов. На дне емкости с мешалкой находится сливной патрубок, который открывается и закрывается диском клапана. В резервуаре с мешалкой проводят периодические реакции, которые протекают в условиях окружающей среды или при умеренно повышенном давлении и температуре примерно до 250 ° C.
В зависимости от требований эксплуатации резервуары с мешалкой изготавливаются из нелегированной или легированной стали, а также плакированы, покрыты эмалью (стеклом) или прорезинены. Для особо агрессивных сред (например, HF и HCl ) можно использовать футеровки из перфторалкоксилалкана (PFA), которые, в зависимости от среды и конструкции, устойчивы до температуры 250 ° C.
Также существуют реакторы высокого давления, высокотемпературные, трубчатые, петлевые и реакторы с псевдоожиженным слоем.
литература
- Клаус Хертвиг, Лотар Мартенс: Разработка химических процессов: расчет, проектирование и эксплуатация химических реакторов , Ольденбург, Мюнхен 2007, ISBN 978-3-486-57798-3 .