بیایید با راکتور شیمیایی آشنا شویم

پرديکا/ کليات راکتور شيميايي يک ظرف يا محفظه با شکل هاي مختلف مي باشد که در آن واکنش شيميايي صورت مي گيرد و در آن مواد ورودي به محصولات تبديل مي شوند. راکتورها از لحاظ عملکردشان به گروههاي زير تقسيم بندي مي شوند: · راکتورهاي ناپيوسته · راکتورهاي نيمه پيوسته · راکتور هاي مخلوط شونده · راکتورهاي لوله اي · راکتورهاي بستر سيال واکنش هاي شيميايي که در داخل راکتور صورت مي گيرند به دو دسته کلي تقسيم بندي مي شوند. · متجانس Homogenous · نامتجانس Heterogeneous سه پارامتر مهمي که جهت توصيف عملکرد راکتور مورد استفاده قرار مي گيرد عبارتند از: · درصد تبديل Conversion · انتخاب پذيري Selectivity · بازده راکتور Yield در ادامه به توضيح هرکدام از اين موارد مي پردازيم . مقدمه راکتور يک ظرف يا محفظه با شکل هاي مختلف مي باشد که در آن واکنش شيميايي صورت مي گيرد و در آن مواد ورودي به محصولات تبديل مي شوند: که به دو دسته پليمري و غيرپليمري تقسيم مي شوند. واکنش هاي شيميايي که در داخل راکتور صورت مي گيرند به دو دسته کلي متجانس (Homogenous) و نامتجانس (Heterogeneous) تقسيم بندي مي شوند. واکنش هاي متجانس واکنش هايي هستند که در آن تمام ترکيب شوندگان در يک فاز که ممکن است گاز، مايع و يا جامد باشد، موجود هستند . همچنين در صورتيکه واکنش کاتاليزوري باشد، کاتاليزور هم بايستي در همان فاز وجود داشته باشد . واکنش هاي نامتجانس ،واکنش هايي هستند که براي انجام آنها حداقل دو فاز لازم باشد. متغيرهاي زيادي سرعت واکنش را تغيير مي دهند، در سيستم هاي متجانس ، دما ، فشار و غلظت متغيرهاي واضحي هستند. در سيستم هاي نامتجانس به دليل آنکه بيش از يک فاز وجود دارد و در طول واکنش مواد بايستي از يک فاز به فاز ديگر متصل شوند، علاوه بر دما، فشار و غلظت، سرعت انتقال جرم و سرعت انتقال حرارت نيز اهميت دارد. عملکرد راکتور براي راکتورها، سه پارامتر مهم جهت توصيف عملکرد راکتور مورد استفاده قرار مي گيرد: · درصد تبديل Conversion: نسبت مقدار مواد واکنش دهنده مصرفي در راکتور به مقدار مواد واکنش دهنده اي به راکتور تغذيه مي باشد. اگر واکنش برگشت پذير باشد، حداکثر درصد تبديلي که به آن مي توان رسيد درصد تبديل تعادلي ناميده مي شود. · انتخاب پذيري Selectivity: نسبت مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واکنش دهنده مصرفي در راکتور مي باشد. · بازده راکتور Yield: مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واکنش دهنده اي که به راکتور تغذيه مي شود حال به بررسي متغيرهاي مهمي که بر عملکرد راکتور تاثير دارند مي پردازيم. غلظت راکتور هنگامي که بيش از يک ماده واکنش دهنده وجود داشته باشد، اغلب استفاده از مقدار بيش از نياز يکي از واکنش دهنده ها نتيجه مطلوبي بدست خواهد داد. مخصوصاً اگر بخواهيم يکي از مواد به طور کامل مصرف شود (به علت قيمت بالا يا خطرناک بودن(گاهي اوقات مناسب است که يک ماده خنثي همراه با خوراک به راکتور تغذيه شود و يا قبل از پيشرفت کامل واکنش، محصول توليدي خارج شود. بعضي اوقات نيز استفاده از يک مسير برگشتي از فراورده هاي جانبي ناخواسته به راکتور مطلوب است. در مورد واکنش هاي برگشت ناپذير اگر يکي از ترکيبات ورودي بيش تر از مقدار مورد نياز به واکنش وارد شود، مي تواند ماده ديگر را به سمت کامل کردن سوق دهد. به عنوان مثال، واکنش بين اتيلن و کلر براي توليد دي کلرواتان را در نظر بگيريد: C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2 اگر از يک مقدار اتيلن اضافي جهت حصول اطمينان از تبديل کامل ماده کلر استفاده شود مشکل حضور کلر در سيستم جداسازي بعدي از بين مي رود. معمولاً در يک واکنش اگر يکي از اجزاء خطرناک تر باشد (مانند کلر در اين مثال) بايد از کامل شدن آن مطمئن شويم. اگر واکنش برگشت پذير باشد هدف افزايش درصد تبديل تعادلي مي باشد. اگر يکي از خوراک ها را به مقدار اضافي وارد کنيم مي توانيم درصد تبديل تعادلي را افزايش دهيم. گاهي اوقات با حذف مداوم محصول يا يکي از محصولات از راکتوري که واکنش در آن در حال پيشرفت است، مي توان درصد تبديل تعادلي را افزايش داد. مثلا به وسيله تبخير کردن ماده اي از راکتور فاز مايع. يک راه ديگر اين است که واکنش در مراحل پشت سر هم همراه با جداسازي محصولات در مراحل مياني صورت گيرد. دماي راکتور انتخاب دماي راکتور به عوامل زيادي بستگي دارد. عموماً اين انتخاب بايد به گونه اي باشد که سرعت هاي زياد واکنش و حجم کمتر راکتور را ايجاد نمايد. به طور عملي محدوديت هايي در انتخاب دماي راکتور وجود دارد، از جمله ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راکتور و يا حداکثر دماي عملکرد کاتاليست. برحسب نوع واکنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود. واکنشهاي گرماگير اگر يک واکنش گرماگير باشد، عملکرد در دماي بالا باعث افزايش درصد تبديل مي شود . همچنين دماي بالا، سرعت واکنش را زياد و حجم راکتور را کم مي کند. بنابراين براي واکنش هاي گرماگير تاآنجا که ممکن است، درجه حرارت بالا در نظر گرفته مي شود به گونه اي که با ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راکتور و عمر کاتاليست مطابقت داشته باشد. واکنش هاي گرمازا براي واکنش هاي برگشت ناپذير گرمازا، تا آنجا که ممکن است، با توجه به ساختمان مواد، عمر کاتاليست و مسائل ايمني، بايد درجه حرارت را پايين در نظر گرفت. در اين صورت حجم راکتور حداقل خواهد شد. چنانچه واکنشي گرمازا و برگشت پذير باشد، عملکرد در دماي پايين حداکثر مقدار درصد تبديل را افزايش مي دهد. ليکن عملکرد در دماي پايين سرعت واکنش را کاهش مي دهد و در نتيجه باعث افزايش حجم راکتور خواهد شد. بنابراين در ابتداي واکنش يعني هنگامي که از حالت تعادل دور هستيم؛ استفاده از درجه حرارت بالا به منظور افزايش سرعت واکنش برتري دارد. اما همانطور که با گذشت زمان به حالت تعادل نزديک مي شويم، براي افزايش مقدار حداکثر درصد تبديل بايد درجه حرارت را پايين آورد. لذا براي واکنش هاي برگشت پذير گرمازا، همانطور که درصد تبديل زياد مي شود، درجه حرارت ايده آل به طور مداوم کاهش مي يابد. اگر در راکتور همراه واکنش اصلي واکنش هاي ديگري نيز صورت گيرد که باعث توليد محصولات جانبي شوند، بايد در دمايي عمل کرد که ميزان توليد محصول اصلي بيشتر باشد. اين کار اغلب به حداقل کردن حجم راکتور ترجيح دارد. « تقسيم بندي رآکتورها» براساس ديدگاه هاي متفاوت، تقسيم بندي هاي متنوعي براي رآکتورهاي شيميايي انجام شده است. يکي از مهمترين مشخصه هاي واکنش هاي شيميايي تعداد و نوع فازهايي است که واکنش در آن صورت مي گيرد. بر اين مبنا مي توان رآکتورهاي شيميايي را نيز تقسيم بندي نمود. اين تقسيم بندي در زير آمده است: · رآکتورهاي تک فازي: در اين رآکتورها واکنش در فاز گاز يا در فاز مايع انجام مي شود · ۲) رآکتورهاي چند فازي: در اين رآکتورها واکنش ميان فازهاي گاز و مايع يا ميان دو فاز مايع يا ميان فازهاي سيال و جامد انجام مي شود تقسيم بندي ديگر رآکتورها براساس نوع عمليات آن ها است. اين تقسيم بندي به شکل زير است: · رآکتورهاي ناپيوسته(Batch Reactors) : مثل رآکتور توليد پلي کلريد وينيل(PVC) از طريق پليمر کردن کلريد وينيل · رآکتورهاي پيوسته يا جريان پايدار(Continuous or Steady Flow Reactors) : مثل رآکتور توليد آمونياک از طريق واکنش ميان گازهاي هيدروژن و نيتروژن · رآکتورهاي نيمه پيوسته(Semi Batch Reactors): مثل رآکتور هيدروژن دار کردن روغن مايع به منظور اشباع آن و توليد روغن جامد راکتورهاي ناپيوسته: در اين رآکتورها مواد اوليه به مقدار معين وارد رآکتور مي شود، در زمان مشخص واکنش انجام مي گيرد و سپس محصول از راکتور خارج مي شود. بدين ترتيب يک دوره کار که شامل بارگيري، انجام واکنش و تخليه است پايان مي پذيرد و راکتور براي انجام واکنش در دوره بعد پاکسازي و آماده مي شود. اين نوع راکتورها نسبتا ساده هستند و احتياج به وسايل کمکي و سيستم هاي کنترل کمتري دارند. در صنعت از اين نوع راکتورها براي انجام واکنش هاي کند، که احتياج به زمان اقامت زيادي دارند، استفاده مي شود. مدت اقامت واکنش دهنده ها در داخل راکتور، که طي آن واکنش گرها فرصت انجام واکنش پيدا مي کنند، زمان اقامت گويند. رآکتورهاي پيوسته: در اين نوع راکتورها، مواد اوليه به طور دايم وارد راکتور مي شود و پس ار انجام واکنش محصول، پيوسته از راکتور خارج مي شود. اين گونه راکتورها هنگامي در صنعت استفاده مي شوند که هدف توليد مقدار زيادي محصول باشد در ضمن راکتورهاي پيوسته براي انجام واکنش هاي سريع مناسب تر مي باشند. اين نوع رآکتورها نياز به سيستم هاي دقيق و متنوعي دارند. از اين راکتورها در بسياري از صنايع شيميايي، به خصوص صنايع نفت،گاز و پتروشيمي استفاده مي شود. رآکتورهاي نيمه پيوسته: اين نوع راکتورها داراي انواع متنوعي هستند. در نوع متداول آن يکي از مواد اوليه ابتدا در داخل راکتور بارگيري و سپس به تدريج ماده يا مواد اوليه ديگر به آن اضافه مي شود. در نوع ديگر مواد اوليه به طور هم زمان وارد راکتور مي شود ولي تا پايان واکنش هيچ ماده اي از راکتور خارج نمي شود. نوع ديگري از آن وجود دارد که يکي از مواد اوليه در داخل راکتور بارگيري شده است و ماده ديگر به تدريج به آن اضافه مي گردد و همزمان با آن محصول نيز از راکتور خارج مي شود. با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد