Què són els reactors químics? Tipus de reactors químics

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 13:51

Una reacció química és un procés que condueix a la transformació de reactius. Es caracteritza per canvis que donen lloc a un o més productes diferents de l'original. Les reaccions químiques són de naturalesa diferent. Depèn del tipus de reactius, de la substància obtinguda, de les condicions i temps de síntesi, descomposició, desplaçament, isomerització, processos àcid-base, redox, orgànics, etc.

Els reactors químics són recipients dissenyats per dur a terme reaccions per tal de produir el producte final. El seu disseny depèn de diversos factors i hauria de proporcionar el màxim rendiment de la manera més rendible.

Vistes

Hi ha tres models bàsics principals de reactors químics:

• Periòdic.
• Agitació contínua (CPM).
• Reactor de flux d'èmbol (PFR).

Aquests models bàsics es poden modificar per complir els requisits del procés químic.

Reactor per lots

Les unitats químiques d'aquest tipus s'utilitzen en processos discontinus amb volums de producció baixos, temps de reacció llargs o on s'aconsegueix una millor selectivitat, com en alguns processos de polimerització.

Per a això, per exemple, s'utilitzen recipients d'acer inoxidable, el contingut dels quals es barreja amb fulles de treball internes, bombolles de gas o amb bombes. El control de la temperatura es realitza mitjançant jaquetes d'intercanvi de calor, refrigeradors de reg o bombeig a través d'un intercanviador de calor.

Els Reactors per lots s'utilitzen actualment a les indústries química i de processament d'aliments. La seva automatització i optimització crea dificultats, ja que cal combinar processos continus i discrets.

Els reactors químics semi-batch combinen el funcionament continu i el funcionament per lots. Un bioreactor, per exemple, es carrega periòdicament i emet constantment diòxid de carboni, que s'ha d'eliminar contínuament. De la mateixa manera, en la reacció de cloració, quan el clor gasós és un dels reactius, si no s'introdueix contínuament, la major part es volatilitzarà.

Per garantir grans volums de producció, s'utilitzen principalment reactors químics continus o dipòsits metàl·lics amb agitador o flux continu.

Reactor d'agitació contínua

Els reactius líquids s'alimenten als dipòsits d'acer inoxidable. Per garantir una interacció adequada, es barregen amb les fulles de treball. Així, enEn els reactors d'aquest tipus, els reactius s'alimenten contínuament al primer dipòsit (vertical, d'acer), després entren en els posteriors, alhora que es barregen a fons a cada dipòsit. Tot i que la composició de la mescla és homogènia en cada dipòsit individual, en el conjunt del sistema la concentració varia d'un dipòsit a un altre.

La quantitat mitjana de temps que passa una quantitat discreta de reactiu en un dipòsit (temps de residència) es pot calcular simplement dividint el volum del dipòsit pel cabal volumètric mitjà que el travessa. El percentatge esperat de finalització de la reacció es calcula mitjançant la cinètica química.

Els dipòsits estan fets d'acer inoxidable o aliatges, així com amb recobriment d'esm alt.

Alguns aspectes importants de la NPM

Tots els càlculs es basen en una barreja perfecta. La reacció transcorre a una velocitat relacionada amb la concentració final. A l'equilibri, el cabal ha de ser igual al cabal, en cas contrari, el dipòsit es desbordarà o es buidarà.

Sovint és rendible treballar amb diversos HPM en sèrie o paral·lels. Els dipòsits d'acer inoxidable muntats en una cascada de cinc o sis unitats poden comportar-se com un reactor de flux d'obturació. Això permet que la primera unitat funcioni a una concentració de reactius més alta i, per tant, una velocitat de reacció més ràpida. A més, es poden col·locar diverses etapes de HPM en un dipòsit d'acer vertical, en lloc dels processos que tinguin lloc en diferents contenidors.

A la versió horitzontal, la unitat multietapa està seccionada per envans verticals de diverses alçades per on la mescla flueix en cascada.

Quan els reactius estan mal barrejats o difereixen significativament en densitat, s'utilitza un reactor vertical multietapa (revestit o d'acer inoxidable) en mode contracorrent. Això és eficaç per dur a terme reaccions reversibles.

La petita capa pseudolíquida està totalment barrejada. Un gran reactor comercial de llit fluiditzat té una temperatura substancialment uniforme, però una barreja de corrents miscibles i desplaçats i estats de transició entre ells.

Reactor químic de corrent endoll

RPP és un reactor (inoxidable) en el qual es bombegen un o més reactius líquids a través d'una canonada o canonades. També s'anomenen flux tubular. Pot tenir diverses canonades o tubs. Els reactius entren constantment per un extrem i els productes surten per l' altre. Els processos químics es produeixen a mesura que la mescla passa.

En RPP, la velocitat de reacció és gradient: a l'entrada és molt alta, però amb una disminució de la concentració de reactius i un augment del contingut de productes de sortida, la seva velocitat s'alenteix. Normalment s'arriba a un estat d'equilibri dinàmic.

Tant les orientacions horitzontals com verticals del reactor són habituals.

Quan es requereix la transferència de calor, els tubs individuals s'encamisquen o s'utilitza un intercanviador de calor de carcassa i tub. En aquest últim cas, els productes químics poden sertant en carcassa com en tub.

Els recipients metàl·lics de gran diàmetre amb broquets o banys són similars als RPP i són molt utilitzats. Algunes configuracions utilitzen flux axial i radial, múltiples carcassa amb intercanviadors de calor integrats, posició horitzontal o vertical del reactor, etc.

El recipient de reactius es pot omplir amb sòlids catalítics o inerts per millorar el contacte interfacial en reaccions heterogènies.

És important al RPP que els càlculs no tinguin en compte la barreja vertical o horitzontal; això és el que s'entén amb el terme "flux d'endoll". Els reactius es poden introduir al reactor no només per l'entrada. Així, és possible aconseguir una major eficiència del RPP o reduir la seva mida i cost. El rendiment de RPP sol ser superior al de HPP del mateix volum. Amb valors iguals de volum i temps en reactors de pistons, la reacció tindrà un percentatge de finalització més elevat que en les unitats de mescla.

Saldo dinàmic

Per a la majoria dels processos químics, és impossible aconseguir el 100 per cent de finalització. La seva velocitat disminueix amb el creixement d'aquest indicador fins al moment en què el sistema arriba a l'equilibri dinàmic (quan no es produeix la reacció total o el canvi de composició). El punt d'equilibri per a la majoria dels sistemes està per sota del 100% de finalització del procés. Per aquest motiu, cal dur a terme un procés de separació, com la destil·lació, per separar la resta de reactius o subproductes deobjectiu. Aquests reactius de vegades es poden reutilitzar a l'inici d'un procés com el procés Haber.

Aplicació de PFA

Els reactors de flux de pistó s'utilitzen per dur a terme la transformació química de compostos a mesura que es mouen a través d'un sistema semblant a un tub per a reaccions a gran escala, ràpides, homogènies o heterogènies, producció contínua i processos de generació d' alta calor.

Un RPP ideal té un temps de residència fix, és a dir, qualsevol líquid (pistó) que entri en el temps t el sortirà en el temps t + τ, on τ és el temps de residència a la instal·lació.

Els reactors químics d'aquest tipus tenen un alt rendiment durant llargs períodes de temps, així com una excel·lent transferència de calor. Els desavantatges dels RPP són la dificultat per controlar la temperatura del procés, que pot provocar fluctuacions de temperatura no desitjades, i el seu cost més elevat.

Reactors catalítics

Tot i que aquest tipus d'unitats sovint s'implementen com a RPP, requereixen un manteniment més complex. La velocitat d'una reacció catalítica és proporcional a la quantitat de catalitzador en contacte amb els productes químics. En el cas d'un catalitzador sòlid i reactius líquids, la velocitat dels processos és proporcional a l'àrea disponible, l'entrada de productes químics i la retirada de productes i depèn de la presència de mescles turbulents..

Una reacció catalítica sol ser de diversos passos. No nomésels reactius inicials interaccionen amb el catalitzador. Alguns productes intermedis també hi reaccionen.

El comportament dels catalitzadors també és important en la cinètica d'aquest procés, especialment en les reaccions petroquímiques d' alta temperatura, ja que es desactiven per sinterització, coquització i processos similars.

Aplicació de noves tecnologies

RPP s'utilitzen per a la conversió de biomassa. En els experiments s'utilitzen reactors d' alta pressió. La pressió en ells pot arribar als 35 MPa. L'ús de diverses mides permet variar el temps de residència de 0,5 a 600 s. Per aconseguir temperatures superiors als 300 °C, s'utilitzen reactors escalfats elèctricament. La biomassa es subministra mitjançant bombes HPLC.

nanopartícules d'aerosols RPP

Hi ha un interès considerable en la síntesi i l'aplicació de partícules nanomètriques per a diversos propòsits, inclosos els aliatges d' alt aliatge i els conductors de pel·lícula gruixuda per a la indústria electrònica. Altres aplicacions inclouen mesures de susceptibilitat magnètica, transmissió d'infrarojos llunyans i ressonància magnètica nuclear. Per a aquests sistemes és necessari produir partícules de mida controlada. El seu diàmetre sol estar entre 10 i 500 nm.

A causa de la seva mida, forma i gran superfície específica, aquestes partícules es poden utilitzar per produir pigments cosmètics, membranes, catalitzadors, ceràmiques, reactors catalítics i fotocatalítics. Els exemples d'aplicació per a nanopartícules inclouen SnO₂ per als sensorsmonòxid de carboni, TiO₂ per a guies de llum, SiO_{2 per a diòxid de silici col·loïdal i fibres òptiques, C per farciments de carboni en pneumàtics, Fe per a materials d'enregistrament, Ni per a piles i, en menor mesura, pal·ladi, magnesi i bismut. Tots aquests materials es sintetitzen en reactors d'aerosol. En medicina, les nanopartícules s'utilitzen per prevenir i tractar infeccions de ferides, en implants d'os artificials i per a imatges cerebrals.}

Exemple de producció

Per obtenir partícules d'alumini, es refreda un flux d'argó saturat de vapor metàl·lic en un RPP amb un diàmetre de 18 mm i una longitud de 0,5 m a partir d'una temperatura de 1600 °C a una velocitat de 1000 °C/s. Quan el gas passa pel reactor, es produeix la nucleació i el creixement de partícules d'alumini. El cabal és de 2 dm3/min i la pressió és d'1 atm (1013 Pa). A mesura que es mou, el gas es refreda i es sobresatura, la qual cosa provoca la nucleació de partícules com a resultat de col·lisions i evaporació de molècules, repetida fins que la partícula assoleix una mida crítica. A mesura que es mouen a través del gas sobresaturat, les molècules d'alumini es condensen sobre les partícules, augmentant la seva mida.