เครื่องปฏิกรณ์เคมีคืออะไร? ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์เคมี

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 14:03

ปฏิกิริยาเคมีเป็นกระบวนการที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้น เป็นลักษณะการเปลี่ยนแปลงที่ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์อย่างน้อยหนึ่งรายการแตกต่างจากต้นฉบับ ปฏิกิริยาเคมีมีลักษณะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของรีเอเจนต์ สารที่ได้รับ สภาวะและเวลาของการสังเคราะห์ การสลายตัว การกระจัด การไอโซเมอไรเซชัน กรด-เบส รีดอกซ์ กระบวนการอินทรีย์ ฯลฯ

เครื่องปฏิกรณ์เคมีเป็นภาชนะที่ออกแบบมาเพื่อทำปฏิกิริยาเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การออกแบบขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ และควรให้ผลผลิตสูงสุดด้วยวิธีที่คุ้มค่าที่สุด

ดู

เครื่องปฏิกรณ์เคมีมีสามรุ่นหลัก:

• เป็นระยะ
• คนต่อเนื่อง (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

รุ่นพื้นฐานเหล่านี้สามารถแก้ไขได้เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกระบวนการทางเคมี

เครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์

หน่วยเคมีประเภทนี้ใช้ในกระบวนการผลิตแบบกลุ่มซึ่งมีปริมาณการผลิตต่ำ เวลาตอบสนองนาน หรือในที่ที่มีความสามารถในการคัดเลือกที่ดีกว่า เช่นเดียวกับในกระบวนการโพลิเมอไรเซชันบางประเภท

สำหรับสิ่งนี้ ตัวอย่างเช่น ใช้ภาชนะสแตนเลส ซึ่งเนื้อหานั้นผสมกับใบมีดทำงานภายใน ฟองแก๊ส หรือใช้ปั๊ม การควบคุมอุณหภูมิทำได้โดยใช้แจ็คเก็ตแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องทำน้ำเย็น หรือสูบน้ำผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ปัจจุบันใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์ในอุตสาหกรรมเคมีและการแปรรูปอาหาร การทำงานอัตโนมัติและการเพิ่มประสิทธิภาพทำให้เกิดปัญหา เนื่องจากจำเป็นต้องรวมกระบวนการที่ต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องเข้าด้วยกัน

เครื่องปฏิกรณ์เคมีกึ่งแบทช์รวมการทำงานแบบต่อเนื่องและแบบแบตช์ ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะถูกโหลดเป็นระยะและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะต้องถูกกำจัดออกอย่างต่อเนื่อง ในทำนองเดียวกัน ในปฏิกิริยาคลอรีน เมื่อก๊าซคลอรีนเป็นหนึ่งในสารตั้งต้น หากไม่ปล่อยอย่างต่อเนื่อง ส่วนใหญ่จะระเหย

เพื่อให้แน่ใจว่ามีปริมาณการผลิตมาก ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบต่อเนื่องหรือถังโลหะที่มีเครื่องกวนหรือการไหลอย่างต่อเนื่อง

เครื่องปฏิกรณ์กวนต่อเนื่อง

น้ำยาถูกป้อนลงในถังสแตนเลส เพื่อให้แน่ใจว่ามีปฏิสัมพันธ์ที่เหมาะสม พวกเขาจะถูกผสมโดยใบมีดทำงาน ดังนั้นในในเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้ สารตั้งต้นจะถูกป้อนอย่างต่อเนื่องในถังแรก (แนวตั้ง, เหล็ก) จากนั้นจะเข้าสู่ถังต่อมา ในขณะที่ผสมให้ละเอียดในแต่ละถัง แม้ว่าองค์ประกอบของส่วนผสมจะเป็นเนื้อเดียวกันในแต่ละถัง แต่ในระบบโดยรวมความเข้มข้นจะแตกต่างกันไปในแต่ละถัง

ระยะเวลาเฉลี่ยที่ปริมาณรีเอเจนต์แบบแยกส่วนใช้ในถัง (เวลาที่อยู่อาศัย) สามารถคำนวณได้โดยการหารปริมาตรของถังด้วยอัตราการไหลเฉลี่ยผ่านปริมาตรของถัง เปอร์เซ็นต์ที่คาดว่าจะเสร็จสมบูรณ์ของปฏิกิริยาคำนวณโดยใช้จลนพลศาสตร์ทางเคมี

ถังทำจากสแตนเลสหรือโลหะผสม รวมทั้งเคลือบอีนาเมล

บางแง่มุมที่สำคัญของ NPM

การคำนวณทั้งหมดอิงจากการมิกซ์ที่สมบูรณ์แบบ ปฏิกิริยาดำเนินไปในอัตราที่เกี่ยวข้องกับความเข้มข้นสุดท้าย ที่สมดุล อัตราการไหลจะต้องเท่ากับอัตราการไหล มิฉะนั้น ถังจะล้นหรือว่างเปล่า

การทำงานกับ HPM แบบอนุกรมหรือขนานหลายตัวมักจะคุ้มค่า ถังสแตนเลสที่ประกอบเป็นน้ำตกห้าหรือหกหน่วยสามารถทำตัวเหมือนเครื่องปฏิกรณ์แบบเสียบปลั๊ก ซึ่งช่วยให้หน่วยแรกทำงานที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่สูงขึ้น และทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถวาง HPM ได้หลายขั้นตอนในถังเหล็กแนวตั้ง แทนที่จะใช้กระบวนการในภาชนะที่แตกต่างกัน

ในเวอร์ชันแนวนอน หน่วยแบบหลายขั้นตอนจะถูกแบ่งตามแนวตั้งที่มีความสูงต่างๆ กัน ซึ่งส่วนผสมจะไหลเป็นชั้นๆ

เมื่อสารตั้งต้นผสมได้ไม่ดีหรือมีความหนาแน่นต่างกันมาก เครื่องปฏิกรณ์แบบหลายขั้นตอนแนวตั้ง (เหล็กเส้นหรือเหล็กกล้าไร้สนิม) จะถูกใช้ในโหมดทวนกระแส สิ่งนี้มีประสิทธิภาพสำหรับการทำปฏิกิริยาย้อนกลับ

ชั้นของเหลวหลอกขนาดเล็กผสมกันจนหมด เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่มีอุณหภูมิที่สม่ำเสมออย่างมาก แต่ผสมกันของกระแสน้ำที่ผสมกันได้และแทนที่ และสถานะการเปลี่ยนผ่านระหว่างกัน

เครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบเสียบปลั๊ก

RPP เป็นเครื่องปฏิกรณ์ (สแตนเลส) ซึ่งสารตั้งต้นที่เป็นของเหลวหนึ่งตัวหรือมากกว่าถูกสูบผ่านท่อหรือท่อ พวกเขาจะเรียกว่าการไหลแบบท่อ มันอาจจะมีหลายท่อหรือหลายท่อ รีเอเจนต์เข้าสู่ปลายด้านหนึ่งอย่างต่อเนื่องและผลิตภัณฑ์ออกจากอีกด้านหนึ่ง กระบวนการทางเคมีเกิดขึ้นเมื่อส่วนผสมผ่านไป

ใน RPP อัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นแบบเกรเดียนต์: ที่อินพุตนั้นสูงมาก แต่ด้วยความเข้มข้นของรีเอเจนต์ที่ลดลงและการเพิ่มขึ้นของเนื้อหาของผลิตภัณฑ์ที่ส่งออก อัตราจะลดลง โดยปกติถึงสภาวะสมดุลไดนามิก

ทั้งการวางแนวเครื่องปฏิกรณ์แนวนอนและแนวตั้งเป็นเรื่องปกติ

เมื่อจำเป็นต้องถ่ายเทความร้อน ท่อแต่ละท่อจะถูกหุ้มหรือใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ ในกรณีหลังนี้สารเคมีอาจจะทั้งในเปลือกและหลอด

ภาชนะโลหะขนาดใหญ่ที่มีหัวฉีดหรืออ่างคล้ายกับ RPP และใช้กันอย่างแพร่หลาย การกำหนดค่าบางอย่างใช้การไหลตามแนวแกนและแนวรัศมี เปลือกหลายชั้นพร้อมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนในตัว ตำแหน่งเครื่องปฏิกรณ์แนวนอนหรือแนวตั้ง และอื่นๆ

ถังรีเอเจนต์สามารถเติมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาหรือของแข็งเฉื่อยเพื่อปรับปรุงการสัมผัสระหว่างผิวหน้าในปฏิกิริยาต่างกัน

RPP เป็นสิ่งสำคัญที่การคำนวณจะไม่คำนึงถึงการผสมในแนวตั้งหรือแนวนอน นี่คือสิ่งที่หมายถึงคำว่า "plug flow" รีเอเจนต์สามารถนำเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ได้ไม่เฉพาะผ่านทางขาเข้าเท่านั้น ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของ RPP หรือลดขนาดและต้นทุนลง ประสิทธิภาพของ RPP มักจะสูงกว่า HPP ที่มีปริมาตรเท่ากัน ด้วยปริมาตรและเวลาเท่ากันในเครื่องปฏิกรณ์แบบลูกสูบ ปฏิกิริยาจะมีเปอร์เซ็นต์ความสมบูรณ์ที่สูงกว่าในหน่วยผสม

ยอดไดนามิก

สำหรับกระบวนการทางเคมีส่วนใหญ่ เป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้สำเร็จ 100 เปอร์เซ็นต์ ความเร็วจะลดลงตามการเติบโตของตัวบ่งชี้นี้จนถึงช่วงเวลาที่ระบบมาถึงสมดุลไดนามิก (เมื่อปฏิกิริยาทั้งหมดหรือการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบไม่เกิดขึ้น) จุดสมดุลสำหรับระบบส่วนใหญ่นั้นต่ำกว่า 100% ที่กระบวนการเสร็จสิ้น ด้วยเหตุผลนี้ จึงจำเป็นต้องดำเนินกระบวนการแยก เช่น การกลั่น เพื่อแยกสารตั้งต้นที่เหลืออยู่หรือผลพลอยได้ออกจากเป้า. น้ำยาเหล่านี้บางครั้งสามารถนำมาใช้ซ้ำได้ในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการ เช่น กระบวนการ Haber

การขอ PFA

เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลแบบลูกสูบใช้สำหรับทำการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสารประกอบในขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านระบบคล้ายท่อสำหรับปฏิกิริยาขนาดใหญ่ รวดเร็ว เป็นเนื้อเดียวกันหรือต่างกัน การผลิตอย่างต่อเนื่อง และกระบวนการสร้างความร้อนสูง

RPP ที่เหมาะจะมีเวลาพำนักที่แน่นอน เช่น ของเหลว (ลูกสูบ) ใด ๆ ที่เข้ามาในเวลา t จะปล่อยทิ้งไว้ที่เวลา t + τ โดยที่ τ คือเวลาพักในการติดตั้ง

เครื่องปฏิกรณ์เคมีประเภทนี้มีประสิทธิภาพสูงในระยะเวลานาน รวมถึงการถ่ายเทความร้อนที่ดีเยี่ยม ข้อเสียของ RPP คือความยากลำบากในการควบคุมอุณหภูมิของกระบวนการ ซึ่งอาจนำไปสู่ความผันผวนของอุณหภูมิที่ไม่ต้องการและต้นทุนที่สูงขึ้น

เครื่องปฏิกรณ์ตัวเร่งปฏิกิริยา

แม้ว่าหน่วยประเภทนี้มักจะถูกนำไปใช้เป็น RPP แต่ก็ต้องการการบำรุงรักษาที่ซับซ้อนมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนกับปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สัมผัสกับสารเคมี ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งและสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว อัตราของกระบวนการเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ที่มีอยู่ การป้อนสารเคมีและการถอนตัวของผลิตภัณฑ์ และขึ้นอยู่กับการปรากฏตัวของการผสมแบบปั่นป่วน

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยามักมีหลายขั้นตอน ไม่เพียงแค่สารตั้งต้นเริ่มต้นมีปฏิสัมพันธ์กับตัวเร่งปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางบางชนิดก็ทำปฏิกิริยากับมันเช่นกัน

พฤติกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาก็มีความสำคัญในจลนพลศาสตร์ของกระบวนการนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปฏิกิริยาปิโตรเคมีที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากพวกมันถูกปิดใช้งานโดยการเผาผนึก โค้ก และกระบวนการที่คล้ายกัน

ใช้เทคโนโลยีใหม่

RPP ใช้สำหรับการแปลงชีวมวล ใช้เครื่องปฏิกรณ์แรงดันสูงในการทดลอง ความดันในนั้นสามารถเข้าถึง 35 MPa การใช้งานหลายขนาดช่วยให้เวลาที่อยู่อาศัยสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 0.5 ถึง 600 วินาที เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงกว่า 300 °C จะใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า ชีวมวลมาจากปั๊ม HPLC

อนุภาคนาโนสเปรย์ RPP

มีความสนใจอย่างมากในการสังเคราะห์และการประยุกต์ใช้อนุภาคนาโนเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ รวมถึงโลหะผสมที่มีโลหะผสมสูงและตัวนำฟิล์มหนาสำหรับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ การวัดความไวต่อสนามแม่เหล็ก การส่งสัญญาณอินฟราเรดแบบฟาร์ และความเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ สำหรับระบบเหล่านี้ จำเป็นต้องผลิตอนุภาคที่มีขนาดควบคุม เส้นผ่านศูนย์กลางมักจะอยู่ในช่วง 10 ถึง 500 นาโนเมตร

เนื่องจากขนาด รูปร่าง และพื้นที่ผิวจำเพาะสูง อนุภาคเหล่านี้สามารถใช้ในการผลิตเม็ดสีเครื่องสำอาง เมมเบรน ตัวเร่งปฏิกิริยา เซรามิก เครื่องปฏิกรณ์ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ตัวอย่างการใช้งานอนุภาคนาโน ได้แก่ SnO₂ สำหรับเซ็นเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ TiO₂ สำหรับท่อนำแสง SiO_{2 สำหรับซิลิคอนไดออกไซด์คอลลอยด์และเส้นใยแก้วนำแสง C สำหรับสารเติมคาร์บอนในยางรถยนต์ Fe สำหรับวัสดุบันทึก, Ni สำหรับแบตเตอรี่และแพลเลเดียมแมกนีเซียมและบิสมัทในระดับที่น้อยกว่า วัสดุทั้งหมดเหล่านี้ถูกสังเคราะห์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบละออง ในทางการแพทย์ อนุภาคนาโนถูกใช้เพื่อป้องกันและรักษาการติดเชื้อที่บาดแผล ในการปลูกถ่ายกระดูกเทียม และสำหรับการถ่ายภาพสมอง}

ตัวอย่างการผลิต

เพื่อให้ได้อนุภาคอะลูมิเนียม การไหลของอาร์กอนที่อิ่มตัวด้วยไอโลหะจะถูกทำให้เย็นลงใน RPP ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และความยาว 0.5 ม. จากอุณหภูมิ 1600 °C ที่อัตรา 1,000 °C/s. เมื่อก๊าซไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์ จะเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของอนุภาคอะลูมิเนียม อัตราการไหลคือ 2 dm3/นาที และความดัน 1 atm (1013 Pa) เมื่อมันเคลื่อนที่ แก๊สจะเย็นตัวลงและกลายเป็นอิ่มตัวยิ่งยวด ซึ่งนำไปสู่นิวเคลียสของอนุภาคอันเป็นผลมาจากการชนกันและการระเหยของโมเลกุล ทำซ้ำจนกว่าอนุภาคจะมีขนาดวิกฤต ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านก๊าซอิ่มตัวยิ่งยวด โมเลกุลของอะลูมิเนียมจะควบแน่นบนอนุภาค และเพิ่มขนาดให้ใหญ่ขึ้น