Was sind chemische Reaktoren? Arten von chemischen Reaktoren

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, der zur Umwandlung von Reaktanten führt. Es ist gekennzeichnet durch Änderungen, die dazu führen, dass ein oder mehrere Produkte vom Original abweichen. Chemische Reaktionen sind anderer Natur. Sie hängt von der Art der Reagenzien, der erh altenen Substanz, den Bedingungen und der Zeit der Synthese, Zersetzung, Verdrängung, Isomerisierung, Säure-Base, Redox, organischen Prozessen usw. ab.

Chemische Reaktoren sind Behälter zur Durchführung von Reaktionen zur Herstellung des Endprodukts. Ihr Design hängt von verschiedenen Faktoren ab und sollte auf möglichst kostengünstige Weise maximale Leistung erbringen.

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Es gibt drei Hauptgrundmodelle von chemischen Reaktoren:

• Periodisch.
• Kontinuierlich gerührt (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Diese Grundmodelle können an die Anforderungen des chemischen Prozesses angepasst werden.

Batch-Reaktor

Chemieanlagen dieses Typs werden in Batch-Prozessen mit geringem Produktionsvolumen, langen Reaktionszeiten oder dort eingesetzt, wo eine bessere Selektivität erreicht wird, wie bei einigen Polymerisationsprozessen.

Dazu werden zum Beispiel Edelstahlbehälter verwendet, deren Inh alt mit innen arbeitenden Schaufeln, Gasblasen oder Pumpen vermischt wird. Die Temperaturregelung erfolgt über Wärmetauschermäntel, Bewässerungskühler oder Pumpen durch einen Wärmetauscher.

Batch-Reaktoren werden derzeit in der Chemie- und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Ihre Automatisierung und Optimierung bereitet Schwierigkeiten, da kontinuierliche und diskrete Prozesse kombiniert werden müssen.

Semi-Batch-Chemiereaktoren kombinieren kontinuierlichen und Batch-Betrieb. Ein Bioreaktor beispielsweise wird periodisch beladen und gibt ständig Kohlendioxid ab, das kontinuierlich entfernt werden muss. In ähnlicher Weise verflüchtigt sich bei der Chlorierungsreaktion, wenn Chlorgas einer der Reaktanten ist, das meiste davon, wenn es nicht kontinuierlich eingeführt wird.

Um große Produktionsmengen zu gewährleisten, werden hauptsächlich kontinuierliche chemische Reaktoren oder Metallbehälter mit Rührwerk oder kontinuierlicher Strömung verwendet.

Kontinuierlicher Rührreaktor

Flüssigreagenzien werden in Edelstahltanks geleitet. Um ein richtiges Zusammenspiel zu gewährleisten, werden sie von den Arbeitsmessern gemischt. Also hineinIn Reaktoren dieses Typs werden die Reaktanten kontinuierlich in den ersten Tank (vertikal, Stahl) eingeführt, dann treten sie in die nachfolgenden ein, während sie in jedem Tank gründlich gemischt werden. Obwohl die Zusammensetzung des Gemisches in jedem einzelnen Tank homogen ist, variiert die Konzentration im Gesamtsystem von Tank zu Tank.

Die durchschnittliche Zeit, die eine diskrete Menge Reagenz in einem Tank verbringt (Verweilzeit), kann berechnet werden, indem einfach das Volumen des Tanks durch die durchschnittliche volumetrische Durchflussrate durch ihn dividiert wird. Der erwartete prozentuale Abschluss der Reaktion wird anhand der chemischen Kinetik berechnet.

Tanks sind aus Edelstahl oder Legierungen sowie mit Emailbeschichtung.

Einige wichtige Aspekte von NPM

Alle Berechnungen basieren auf einer perfekten Mischung. Die Reaktion läuft mit einer Geschwindigkeit ab, die von der Endkonzentration abhängt. Im Gleichgewicht muss die Durchflussmenge gleich der Durchflussmenge sein, sonst läuft der Tank über oder leert sich.

Es ist oft kostengünstig, mit mehreren seriellen oder parallelen HPMs zu arbeiten. Edelstahltanks, die in einer Kaskade von fünf oder sechs Einheiten montiert sind, können sich wie ein Plug-Flow-Reaktor verh alten. Dadurch kann die erste Einheit mit einer höheren Reaktantenkonzentration und daher einer schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit betrieben werden. Außerdem können mehrere HPM-Stufen in einem vertikalen Stahltank platziert werden, anstatt dass Prozesse in verschiedenen Behältern stattfinden.

In der horizontalen Ausführung wird die mehrstufige Einheit durch vertikal verlaufende Trennwände unterschiedlicher Höhe unterteilt, die das Gemisch kaskadenartig durchströmt.

Wenn die Reaktanten schlecht gemischt sind oder sich in der Dichte stark unterscheiden, wird ein vertikaler mehrstufiger Reaktor (ausgekleidet oder Edelstahl) im Gegenstromverfahren verwendet. Dies ist wirksam zur Durchführung reversibler Reaktionen.

Die kleine Pseudo-Flüssigkeitsschicht ist vollständig vermischt. Ein großer kommerzieller Wirbelschichtreaktor hat eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur, aber eine Mischung aus mischbaren und verdrängten Strömen und Übergangszuständen zwischen ihnen.

Plug-Flow-Chemischer Reaktor

RPP ist ein Reaktor (rostfrei), in dem ein oder mehrere flüssige Reaktanten durch ein Rohr oder mehrere Rohre gepumpt werden. Sie werden auch Röhrenströmung genannt. Es kann mehrere Rohre oder Schläuche aufweisen. Reagenzien treten ständig durch ein Ende ein und Produkte treten am anderen aus. Beim Durchgang der Mischung finden chemische Prozesse statt.

Bei RPP ist die Reaktionsgeschwindigkeit ein Gradient: Am Eingang ist sie sehr hoch, aber mit einer Abnahme der Konzentration der Reagenzien und einer Zunahme des Geh alts an Ausgangsprodukten verlangsamt sich ihre Geschwindigkeit. Normalerweise wird ein Zustand des dynamischen Gleichgewichts erreicht.

Sowohl horizontale als auch vertikale Reaktorausrichtungen sind üblich.

Wenn eine Wärmeübertragung erforderlich ist, werden einzelne Rohre ummantelt oder ein Rohrbündelwärmetauscher verwendet. Im letzteren Fall können die Chemikalien seinsowohl in der Hülle als auch in der Röhre.

Metallbehälter mit großem Durchmesser mit Düsen oder Bädern ähneln RPP und sind weit verbreitet. Einige Konfigurationen verwenden axiale und radiale Strömung, mehrere Schalen mit eingebauten Wärmetauschern, horizontale oder vertikale Reaktorposition und so weiter.

Das Reagenzgefäß kann mit katalytischen oder inerten Feststoffen gefüllt werden, um den Grenzflächenkontakt bei heterogenen Reaktionen zu verbessern.

Wichtig ist im RPP, dass die Berechnungen keine vertikale oder horizontale Durchmischung berücksichtigen - das ist mit dem Begriff "Pfropfenströmung" gemeint. Reagenzien können nicht nur durch den Einlass in den Reaktor eingeführt werden. Somit ist es möglich, eine höhere Effizienz des RPP zu erreichen oder seine Größe und Kosten zu reduzieren. Die Leistung von RPP ist in der Regel höher als die von HPP des gleichen Volumens. Bei gleichen Volumen- und Zeitwerten in Kolbenreaktoren wird die Reaktion einen höheren Prozentsatz der Vollständigkeit aufweisen als in Mischanlagen.

Dynamisches Gleichgewicht

Bei den meisten chemischen Prozessen ist es unmöglich, eine 100-prozentige Fertigstellung zu erreichen. Ihre Geschwindigkeit nimmt mit dem Wachstum dieses Indikators ab, bis das System ein dynamisches Gleichgewicht erreicht (wenn die Gesamtreaktion oder Änderung der Zusammensetzung nicht auftritt). Der Gleichgewichtspunkt für die meisten Systeme liegt unter 100 % Prozessabschluss. Aus diesem Grund ist es erforderlich, ein Trennverfahren, beispielsweise eine Destillation, durchzuführen, um die verbleibenden Edukte oder Nebenprodukte abzutrennenZiel. Diese Reagenzien können manchmal zu Beginn eines Prozesses wie dem Haber-Prozess wiederverwendet werden.

Anwendung von PFA

Kolbenströmungsreaktoren werden verwendet, um die chemische Umwandlung von Verbindungen durchzuführen, während sie sich durch ein röhrenartiges System für schnelle, homogene oder heterogene Reaktionen im großen Maßstab, kontinuierliche Produktion und Prozesse mit hoher Wärmeerzeugung bewegen.

Ein ideales RPP hat eine feste Verweilzeit, d.h. jede zum Zeitpunkt t eintretende Flüssigkeit (Kolben) verlässt es zum Zeitpunkt t + τ, wobei τ die Verweilzeit in der Anlage ist.

Chemische Reaktoren dieses Typs haben eine hohe Leistung über lange Zeiträume sowie eine hervorragende Wärmeübertragung. Die Nachteile von RPPs sind die schwierige Kontrolle der Prozesstemperatur, was zu unerwünschten Temperaturschwankungen führen kann, und ihre höheren Kosten.

Katalysatorreaktoren

Obwohl diese Einheitentypen oft als RPP implementiert sind, erfordern sie eine komplexere Wartung. Die Geschwindigkeit einer katalytischen Reaktion ist proportional zur Katalysatormenge, die mit den Chemikalien in Kontakt kommt. Bei einem festen Katalysator und flüssigen Edukten ist die Geschwindigkeit der Prozesse proportional zur verfügbaren Fläche, dem Chemikalieneintrag und dem Produktabzug und hängt vom Vorhandensein einer turbulenten Vermischung ab.

Eine katalytische Reaktion ist tatsächlich oft mehrstufig. Nicht nurdie anfänglichen Reaktanten interagieren mit dem Katalysator. Auch einige Zwischenprodukte reagieren damit.

Das Verh alten von Katalysatoren ist auch wichtig für die Kinetik dieses Prozesses, insbesondere bei petrochemischen Hochtemperaturreaktionen, da sie durch Sintern, Verkoken und ähnliche Prozesse deaktiviert werden.

Neue Technologien anwenden

RPP werden zur Umwandlung von Biomasse verwendet. In den Experimenten werden Hochdruckreaktoren verwendet. Der Druck in ihnen kann 35 MPa erreichen. Durch den Einsatz mehrerer Größen kann die Verweilzeit von 0,5 bis 600 s variiert werden. Um Temperaturen über 300 °C zu erreichen, werden elektrisch beheizte Reaktoren eingesetzt. Biomasse wird von HPLC-Pumpen zugeführt.

RPP-Aerosol-Nanopartikel

Es besteht ein beträchtliches Interesse an der Synthese und Anwendung von Nanopartikeln für verschiedene Zwecke, darunter hochlegierte Legierungen und Dickschichtleiter für die Elektronikindustrie. Andere Anwendungen umfassen magnetische Suszeptibilitätsmessungen, Ferninfrarotübertragung und Kernspinresonanz. Für diese Systeme ist es notwendig, Partikel mit kontrollierter Größe herzustellen. Ihr Durchmesser liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 500 nm.

Aufgrund ihrer Größe, Form und hohen spezifischen Oberfläche können diese Partikel zur Herstellung von kosmetischen Pigmenten, Membranen, Katalysatoren, Keramiken, katalytischen und photokatalytischen Reaktoren verwendet werden. Anwendungsbeispiele für Nanopartikel sind SnO₂ für SensorenKohlenmonoxid, TiO₂ für Lichtleiter, SiO_{2 für kolloidales Siliziumdioxid und optische Fasern, C für Kohlenstofffüllstoffe in Reifen, Fe für Aufzeichnungsmaterialien, Ni für Batterien und in geringerem Umfang Palladium, Magnesium und Wismut. Alle diese Materialien werden in Aerosolreaktoren synthetisiert. In der Medizin werden Nanopartikel zur Vorbeugung und Behandlung von Wundinfektionen, in künstlichen Knochenimplantaten und für die Bildgebung des Gehirns verwendet.}

Produktionsbeispiel

Zur Gewinnung von Aluminiumpartikeln wird ein mit Metalldampf gesättigter Argonstrom in einem RPP mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Länge von 0,5 m von einer Temperatur von 1600 °C mit einer Geschwindigkeit von 1000 °C/s abgekühlt. Wenn das Gas durch den Reaktor strömt, kommt es zur Keimbildung und zum Wachstum von Aluminiumpartikeln. Die Durchflussrate beträgt 2 dm3/min und der Druck 1 atm (1013 Pa). Während es sich bewegt, kühlt sich das Gas ab und wird übersättigt, was zur Nukleation von Partikeln als Ergebnis von Kollisionen und Verdampfung von Molekülen führt, was wiederholt wird, bis das Partikel eine kritische Größe erreicht. Während sie sich durch das übersättigte Gas bewegen, kondensieren die Aluminiummoleküle an den Partikeln und vergrößern ihre Größe.