موضوع مقاله: رآکتور شیمیایی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # رآکتور شیمیایی | مقدمه: طراحی و بهره‌برداری از رآکتورهای شیمیایی از جمله مهم‌ترین وظایف متخصصین صنایع شیمیایی از جمله مهندسین شیمی است. | ## بخش 1: رآکتور شیمیایی | طراحی رآکتور شیمیایی نیازمند شناخت درست از واکنش شیمیایی انجام‌گرفته در رآکتور است. برای این منظور تسلط بر علومی چون ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک شیمیایی و ریاضیات ضروری است. رآکتورهای شیمیایی می‌توانند در ابعاد بزرگ و برای مصارف صنعتی یا در ابعاد کوچک جهت کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی ساخته و تولید شوند. از جمله صرف هزینهٔ کمتر برای طراحی رآکتور کاراتر و کوچک‌تر، صرف انرژی کمتر برای تولید محصول بیشتر، رساندن مواد اولیه به بیشترین درصد تبدیل و بالا بردن راندمان فرایند و …. در طراحی رآکتورها پارامترهای زیادی از جمله: زمان اقامت ، حجم (V)، دما (T)، فشار (P)، غلظت گونه‌های شیمیایی (C۱,C۲,C۳,... رآکتورهای شیمیایی بر اساس نوع واکنش و موارد کاربرد در اشکال مختلف و با جزئیات خاص طراحی می‌شوند که پیچیدگی آن‌ها را زیاد می‌کند. اما می‌توان رآکتورها را در چند دستهٔ بزرگ و کلی از جمله رآکتورهای پیوسته و ناپیوسته، رآکتورها سیال‌بستر یا ثابت‌بستر، رآکتورهای لوله‌ای و مخزنی یا رآکتورهای همگن و ناهمگن، طبقه‌بندی کرد. رفتار رآکتورها معمولاً با معادلاتی موسوم به معادلهٔ رآکتور مطرح می‌شود که برای گونه‌های مختلف رآکتور متفاوت بوده و رابطهٔ ریاضیاتی بین پارامترهای مؤثر در رآکتور را بیان می‌کند. مفاهیم واکنش‌های شیمیایی واکنش شیمیایی فرآیندی است که طی آن یک یا چند ماده به مواد دیگر تبدیل می‌شوند. مواد اولیه موادی با ارزش اقتصادی کمتر می‌باشند و در عوض محصولات موادی با ارزش بالاتر است. معادله سرعت، تعادلی بودن یا نبودن، فاز مواد درگیر در واکنش (جامد، مایع، گاز)، گرماگیر یا گرماده بودن و همچنین اثر کاتالیزور بر واکنش، از جمله مهم‌ترین نکاتی است که در طراحی رآکتور حائز اهمیت است. سینتیک واکنش سینتیک واکنش شیمیایی عبارت است از بررسی سازوکار انجام یک واکنش شیمیایی. علم سینتیک شیمیایی به‌طور کامل به نحوه انجام واکنش، واکنش‌های جانبی، مواد واسط تولیدی و بسیاری از جزئیات یک واکنش می‌پردازد. سرعت واکنش و بستگی آن به غلظت گونه‌های درگیر در واکنش با استفاده از رابطه‌ای به نام معادله سرعتrate بیان می‌شود. به‌طور کلی تغییر غلظتغلظت مواد به صورت مولاریته در نظر گرفته می‌شود که با نمادهای یا برای گونه A نوشته می‌شود. گونه‌ای موجود در واکنش در واحد زمان را سرعت واکنش نسبت به آن ماده تعریف می‌کنند مثلاً برای واکنش ساده معادله سرعت به صورت زیر است که واکنشی از نوع درجه اول محسوب می‌شود: معادله سرعت واکنش را می‌توان به شکل زیر هم بازنویسی کرد. باید توجه داشت که در معادله زیر علامت منفی به‌طور قرار دادی نشان دهنده مصرف گونه است. در این معادله عددی ثابت است که به «ثابت سرعت واکنش» معروف است و عدد بزرگتر نشان‌دهنده واکنش سریع‌تر است. همچنین میزان بستگی سرعت واکنش به غلظت را نشان می‌دهد که به درجه واکنش نسبت به گونه معروف است. همچنین اگر گونه‌های واکنش‌دهنده بیش از یکی باشد، از جمع توان‌های واکنش‌دهنده‌ها، درجه کلی واکنش حاصل می‌شود. روش‌های گوناگونی برای به دست آوردن این معادلات وجود دارد؛ اعم از روش‌های تئوری یا استفاده از داده‌های آزمایشگاهی. ترمودینامیک واکنش بررسی واکنش‌ها از نظر انرژی، در حوزه مباحث ترمودینامیک شیمیایی است. گرماگیر یا گرماده بودن واکنش و میزان انرژی تبادل شده در واکنش از نکات مهم در این علم است. اهمیت این مسئله از آن جهت است که برای رآکتورها می‌باید سیستم‌های گرمایش یا سرمایش طراحی شود تا تبادل انرژی به خوبی انجام شود. وجود هر نوع اشکال یا محاسبات نادرست در سیستم تبادل انرژی موجب اخلال در انجام واکنش، کیفیت محصول، مقدار محصول و حتی خطر جانی و مالی می‌شود. به عنوان نمونه در واکنش‌های گرماده شدید، در صورتی که گرمای تولید شده در واکنش به خوبی تبادل نشود، افزایش بی‌رویه دما داخل رآکتور می‌تواند منجر به افزایش حجم و بالارفتن فشار شود، همچنین در واکنش‌هایی که با تولید گاز شدید انجام می‌شوند، ممکن است موجب انفجار شود. کاتالیزورها موادی هستند که با دخالت در واکنش و تغییر مسیر واکنش، سرعت واکنش را بالا می‌برند.البته منظور از کاتالیزورها در این مقاله، موادی است که به محفظه واکنش تزریق می‌شود. گونه دیگری از کاتالیزورها، اتوکاتالیست‌ها هستند که در واقع یکی از مواد شرکت‌کننده در واکنش است که اثر کاتالیستی نیز بر واکنش دارد. از کاتالیزورها در واکنش‌هایی که در شرایط معمول با سرعت پایین انجام می‌شوند استفاده می‌شود. در نقطه مقابل مواد دیگری به نام بازدارنده‌ها وجود دارند که مانند کاتالیزور هستند با این تفاوت که افزودن آن به واکنش موجب کندی و حتی توقف واکنش می‌شود. بازدارنده‌ها به‌طور ویژه در صنایع پلیمر و برای کنترل فرآیندهای پلیمراسیون در رآکتور شیمیایی کاربرد دارد. این مواد معمولاً با درصد بسیار پایین و به اشکال مختلف در فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرند. | ## بخش 2: رآکتور شیمیایی | ممکن است کاتالیزور یا بازدارنده به صورت ثابت در رآکتور شیمیایی قرار داشته باشد و مواد واکنش‌دهنده پس از تماس با آن خارج شوند. در نقطه مقابل ممکن است این مواد به صورت پودر یا اشکال دیگر به داخل رآکتور تزریق و سپس از آن خارج شوند. به عنوان نمونه در فرایند کراکینگ کاتالیزوری سیال بستر، کاتالیزور زئولیت به صورت پودر به داخل رآکتور تزریق می‌شود. پس از اشباع شدن کاتالیزور، همراه با فرآورده‌ها از فرایند خارج و پس از جداسازی و بازیابی مجدداً به داخل رآکتور تزریق می‌شود. به این ترتیب این چرخه پیوسته ادامه پیدا می‌کند و کاتالیزور در فرایند، همواره در گردش است. انواع واکنش‌ها توجه به ماهیت و نوع واکنش نیز در طراحی رآکتور از اهمیت بالایی برخوردار است. مثلاً در واکنش‌های یک‌طرفه تقریباً تمام مواد واکنش‌دهنده با نسبت‌های استوکیومتری مشخص مصرف می‌شوند. اما در واکنش‌های تعادلی در یک سیستم بسته، در دما و فشار مشخص، مواد اولیه و مواد تولیدی پس از مدتی با یکدیگر به تعادل می‌رسند، یعنی با گذشت زمان، غلظت مواد دچار تغییر نشده و مقداری از مواد اولیه به صورت واکنش نداده در سیستم باقی می‌ماند. در واکنش‌های رقابتی یک یا چند واکنش جانبی، که منجر به تولید مواد بلااستفاده می‌شود، در کنار واکنش اصلی رخ می‌دهد. در این نوع واکنش‌ها باید پارامترهای فرایند طوری طراحی شود که بیشترین مقدار ممکن از ماده مطلوب تولید شود. همچنین در واکنش‌های سری چند واکنش پشت سر هم انجام می‌شود تا محصول نهایی تولید شود. رآکتورها می‌توانند جهت تولید انبوه مواد شیمیایی، دارویی و مواد پتروشیمی و در واحدهای صنعتی بزرگ به کار گرفته شوند یا جهت انجام مطالعات و تحقیقات و در ابعاد کوچک به کار بروند. طراحی رآکتورها با توجه به مکانیسم واکنش و همچنین نوع واکنش و فاز مواد درگیر در واکنش متفاوت است. در طراحی رآکتورهای شیمیایی برخی از پارامترها مانند دما، فشار و دبی مواد ورودی و خروجی، توسط طراح قابل تغییر است. اما برخی پارامترها مانند ماهیت واکنش، گرماگیر یا گرماده بودن، ایجاد گاز یا تغییر در حجم مواد، از جمله مواردی است که به طبیعت واکنش مربوط بوده و در اختیار طراح قرار ندارد. از مجموع این موارد می‌توان نتیجه گرفت که رآکتورها در اشکال پیوسته یا بسته، بستر ثابت یا بستر متلاطم، تحت فشار یا در فشار اتمسفری یا با اثر کاتالیزور یا بدون اثر کاتالیزور طراحی می‌شوند. برخی از پارامترهایی که تقریباً در تمام راکتورها مطرح بوده و حائز اهمیت به جهت شناخت راکتور و عملکرد آن است، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: معادله رآکتور معادله رآکتور رابطه ریاضیاتی است که پارامترهای مربوط به رآکتور مانند زمان اقامت و حجم رآکتور را به سرعت واکنش، نشان می‌دهند. این معادلات می‌توانند به صورت عمومی برای دسته‌ای خاصی رآکتورها مطرح شوند یا به صورت تجربی برای گونه خاصی از رآکتور به دست بیایند. زمان ماند، زمان نیمه عمر و زمان پایان واکنش در رآکتورهای پیوسته که به‌طور مداوم مواد خام وارد و محصولات خارج می‌شوند، نمی‌توان زمان مشخصی برای انجام واکنش و تبدیل مواد اولیه به محصول بیان کرد. زمان ماند متوسط زمانی است که یک ذره وارد رآکتور شده و تا زمان خروج در آنجا در حال واکنش است. این کمیت به صورت زیر نشان داده می‌شود: در این معادله، نشان دهنده حجم رآکتور، دبی حجمی ورودی و خروجی از رآکتور و زمان اقامت است. زمان نیمه عمرhalf life مدت زمانی است که نیمی از غلظت ماده اولیه تزریق شده در رآکتور، به محصولات تبدیل می‌شوند. به عنوان مثال در واکنش ساده نیمه عمر واکنش به صورت زیر تعریف می‌شود: از این رابطه با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر انتگرال می‌گیریم: غلظت گونه از تا که نصف غلظت اولیه است، تغییر می‌کند. باید توجه داشت که تنها واکنش‌هایی پایان پذیر هستند که در آن‌ها باشد، در غیر این صورت همواره مقداری از مواد اولیه در رآکتور به صورت واکنش نداده باقی می‌ماند. از این رابطه با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر انتگرال می‌گیریم: غلظت گونه از تا که به معنی صفر شدن غلظت مواد اولیه است، تغییر می‌کند. بالا رفتن بیش از حد دما در رآکتور می‌تواند موجب اختلال در عملکرد رآکتور و تجهیزات کنترلی آن شود و از همه مهمتر، ریسک خطر انفجار و نشت مواد را بالا می‌برد. همچنین در صورتی که واکنش گرماگیر باشد، با پیشرفت واکنش محتوایات رآکتور سردتر می‌شود و ممکن است موجب کندی سرعت واکنش یا انجماد در رآکتور و تجهیزات آن شود. در جاکت‌ها، یک لایه از سیال با دمای بالاتر یا پایین‌تر برای تنظیم دما، در اطراف رآکتور و بدون تماس جرمی با محتویات رآکتور، مرتباً در چرخش است. در روش کویل نیز لوله‌هایی که حاوی سیال سردتر یا گرم تر است به صورت مارپیچ یا اشکال دیگر در اطراف رآکتور قرار داده می‌شود تا تبادل حرارت با رآکتور انجام شود. فرایند هم‌زدن و انتقال جرم در رآکتورها از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا در صورتی که محتویات داخل رآکتور به خوبی ترکیب نشوند، امکان واکنش ندادن بخشی از مواد و در نتیجه پایین آمدن کیفیت محصول می‌شود. عمل هم زدن در رآکتورهای مخزنی شکل، با استفاده از همزن‌های دوار که به شفت و الکتروموتور متصل است انجام می‌شود. در رآکتورهای لوله‌ای (پلاگ) نیز به دلیل شکل رآکتور، عمل اختلاط در طول لوله با حرکت سیال اتفاق می‌افتد. | ## بخش 3: رآکتور شیمیایی | شکل، نحوه قرارگیری و سرعت چرخش همزن بستگی به عواملی چون، حجم مخزن، شکل مخزن، گران‌روی سیال و … دارد. مثلاً اگر مواد داخل رآکتور خورنده باشند، استفاده از فولاد و موادی که امکان خورده شدن در آن وجود دارد، غیر منطقی است. در این گونه موارد انتخاب مواد جایگزین یا پوشش دهی تجهیزات با لعاب‌های سرامیکی یا پوشش‌های پلیمری روش مناسبی در جلوگیری از خوردگی و واکنش‌های ناخواسته است. انواع راکتورهای شیمیایی رآکتورهای شیمیایی طراحی‌های پیچیده‌ای دارند که گاه طی سالیان متمادی برای یک فرایند خاص به تکامل رسیده‌است. پارامترهای بسیار بر طراحی و شکل رآکتور مؤثر هستند که موجب تنوع انواع رآکتورها می‌شوند. اما می‌توان بر اساس برخی پارامترهای اساسی، رآکتورها را به دسته‌های عمده تقسیم کرد که در زیر به آن می‌پردازیم. انواع رآکتور از نظر فازهای درگیر در واکنش واکنش‌ها در رآکتور ممکن است به صورت همگن (تمامی مواد در یک فاز هستند) یا ناهمگن (مواد درگیر در واکنش در فازهای مختلف قرار دارند) انجام شود. واکنش‌های گازی نمونه‌ای از واکنش‌های همگن هستند که معمولاً در رآکتورهای لوله‌ای انجام می‌شوند. رآکتورهای ناهمگن بر اساس فازهای درگیر در واکنش شکل‌های مختلفی دارند اما نکته مهم در این رآکتورها ایجاد انتقال جرم و تماس مناسب بین فازها برای انجام واکنش است. از رآکتورهای بسته عمدتاً در تولید محصول در ابعاد کم و محصولاتی که متقاضی مقطعی یا فصلی دارند استفاده می‌شود. تغییر در شکل فرایند با استفاده از رآکتورهای بسته به مراتب آسان‌تر و به صرفه تر از فرآیندهای پیوسته‌است. دانستن سینتیک و سازوکار فرایند در رآکتورهای بسته کم‌اهمیت تر است به همین سبب است که سینتیک عمده فرآیندهای داروسازی ناشناخته است. معادله عمومی رآکتورهای بسته به شکل زیر تعریف می‌شود: با انتگرال‌گیری از معادله دیفرانسیل بالا در شرایط مرزی زیر به معادله عمومی رآکتور بسته بر حسب غلظت خواهیم رسید. در زیر معادله کلی موازنه رآکتور پیوسته نوشته شده‌است: 700px این نوع رآکتورها عمدتاً برای تولید محصولات با حجم بالا و محصولاتی که میزان تقاضای آن‌ها به صورت ثابت در بازار وجود دارد استفاده می‌شود. ایجاد تغییرات در رآکتورهای پیوسته به دلیل این که در فرآیندهای پیوسته باید همه فرایندها با یکدیگر هماهنگ کار کنند به مراتب سخت‌تر از رآکتورهای بسته‌است. به همین دلیل از این نوع از رآکتورها در تولید یک محصول یا محصولاتی که تولید آن شباهت زیادی به هم دارند استفاده می‌شود. در عین حال به دلیل ساختار لوله‌ای، سطح تماس بیشتری با محیط اطراف داشته و تبادل گرما راحت‌تر انجام می‌شود. جریان پلاگ گونه‌ای از جریان سیال در داخل لوله است که در آن سرعت حرکت سیال در نزدیکی دیواره لوله و در مرکز لوله یکنواخت است. این امر موجب می‌شود مواد واکنش دهنده به‌طور یکنواخت با یکدیگر تماس یافته و واکنش انجام شود. معادله عمومی رآکتورهای پلاگ به صورت زیر تعریف می‌شود: در این معادله، نشان دهنده دبی حجمی و نشان دهنده حجم رآکتور پلاگ است. همچنین رابطه زمان اقامت در این نوع رآکتور پیوسته به صورت زیر است: در این رابطه نشان دهنده غلظت اولیه خوراک ورودی به رآکتور و نشان دهنده دبی جرمی خوراک ورودی است. این رآکتورها به صورت مخازنی همراه با ورودی‌ها و خروجی‌ها هستند که عمل اختلاط و هم زدن مواد توسط شفت و پروانه صورت می‌گیرد. این نوع رآکتورهای پیوسته در مقایسه با رآکتورهای پلاگ حجم بیشتری نیاز دارند اما حجم تولید در آن‌ها بالاتر است. معادله عمومی رآکتور برای این نوع از رآکتور بر حسب غلظت به صورت زیر تعریف می‌شود: در این معادله، نشان دهنده حجم رآکتور سی اس تی آر است. در رآکتورهای ثابت بستر ماده جامد که معمولاً کاتالیزور می‌باشد، به‌طور ثابت داخل رآکتور قرار دارد و مواد واکنش دهنده پس از عبور از روی این مواد، واکنش داده و از رآکتور خارج می‌شوند. نمونه‌ای از کاربرد این نوع رآکتورها برای تصفیه گازهای خروجی از نیروگاه‌های سوخت فسیلی است. در این نوع نیروگاه‌ها، پس از فرایند احتراق، گازهای حاوی ترکیبات مضر نیتروژن از داخل رآکتور حاوی کاتالیزور عبور می‌کند تا ترکیبات مضر آن به مواد کم خطر تر تبدیل شوند. در رآکتورهای سیال بستر مواد جامد با جریانی از سیال در داخل رآکتور به صورت معلق در می‌آیند. این فرایند موجب افزایش انتقال جرم و حرارت در رآکتور و اختلاط کامل تر اجزا می‌شود. از دیگر مزایای این نوع رآکتور امکان خارج کردن جامد از رآکتور به صورت پیوسته و انتقال به واحد دیگر است. | ## جمع‌بندی | به عنوان نمونه هنگامی که احیا دوباره بازدارنده‌ها و کاتالیزورها نیاز باشد، می‌توان آن‌ها را به این ترتیب از رآکتور خارج و به واحد بازیابی منتقل کرد.