Chemiese reaktor

'n Chemiese reaktor is 'n afgeslote volume waarin 'n chemiese reaksie plaasvind. In chemiese ingenieurswese, word dit oor die algemeen gesien as 'n proseshouer wat gebruik word om 'n chemiese reaksie uit te voer, en is dus een van die klassieke eenheidswerkinge in die ontleding van chemiese prosesse. Die ontwerp van 'n chemiese reaksie behels verskeie aspekte van chemiese ingenieurswese. Chemiese ingenieurs ontwerp reaktore om die ekonomiese waarde van die gegewe operasie te maksimeer. Ontwerpsingenieurs weeg dus die reaksie se opbrengs en doeltreffendheid in die produksie van die verlangde eindproduk op teen die kapitaalinset en bedryfsuitgawes van die aanleg, insluitende energie-insette, energieverwydering, rou materiaal koste, arbeid, ens. Energie-insette kan kom in die vorm van verhitting of verkoeling, pomparbeid om druk te verhoog, drukverlies deur wrywing, en roerenergie.

Chemiese reaksie ingenieurswese is die tak van chemiese ingenieurswese wat handel oor chemiese reaktore en hul ontwerp, veral deur die toepassing van chemiese kinetika op industriële stelsels.

Oorsig 

Die mees algemene chemiese reaktore is vatreaktore (waar die reagense meng in die hele volume) en pype of buise (vir gelaagde vloei reaktore en propvloei reaktore).

Beide soorte kan gebruik word as kontinue reaktore of enkelladingsreaktore, en kan een of meer vastestowwe insluit (reagense, katalisatore, of inerte materiaal), maar die reagense en produkte is tipies vloeistowwe of gasse. Reaktore in kontinue prosesse word tipies by 'n bestendige toestand bedryf, terwyl enkelladingsreaktore noodwendig in 'n onbestendige toestand bedryf word. Wanneer 'n reaktor in bedryf gebring word, hetsy vir die eerste keer of na 'n prosesonderbreking, is dit in 'n onbestendige toestand, en die sleutel prosesveranderlikes verander oor tyd.

Daar is drie geïdealiseerde modelle wat gebruik word om die belangrikste prosesveranderlikes van verskillende chemiese reaktore te beraam:
 Enkelladingsreaktormodel, en
 Kontinue mengvatreaktormodel (KMR) (en: CSTR vir "Continuously Stirred Tank Reactor"), en
 Propvloei reaktor model (PVR) (en: PFR vir "plug flow reactor").
Baie werklike reaktore kan gemodelleer word as 'n kombinasie van hierdie basiese tipes. Sleutel prosesveranderlikes sluit in:
 Ruimtetyd (τ, Griekse kleinletter tau), en
 Volume (V), en
 Temperatuur (T), en
 Druk (P), en
 Konsentrasies van chemiese stowwe (C1, C -2, C -3, ... Cn), en
 Warmteoordragkoëffisiënte (h, U).
'n Buisreaktor kan dikwels 'n gepakte bed insluit. In hierdie geval is die buis gevul met korrels, gewoonlik 'n vaste katalisator. Die reagense, in die vloeistof of gas fase, word deur die katalisatorbed gepomp. 'n Chemiese reaksie kan ook in 'n sweefbed plaasvind.

Chemiese reaksies wat in 'n reaktor plaasvind kan eksotermies wees, as hulle hitte afgee, of endotermies, as hulle hitte absorbeer. 'n Vatreaktor kan 'n dubbelwand hê vir verkoeling of verhitting, of buise kan rondom die buitekant van sy wand gedraai wees om sy inhoud af te koel of te verhit, terwyl 'n buisreaktor ontwerp kan word soos 'n hitteruiler as die reaksie sterk eksotermies is, of soos 'n vlamkas as die reaksie sterk endotermies is.

Soorte

Enkelladingsreaktor 
Die eenvoudigste reaktortipe is 'n enkelladingsreaktor. Die materiaal word op een slag ingelaai, en die reaksie verloop oor 'n gegewe tyd. 'n Enkelladingsreaktor bereik teoreties nie 'n bestendige toestand nie, omdat die reaksiesnelheid afneem soos die reagense opgebruik word, en beheer van die temperatuur, druk en volume is dikwels nodig. Baie enkelladingsreaktore het dus poorte vir sensors en materiaalinset en -uitset. Enkelladingsreaktore word tipies gebruik in kleinskaalproduksie en reaksies met biologiese materiale, soos in bierbrouery, pulpverwerking, en die produksie van ensieme.

Kontinue mengvatreaktor (KMR) 
In 'n KMR word een of meer vloeistofreagense ingepomp in 'n vatreaktor wat tipies met 'n stuwer geroer word om behoorlike vermenging van die reagense te verseker, terwyl die reaktor uitvloeisel verwyder word. Die ruimtetyd word vekry deur om die volume van die tenk deur die gemiddelde volumetriese vloeitempo te deel, dit is die tyd wat nodig is om een reaktorvolume van die vloeistof te prosesseer. Die gebruik van chemiese kinetika maak dit moontlik om die verwagte omskakeling van die reaksie te bereken. 'n Paar belangrike aspekte van die KMR is:
 By 'n bestendige toestand moet die massavloeitempo in die reaktor in, gelyk wees aan die massavloeitempo uit, anders sal die tenk oorloop of leegloop. Terwyl die reaktor nog nie by 'n bestendige toestand is nie, moet die vergelykings wat die reaktor beskryf afgelei word van differensiële massa- en energiebalanse.
 Die reaksie verloop teen die reaksiesnelheid wat verband hou met die uitlaat konsentrasie, aangesien die konsentrasie veronderstel word om homogeen te wees reg deur die reaktor.
 Dit is dikwels ekonomies voordelig om 'n paar KMRe in serie te skakel. Dit maak dit byvoorbeeld moontlik om die eerste KMR teen 'n hoër reagenskonsentrasie en dus 'n hoër reaksietempo te bedryf. In so 'n geval kan die groottes van die reaktore verander word om die totale kapitaalinset vir die proses te optimeer.
 Dit kan bewys word dat 'n oneindige aantal van oneindig klein KMRe in serie gelykstaande is aan 'n PVR.
Die gedrag van 'n KMR word dikwels gemodelleer deur 'n ideale model, waar perfekte vermenging aanvaar word. Indien die ruimtetyd 5 tot 10 keer die vermengingstyd is, kan hierdie benadering beskou word as geldig vir ingenieursdoeleindes. Die ideale model word dikwels gebruik vir eenvoudige berekeninge en kan gebruik word om navorsingsreaktore te beskryf. In die praktyk kan dit net benader word, veral in groot industriële reaktore, waar die vermengingstyd baie lank kan wees.

'n Lusreaktor is 'n hibriede tipe katalitiese reaktor wat fisies lyk soos 'n buisreaktor, maar werk soos 'n KMR. Die reaksiemengsel word gesirkuleer in 'n buislus, wat omring word deur 'n medium vir verkoeling of verhitting, en daar is 'n deurlopende vloei van toevoermateriaal in en produk uit.  

Die molbalans vir 'n KMR is   

 

met  die molêre vloeitempo van komponent . Die voetskrif 0 dui die inlaattempo aan,  is die reaksietempo en die reaktorvolume. Omdat die omskakeling gedefinieer word as , met  die omskakeling, kan die molbalans ook geskryf word as

Die energiebalans vir 'n KMR en PVR kom van dieselfde oorspronklike vergelyking. Ons lei net die energiebalans af na V of W toe vir 'n PVR. Die oorsprong van alle balanse kom uit die tweede wet van termodinamika, en nadat arbeidsterme weggelaat word, is dit

met die hittekapasiteit,  die reaksiemengsel se temperatuur,  die entalpie van reaksie,  die verandering van hittekapisiteite,  die verwysingstemperatuur,  die hitte-oordragkoeffisiënt van die hitteruiler se vloeier,  die hitteruiler se oordragoppervlakte, en  die hittevloeier se temperatuur. Herroep dat  en . Dan is die energiebalans vir hitteruiling en  wat wissel

of

en as 

of

As  en daar vind geen hitteruiling plaas nie is die energiebalans baie eenvoudig 

of

Die massabalans en die energiebalans word gelyktydig opgelos om die reaktorvolume, reaksietemperatuur of reaksie-omskakeling te bereken vir 'n gegewe stel insette. Reagens A is gewoonlik die beperkende reagens.

Propvloeireaktor (PVR) 

In propvloeireaktore, of deurlopende buisreaktore, word een of meer vloeibare reagense deur 'n pyp of buis gepomp. Die chemiese reaksie verloop soos die reagense deur die reaktor beweeg. In hierdie tipe reaktor, skep die veranderende reaksiesnelheid 'n gradiënt met betrekking tot die afstand wat afgelê is; by die inlaat is die koers is baie hoog, maar soos die konsentrasies van die reagense afneem en die konsentrasies van die produkte verhoog, verlaag die reaksietempo. 'n paar belangrike aspekte van die PVR is:
 Die geïdealiseerde propvloeimodel aanvaar dat geen aksiale vermenging plaasvind nie: enige element van die vloeistof wat deur die reaktor beweeg, meng nie met vloeistofelemente stroomop of stroomaf nie, soos geïmpliseer word deur die naam "propvloei", en
 Reagense kan ook stroomaf van die inlaat ingevoer word om in sekere gevalle 'n hoër doeltreffendheid te bewerkstellig, of om die grootte en koste van die reaktor te verminder, en
 'n PVR het 'n hoër teoretiese doeltreffendheid as 'n KMR van dieselfde volume. Dit is, gegewe dieselfde ruimtetyd, sal 'n reaksie in 'n PFR normaalweg verder kan verloop as in 'n KMR. Dit geld egter nie altyd nie, byvoorbeeld vir omkeerbare reaksies.
Vir die meeste chemiese reaksies van industriële belang, is dit onmoontlik om die reaksie tot by 100 % omskakeling deur te voer nie. Die tempo van die reaksie neem af soos die reagense verbruik word, tot die punt waar die stelsel dinamiese ewewig bereik (geen netto reaksie). Die ewewigpunt vir die meeste stelsels gee 'n onvolledige reaksie. Om hierdie rede word 'n skeidingsproses, soos distillasie, dikwels na 'n chemiese reaksie uitgevoer om enige oorblywende reagense of byprodukte van die gewenste produk te skei. Hierdie reagense kan soms hergebruik word in die proses, soos byvoorbeeld in die Haber-proses. In sommige gevalle sou baie groot reaktore nodig wees om ewewig te benader, en chemiese ingenieurs kan kies om die gedeeltelik gereageerde mengsel te skei, en die oorblywende reagense te herwin.

Onder gelaagde vloeitoestande is die aanname van propvloei hoogs onakkuraat, aangesien die vloeistof in die middel van die buis baie vinniger beweeg as die vloeistof by die wand. Die deurlopende ossillasie keerplaatreaktor bereik deeglike vermenging deur die kombinasie van vloeistofossillasie en keerplate, sodat propvloei benader word onder toestande wat andersins tot laminêre vloei sou lei.

Dit is altyd belangrik om met behulp van 'n Levenspielgrafiek te evalueer of die PVR meer doeltreffend is as die KMR. Dikwels is dit die geval dat 'n kombinasie van KMRe en PVRe die optimale opset gee.  

Die molbalans vir 'n PVR is  

  

Vir 'n reaktor met veelvoudige reaksies, hitteruiling en 'n wisselende  is die energiebalans 

of

met   die katalisatormassa, r die totale hoeveelheid reaksies en k die hoeveelheid komponente.  vir 'n buisreaktor. Let op die  term by die verkoeling in die massabasis vergelyking. Indien   vereenvoudig die energiebalans na

en in die geval waar daar geen hitteruiling plaas vind nie, en  is die energiebalans bloot

Soms is die hitteruiler se vloeiertemperatuur,  nie konstant nie, weens die vloeier se vloeitempo,, wat nie groot genoeg is nie. Dan is 

vir 'n teenstroom opset, en 

vir 'n saamstroom opset.

Semi-enkelladingsreaktor 
'n Semi-enkelladingsreaktor word bedryf met deurlopende sowel as enkelladingsinsette en -uitsette. 'n Fermenteervat, byvoorbeeld, word gelaai met 'n medium en mikroorganismes wat voortdurend koolstofdioksied produseer wat verwyder moet word. Ook wanneer 'n gas met 'n vloeistof moet reageer is dit gewoonlik moeilik om 'n suiwer enkelladingsreaktor te bedryf, want 'n groot volume van die gas is nodig om te reageer met 'n gelyke massa van die vloeistof. Om hierdie probleem te oorkom, kan 'n deurlopende toevoer van gas deur 'n lading vloeistof geborrel word. Semi-enkelladingsprosesse behels in die algemeen een chemiese reagens wat in die reaktor gelaai word, en 'n tweede stof wat stadig bygevoeg word om te verhoed dat syreaksies plaasvind, of  om 'n produk deurlopend te verwyder. Dit bevoordeel die kinetika sowel as die omskakeling van die reaksie.

Katalitiese reaktor 
Alhoewel katalitiese reaktore dikwels geïmplementeer word as propvloeireaktore, verg hulle ontleding meer ingewikkelde berekeninge. Die tempo van 'n katalitiese reaksie is eweredig aan die hoeveelheid katalisator wat kontak maak met die reakgense, sowel as die konsentrasie van die reakgense. Met 'n vastestofkatalisator en vloeistofreagense is dit eweredig aan die blootgestelde oppervlakte, doeltreffendheid van die diffusie van die reagense en produkte uit die porieë van die katalisatordeeltjies, en die doeltreffendheid van die vermenging. Perfekte vermenging kan oor die algemeen nie aanvaar word nie. 'n Katalitiese reaksie verloop dikwels oor verskeie stappe met 'n tussenproduk wat chemies gebind is aan die katalisator en aangesien die chemiese binding aan die katalisator ook 'n chemiese reaksie is, kan dit ook 'n invloed op die kinetika hê. Katalitiese reaksies vertoon dikwels sogenaamde vervalsde kinetika, waar die oënskynlike kinetika verskil van die werklike chemiese kinetika as gevolg van fisiese oordragverskynsels.

Die gedrag van die katalisator is ook 'n oorweging. Veral in petrochemiese prosesse wat by hoë temperature uitgevoer word, kan katalisators deur prosesse soos sintering, verkooksing en vergiftiging gedeaktiveer word.

'n Tipiese voorbeeld van 'n katalitiese reaktor is die katalitiese omsetter wat giftige komponente van uitlaatgasse verwerk. Die meeste petrochemiese reaktore is egter ook katalities, en is verantwoordelik vir die produksie van die meeste industriële chemiese stowwe, bv. swaelsuur, ammoniak, BTEX (benseen, tolueen, etielbenseen en xileen) en vloeistofkatalitiese kraking.

Dit gesê is daar min reaktore in die bedryf wat nie 'n katalisator het nie. Die gebruik van 'n katalisator verhoog die winsgewendheid van 'n proses.

Kyk ook 
 Bereikbaregebiedsteorie

Eksterne skakels 
 Eenvoudige CSTR Modelle in MATLAB
 Energie-Doeltreffende Prosesse vir Polimere

Verwysings 

Chemiese ingenieurswese