آشنایی با راکتور و انواع آن (Reactors)

آشنایی با راکتورها و انواع آنها (Reactors)

در این پست به آشنایی با راکتور و انواع آن می‌پردازیم. راکتور یک ظرف یا محفظه با شکل‌های مختلف می‌باشد که در آن واکنش شیمیایی صورت می‌گیرد و در آن مواد ورودی به محصولات تبدیل می‌شوند که به دو دسته پلیمری و غیر پلیمری تقسیم می‌شوند.

واکنش‌های شیمیایی که در داخل راکتور صورت می‌گیرند به دو دسته کلی متجانس (Homogenous) و نامتجانس (Heterogeneous) تقسیم‌بندی می‌شوند. واکنش‌های متجانس واکنش‌هایی هستند که در آن تمام ترکیب‌شوندگان در یک فاز که ممکن است گاز، مایع و یا جامد باشد، موجود هستند. همچنین در صورتیکه واکنش کاتالیزوری باشد، کاتالیزور هم بایستی در همان فاز وجود داشته باشد.

واکنش‌های نامتجانس، واکنش‌هایی هستند که برای انجام آنها حداقل دو فاز لازم باشد. متغیرهای زیادی سرعت واکنش را تغییر می‌دهند، در سیستم‌های متجانس، دما، فشار و غلظت متغیرهای واضحی هستند. در سیستم‌های نامتجانس به دلیل آنکه بیش از یک فاز وجود دارد و در طول واکنش مواد بایستی از یک فاز به فاز دیگر متصل شوند، علاوه بر دما، فشار و غلظت، سرعت انتقال جرم و سرعت انتقال حرارت نیز اهمیت دارد.

در دامه مقاله آشنایی با راکتور و انواع آن راکتورها از لحاظ عملکردشان به گروه‌های ریز تقسیم‌بندی می‌شوند :

راکتورهای ناپیوسته (Batch)

از دیدگاه تاریخی، راکتورهای ناپیوسته از آغاز صنعت شیمیایی مورد استفاده بوده و هنوز هم به صورت وسیعی در تولید مواد شیمیایی با ارزش افزودنی بالا مورد استفاده می‌باشند. در این راکتورها مواد واکنش دهنده در همان ابتدای عمل وارد راکتو ر می‌شوند. محتویات راکتور برای مدت مشخصی کاملاً مخلوط شده و پس از مدت زمان معینی که واکنش پیشرفت کرد، محتویات داخل راکتور تخلیه می‌شوند.

در این راکتورها غلظت در طول زمان تغییر می‌کند اما اختلاط کامل باعث می‌شود که در هر لحظه درجه حرارت و ترکیب در سرتاسر راکتور یکنواخت باشد. این راکتورها در موارد زیر بکار برده می‌شوند :

امتیاز این راکتورها در این است که با دادن زمان لازم برای انجام واکنش، مواد اولیه با درصد تبدیل بالا به محصولات مورد نظر تبدیل می‌گردند و احتیاج به وسایل اضافی و کمکی کمتری دارند. در حالیکه استفاده از این نوع راکتورها محدود به واکنش‌های متجانس فاز مایع می‌باشد. از دیگر محدودیت‌های این نوع راکتورها بالا بودن هزینه تولید در واحد حجم محصول تولید شده می‌باشد (به دلیل بالا بودن زمان سیکل و زمان تخلیه و شستشو).

راکتورهای نیمه پیوسته (Semi Batch)

راکتورهای نیمه پیوسته نیز همان محدودیت‌های راکتور ناپیوسته را دارد. از امتیازات راکتورهای نیمه پیوسته کنترل خوب حرارت و کنترل واکنش‌های نامطلوب و محدود کردن تولید محصولات ناخواسته می‌باشد. این عمل از طریق وارد کردن تدریجی یکی از اجزاء ترکیب شونده با غلظت کم میسر می‌گردد. راکتورهای نیمه پیوسته اغلب برای واکنش‌های دو فازی که یکی از اجزاء ترکیب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد و جزء گازی به صورت حباب به داخل فاز مایع درون راکتور تغذیه می‌گردد.

راکتور های مخلوط شونده (CSTR)

در این راکتور مواد اولیه وارد راکتور می‌شوند و پس از اختلاط در راکتور و اقامت برای مدت زمان مشخصی در راکتور، از راکتور خارج می‌شوند. این راکتور زمانی که یک واکنش شیمیایی احتیاج به همزدن شدید داشته باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کنترل حرارت در این راکتورها به آسانی انجام می‌گیرد. یکی از محدودیت‌های این نوع راکتورها درصد تبدیل پایینتر آنها در واحد حجم محصول تولید در مقایسه با سایر راکتورهای پیوسته باز می‌باشد. به همین دلیل حجم راکتور مذکور را باید خیلی بزرگ انتخاب کرد تا به درصد تبدیل بالا دست یافت. در صنعت معمولاً از یک سری راکتور مخلوط شونده پشت سر هم استفاده می‌شود. راکتورهای Mixed برای اغلب واکنش‌های متجانس در فاز مایع استفاده می‌شود.

در این راکتورها، جریان خوراک و محصول پیوسته است و فرض می‌شود که محتویات راکتور کاملاً به هم می‌خورد. این عمل منجر به یکنواختی درجه حرارت و ترکیب در راکتور می‌شود. به علت این اختلاط یک جزء سیال ممکن است در همان لحظه‌ای که وارد راکتور می‌شود آنرا ترک کند یا برای مدت زمان زیادی در داخل راکتور باقی بماند. زمان اقامت هرکدام از اجزاء سیال در راکتور متفاوت است.

راکتورهای لوله ای (Tubular Plug)

در صنایع شیمیایی برای فرایندهای با مقیاس بزرگ معمولاً از راکتورهای لوله‌ای استفاده می‌شود. زیرا نگهداری سیستم راکتورهای لوله‌ای آسان می‌باشد (چون دارای قسمت‌های متحرک نیستند) و معمولاً بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم جاری دارا هستند.

از محدودیت‌های این راکتورها مشکل کنترل حرارتی برای واکنش‌های گرمازایی است که بسیار سریع عمل می‌کنند و نهایتاً منجر به نقاط داغ Hot Spot می‌گردند. یک راکتور لوله‌ای همراه سیستم سرمایشی می‌باشد که به علت سرعت زیاد واکنش با وجود خنک شدن، در مرکز آن نقاط داغ Hot Spot به وجود آمده است.

نقاط داغ Hot Spot باعث می‌شوند که کیفیت محصول کاهش یابد و دستگاه آسیب ببیند. اغلب واکنش‌های متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می‌گیرند. در این راکتورها نیز مانند راکتورهای Batch زمان اقامت برای تمام اجزاء سیال مساوی است. سیستم متشکل از تعدادی واحدهای سری از راکتورهای مخلوط شونده Mixed، عملکردی مشابه با یک راکتور لوله‌ای دارد. هر چقدر واحدهای پشت سر هم بیشتر باشد، خواص سیستم به حالت لوله‌ای نزدیکتر است.

راکتورهای بستر ثابت (Fixed Bed Reactor)

راکتورهای بستر ثابت در واقع همان راکتورهای لوله‌ای پر شده از دانه‌های جامد کاتالیزور هستند. واکنش‌های غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری دراین نوع راکتورها انجام می‌گیرد.

از معایب این نوع راکتورها مشکل کنترل حرارتی و مشکل جایگزینی کاتالیزور بعد از غیر فعال شدن آن می‌باشد. همچنین بعضی اوقات پدیده کانالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث کاهش زمان اقامت لازم برای انجام واکنش می‌شود که این خود یکی دیگر از محدودیت‌های این نوع راکتور می‌باشد. امتیاز این نوع راکتورها، درصد تبدیل بالای آن در واحد وزن کاتالیزور مصرف شده در مقایسه با سایر راکتورهای کاتالیزوری می‌باشد. از دیگر مزایای این راکتور قیمت پایین‌تر آن نسبت به راکتورهای مشابه مخصوصاً راکتور بستر سیال می‌باشد.

راکتورهای بستر سیال (Fluidized Bed Reactor)

نوع دیگری از راکتورهای کاتالیزوری، راکتور بستر سیال می‌باشد.

در راکتور بستر سیال همانند راکتور مخلوط شونده، محتویات داخل راکتور اگرچه غیر متجانس می‌باشند ولی به خوبی با یکدیگر مخلوط شده و باعث توزیع یکنواخت دما در تمام نقاط راکتور می‌گردند. به دلیل توزیع مناسب حرارت در داخل این راکتورها مشکل نقاط داغ وجود ندارد. به دلیل ظرفیت بالا و کنترل حرارت خوب، این نوع راکتورها، کاربرد صنعتی زیادی پیدا کرده‌اند. از امتیازات برجسته این راکتورها سهولت احیا و جایگزین کردن کاتالیزور می‌باشد.

از اینکه ما را با مقاله آشنایی با راکتور و انواع آن همرایی کردید از شما سپاسگذاریم.