راکتور شیمیایی چیست؟
راکتور شیمیایی یک حجم پیوسته یا ناپیوسته ایست که در آن یک واکنش شیمیایی انجام می شود. در مهندسی شیمی، راکتور به طور کلی به عنوان محیط مورد استفاده برای انجام یک واکنش شیمیایی شناخته میشود، که یکی از تجهیزات مهم در بررسی سینتیک واکنش‌های شیمیایی می‌باشد. طراحی و ساخت راکتور شیمیایی یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های مهندسی شیمی است که به پارامتر‌های مهم و مختلفی مربوط میشود. مهندسان شیمی همواره در تلاشند راکتور شیمیایی طراحی کنند که خلوص حداکثری از محصول را در مدت زمان کمتری ارائه دهد. طراحان اطمینان حاصل می کنند که واکنش با بالاترین راندمان به سمت محصول خروجی مورد نظر پیش میرود و بالاترین بازده محصول را تولید می کند، در حالی که هزینه‌های طراحی، ساخت و عملکردی راکتور را به حداقال میرساند.
هزینه‌های عملیاتی عمدتا شامل انرژی ورودی و هدررفت آن، هزینه‌های مواد خام، نیروی کار و غیره است. هدررفت انرژی می‌تواند به شکل گرمایش یا سرمایش، افت فشار قطعات و هم زدن باشد.
در ادامه به معرفی و بررسی اجمالی مهم‌ترین راکتورهای مورد استفاده در صنعت می‌پردازیم.
اجزا مختلف یک راکتور شیمیایی
راکتورهای شیمیایی به صورت مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند، اما برخی از عناصر اصلی یک راکتور شیمیایی عبارتند از:
محفظه: این بخش راکتور که معمولاً یک مخزن یا محفظه بسته است، محیطی برای انجام واکنش‌ها است. این محفظه باید دارای شرایط فیزیکی و شیمیایی مناسب برای انجام واکنش‌هاجنس محفظه معمولاً بسته به نوع و شرایط واکنش متغیر است و باید به مواردی مثل:مقاومت شیمیایی،مقاومت فیزیکی،هدایت حرارتی،هدایت جرمی،قابلیت دسترسی و… توجه کرد.
منبع حرارت: برخی از راکتورها نیاز به انتقال حرارت به منظور ایجاد یا حفظ دمای مورد نیاز برای واکنش دارند. این منبع حرارت می‌تواند از طریق گرمای مستقیم، جریان سیال حاکم یا شعله سوزان در راکتور تأمین شود.
کاتالیزور: در برخی از واکنش‌های شیمیایی، استفاده از کاتالیزورها لازم است تا سرعت واکنش‌ها افزایش یابد. جنس کاتالیزور معمولاً بسته به نوع واکنش و خواص مورد نیاز متغیر است و باید به مواردی نظیره: فعالیت کاتالیست، ثبات شیمیایی، مقاومت حرارتی، قابلیت بازیافت، جذب و تعامل با مواد واکنشی و… توجه کرد.
سیستم مخلوط‌کننده: در برخی راکتورها نیاز به مخلوط کردن مواد شیمیایی برای ایجاد تماس موثر بین آن‌ها و افزایش سرعت واکنش و یا یکنواختی واکنش است. این سیستم می‌تواند شامل میکسرها، آگیتاتورها، توربولانس‌سازها و دیگر وسایل مخلوط‌کننده باشد.
سیستم کنترل: برای کنترل شرایط فرآیند و ایجاد شرایط مطلوب برای واکنش، راکتورهای شیمیایی مجهز به سیستم‌های کنترل هستند. این شامل سنسورها، کنترلرها، شیرها، سوئیچ‌ها و سایر وسایل کنترلی است.
همچنین، ویژگی‌های دیگری مانند فشار، دما، زمان و شدت واکنش، رقم واکنش و نوع مواد واکنشی نیز در طراحی و عملکرد راکتورهای شیمیایی مهم هستند.
مهندسی واکنش شیمیایی و راکتور
مهندسی واکنش شیمیایی (مهندسی واکنش یا مهندسی راکتور) یک تخصص در مهندسی شیمی یا شیمی صنعتی است که با راکتورهای شیمیایی سروکار دارد. اغلب این اصطلاح به طور خاص به سیستم های واکنش کاتالیزوری مربوط می شود که در آن یک کاتالیزور همگن یا ناهمگن در راکتور وجود دارد. گاهی اوقات یک راکتور به خودی خود وجود ندارد، بلکه در یک فرآیند ادغام می شود، به عنوان مثال در مخازن جداسازی واکنشی، مخازن، سلول های سوختی خاص، و سطوح فوتوکاتالیستی. موضوع اثرات حلال بر سینتیک واکنش نیز به عنوان یک فاکتور جدایی ناپذیر در واکنش های شیمیایی در نظر گرفته می شود.
هدف مهندسی راکتور شیمیایی
هدف مهندسی واکنش های شیمیایی مطالعه و بهینه سازی واکنش های شیمیایی به منظور تعریف بهترین طراحی راکتور شیمیایی است. از این رو، فعل و انفعالات پدیده های جریان، انتقال جرم، انتقال حرارت و سینتیک واکنش از اهمیت بالایی برخوردار هستند تا عملکرد راکتور را با ترکیب خوراک و شرایط عملیاتی مرتبط کنند. اگرچه در ابتدا راکتور شیمیایی برای صنایع نفت و پتروشیمی به کار می رفت، اما روش کلی آن با ترکیب شیمی واکنش و مفاهیم مهندسی شیمی امکان بهینه سازی انواع سیستم ها را فراهم می کند که در آن مدل سازی یا مهندسی واکنش ها مورد نیاز است. رویکردهای مهندسی واکنش شیمیایی در واقع برای توسعه فرآیندهای جدید و بهبود فناوری‌های موجود طراحی شده‌اند.
اهمیت مهندسی راکتور شیمیایی در صنعت
فرآیندهای تولید ناهمگن مبتنی بر واکنش‌های شیمیایی، تبدیل‌های بیوشیمیایی و جذب، که ذاتاً شامل فاز جامد و مایع است، با چندین چالش فنی همراه است. یکی از دشوارترین مسائل، دستیابی به تماس بین معرف ها در دو فاز است – پدیده ای که به عنوان محدودیت انتقال جرم شناخته می شود. معرف های فاز مایع باید از طریق انتقال محیط مایع نسبت به ذره جامد به محل فعال فاز جامد آورده شوند. در غیاب هر گونه هم زدن برای ایجاد جریان همرفتی، این انتقال فقط به شکل انتشار به خود می گیرد که فرآیند بسیار کندی است. بنابراین حمل و نقل انبوه در آزمایشگاه ها و تأسیسات تولید با استفاده از یک راکتور شیمیایی با طراحی مناسب افزایش می یابد
راکتور شیمیایی ناپیوسته (batch reactor)
راکتور ناپیوسته ساده‌ترین نوع راکتور شیمیایی است که در صنعت استفاده میشود. مواد خام در این راکتور بارگذاری می‌شوند و واکنش با گذشت زمان ادامه می یابد. یک راکتور ناپیوسته به حالت پایا نمی‌رسد و کنترل دما و فشار از آنجایی که فضای واکنش یک محیط بسته می‌باشد بسیار ضروری است. بنابراین هنگام ساخت راکتور شیمیایی ناپیوسته، سنسور‌هایی برای اندازه‌گیری دما و فشار لحاظ می‌شوند
راکتور ناپیوسته همزن‌دار (CSTR)
در یک راکتور CSTR، یک یا چند جریان سیال به مخزن وارد می شود که معمولاً با یک همزن به هم زده می شود تا از اختلاط مناسب واکنش‌دهنده‌ها در حین اتفاق واکنش اطمینان حاصل شود. با استفاده از روابط سینتیک شیمیایی می‌توان درصد تبدیل مورد انتظار واکنش را محاسبه کرد. اختلاط توسط همزن درون راکتور به گونه‌ای است که می‌توان اختلاط درون آن را کامل فرض کرد و غلظت را درون تمامی نقاط آن یکسان گرفت.
راکتور شیمیایی جریان قالبی (PFR)
در یک PFR یک یا چند جریان سیال خوراک از طریق یک لوله به داخل فضای راکتور پمپ می‌شوند. واکنش شیمیایی با حرکت جریان خوراک درون فضای لوله‌ای شکل اتفاق میفتد. در ورودی PFR به علت بالا بودن غلظت واکنش دهنده‌ها، سرع واکنش بالاست و در طول لوله با مصرف واکنش دهنده‌ها، کاهش پیدا میکند. نکات مهم در مورد راکتور PFR عبارتند از:
در مدل ایده آل PFR هیچ اختلاطی در جهت شعاعی لوله راکتور فرض نمی‌شود. بدین منظور که اختلاط تنها در جهت طول انجام میشود و واکنش در این راستا پیش میرود.
برخی واکنش دهنده ها ممکن است در مکان هایی از راکتور به غیر از ورودی وارد PFR شوند. به این ترتیب ممکن است بازده بالاتری به دست آید یا اندازه و هزینه ساخت راکتور شیمیایی کاهش یابد.
به طور کلی، یک راکتور PFR کارایی تئوری بالاتری نسبت به یک راکتور CSTR با همان حجم دارد. یعنی با توجه به زمان اقامت یکسان، یک واکنش به درصد تکمیل بالاتری در یک PFR نسبت به یک CSTR ادامه خواهد داد اما این امر در مورد واکنش‌های برگشت پذیر صادق نیست.
لازم به ذکر است برای اکثر واکنش های شیمیایی صنعتی، انجام واکنش تا بازده 100% غیرممکن است. سرعت واکنش با مصرف واکنش دهنده ها کاهش می یابد تا زمانی که سیستم به تعادل شیمیایی می رسد و با گذشت زمان تغییری در غلظت مواد رخ نمی‌دهد. نقطه تعادل برای اکثر سیستم ها کمتر از 100٪ کامل است. واکنش دهنده‌های باقی مانده ممکن است گاهی اوقات در ابتدای فرآیند مورد استفاده مجدد قرار گیرند. در برخی موارد نیز، راکتورهای بسیار بزرگ برای نزدیک شدن به تعادل مورد استفاده قرار میگیرند که مهندسان شیمی ممکن است تصمیم بگیرند مخلوط نیمه واکنش داده شده را جدا کرده و واکنش دهنده های باقیمانده را بازیافت کنند.
راکتور نیمه پیوسته (Semi-batch reactor)
یک راکتور نیمه پیوسته با هر دو حالت ورودی و خروجی پیوسته یا ناپیوسته کار می کند. به عنوان مثال، در یک فرایند تخمیر که با دسته‌ای از میکروارگانیسم‌ها سر و کار دارد، لازم است که دی اکسید کربن تولید شده به طور مداوم حذف شود. بدین جهت گاز تولیدی به طور پیوسته‌ای حذف خارج میشود تا واکنش در فضای راکتور پیشروی کند.
همچنین واکنش یک گاز با یک مایع معمولاً دشوار است. زیرا برای واکنش با جرم مساوی از مایع، حجم زیادی از گاز لازم است. برای غلبه بر این مشکل، یک جریان مداوم از گاز را می توان به صورت حباب‌های گازی در محیط سیال وارد کرد. به طور کلی، در یک راکتور شیمیایی نیمه پیوسته، یک واکنش دهنده شیمیایی به راکتور وارد می شود و ماده شیمیایی دوم به آرامی اضافه می شود (برای جلوگیری از واکنش های جانبی)، یا محصولی که در نتیجه تغییر فاز ایجاد می شود، به طور مداوم حذف می شود. مثلا گاز تشکیل شده به طور پیوسته از راکتور خارج میشود. یا در اثر واکنش، جامدی که رسوب میکند جدا میشود و یا محصول آبگریز که در محلول آبی تشکیل می شود به بیرون میرود.
همچنین واکنش یک گاز با یک مایع معمولاً دشوار است. زیرا برای واکنش با جرم مساوی از مایع، حجم زیادی از گاز لازم است. برای غلبه بر این مشکل، یک جریان مداوم از گاز را می توان به صورت حباب‌های گازی در محیط سیال وارد کرد. به طور کلی، در یک راکتور شیمیایی نیمه پیوسته، یک واکنش دهنده شیمیایی به راکتور وارد می شود و ماده شیمیایی دوم به آرامی اضافه می شود (برای جلوگیری از واکنش های جانبی)، یا محصولی که در نتیجه تغییر فاز ایجاد می شود، به طور مداوم حذف می شود. مثلا گاز تشکیل شده به طور پیوسته از راکتور خارج میشود. یا در اثر واکنش، جامدی که رسوب میکند جدا میشود و یا محصول آبگریز که در محلول آبی تشکیل می شود به بیرون میرود.
چه موادی در ساخت راکتور شیمیایی به کار میروند؟
فلزات
فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی و تیتانیوم معمولا در راکتور شیمیایی استفاده می شوند. فولاد ضد زنگ یک انتخاب عالی برای راکتورهایی است که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی دارند، زیرا در برابر زنگ زدگی و سایر اشکال خوردگی بسیار مقاوم است. در این میان فولاد کربنی برای راکتورهایی استفاده می شود که به مقاومت بالایی در برابر خوردگی نیاز ندارند، زیرا گزینه ای مقرون به صرفه است. تیتانیوم نیز برای راکتورهایی که در معرض محیط های بسیار خورنده هستند استفاده می شود.
شیشه
شیشه در راکتور شیمیایی استفاده می شود که برای نظارت بر واکنش انجام شده در داخل به دیواره ای شفاف نیاز دارند. همچنین شیشه برای رآکتورهایی که دارای واکنش های با دمای بالا هستند، انتخاب خوبی است، زیرا می تواند بدون شکستن یا ترک خوردن در برابر دمای بالا مقاومت کند.
سرامیک
سرامیک هایی مانند آلومینا، زیرکونیا و کاربید سیلیکون در راکتور شیمیایی استفاده می شود که به مقاومت بالایی در برابر خوردگی و سایش نیاز دارند. آلومینا برای راکتورهایی که در معرض محیط های اسیدی هستند انتخاب خوبی است، در حالی که زیرکونیا برای راکتورهایی که در معرض محیط های با دمای بالا هستند ایده آل است. کاربید سیلیکون یک انتخاب محبوب برای راکتورهایی است که به مقاومت بالایی در برابر سایش و خوردگی نیاز دارند.
پلیمرها
پلیمرهایی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن در راکتورهای شیمیایی شیمیایی که به مواد ارزان قیمت با مقاومت شیمیایی خوب نیاز دارند استفاده می شود. پلی اتیلن برای راکتورهایی که برای مقاصد ذخیره سازی استفاده می شوند انتخاب خوبی است، در حالی که پلی پروپیلن برای راکتورهایی که در معرض دمای بالا هستند استفاده می شود.
کامپوزیت ها
کامپوزیت هایی مانند فایبرگلاس و فیبر کربن در راکتورهای شیمیایی که به استحکام و سختی بالایی نیاز دارند استفاده می شود. فایبرگلاس برای راکتورهایی که نیاز به مقاومت شیمیایی خوبی دارند و در معرض محیط های با دمای بالا هستند استفاده می شود، در حالی که از الیاف کربن برای راکتورهایی که به استحکام و سختی بالایی نیاز دارند به کار میرود
در نتیجه، مواد مورد استفاده در راکتورهای شیمیایی به نیازهای خاص کاربرد بستگی دارد. فلزات، شیشه، سرامیک، پلیمرها و کامپوزیت ها همگی معمولاً در راکتورهای شیمیایی استفاده می شوند. انتخاب مواد مناسب برای اطمینان از کارایی و دوام راکتور امری ضروری است.
راکتور کاتالیستی
اگرچه راکتورهای کاتالیزوری اغلب به عنوان راکتورهای PFRاجرا می‌شوند، اما ساخت راکتور شیمیایی PFR با سرعت یک واکنش کاتالیزوری یا مقدار کاتالیزوری که واکنشگرها در تماس هستند و همچنین غلظت واکنش دهنده ها متناسب است. معمولاً نمی‌توان در این نوع راکتور شیمیایی اختلاط را کامل فرض کرد. علاوه بر این، یک مسیر واکنش کاتالیزوری اغلب در چند مرحله درون راکتور انجام میشود. کاتالیزور با کاهش انرژی فعال‌سازی واکنش، سرعت پیشرفت فرایند به سمت محصولات را افزایش می دهد.
شرکت صنعت آفرین سامیار با بهره‌گیری از دانش علمی متخصصین خود، قادر به طراحی و ساخت راکتور شیمیایی در فرایند‌های مختلف می‌باشد. جهت مشاوره با مهندسان مجموعه می‌توانید از این طریق با ما در تماس باشید.
اگرچه راکتورهای کاتالیزوری اغلب به عنوان راکتورهای PFRاجرا می‌شوند، اما ساخت راکتور شیمیایی PFR با سرعت یک واکنش کاتالیزوری یا مقدار کاتالیزوری که واکنشگرها در تماس هستند و همچنین غلظت واکنش دهنده ها متناسب است. معمولاً نمی‌توان در این نوع راکتور شیمیایی اختلاط را کامل فرض کرد. علاوه بر این، یک مسیر واکنش کاتالیزوری اغلب در چند مرحله درون راکتور انجام میشود. کاتالیزور با کاهش انرژی فعال‌سازی واکنش، سرعت پیشرفت فرایند به سمت محصولات را افزایش می دهد.