Cosa sono i reattori chimici? Tipi di reattori chimici

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

Una reazione chimica è un processo che porta alla trasformazione dei reagenti. È caratterizzato da modifiche che si traducono in uno o più prodotti diversi dall'originale. Le reazioni chimiche sono di natura diversa. Dipende dal tipo di reagenti, dalla sostanza ottenuta, dalle condizioni e dal tempo di sintesi, decomposizione, spostamento, isomerizzazione, acido-base, redox, processi organici, ecc.

I reattori chimici sono contenitori progettati per effettuare reazioni al fine di produrre il prodotto finale. Il loro design dipende da vari fattori e dovrebbe fornire la massima resa nel modo più conveniente.

Viste

Ci sono tre modelli base principali di reattori chimici:

• Periodico.
• Agitazione continua (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Questi modelli di base possono essere modificati per soddisfare i requisiti del processo chimico.

Reattore batch

Le unità chimiche di questo tipo vengono utilizzate in processi batch con bassi volumi di produzione, lunghi tempi di reazione o dove si ottiene una migliore selettività, come in alcuni processi di polimerizzazione.

Per questo, ad esempio, vengono utilizzati contenitori in acciaio inossidabile, il cui contenuto viene miscelato con lame di lavoro interne, bolle di gas o utilizzando pompe. Il controllo della temperatura viene effettuato utilizzando camicie di scambio termico, refrigeratori di irrigazione o pompaggio attraverso uno scambiatore di calore.

I reattori batch sono attualmente utilizzati nelle industrie chimiche e di trasformazione alimentare. La loro automazione e ottimizzazione crea difficoltà, in quanto è necessario combinare processi continui e discreti.

I reattori chimici semi-batch combinano il funzionamento continuo e batch. Un bioreattore, ad esempio, viene periodicamente caricato ed emette costantemente anidride carbonica, che deve essere continuamente rimossa. Allo stesso modo, nella reazione di clorurazione, quando il cloro gassoso è uno dei reagenti, se non viene introdotto continuamente, la maggior parte di esso si volatilizzerà.

Per garantire grandi volumi di produzione vengono utilizzati principalmente reattori chimici continui o serbatoi metallici con agitatore o flusso continuo.

Reattore ad agitazione continua

I reagenti liquidi vengono immessi in serbatoi di acciaio inossidabile. Per garantire una corretta interazione, vengono mescolati dalle lame di lavoro. Così, nelNei reattori di questo tipo i reagenti vengono continuamente alimentati nella prima vasca (verticale, in acciaio), quindi entrano in quelli successivi, pur essendo accuratamente miscelati in ciascuna vasca. Sebbene la composizione della miscela sia omogenea in ogni singola vasca, nel sistema nel suo insieme la concentrazione varia da vasca a vasca.

La quantità media di tempo che una discreta quantità di reagente trascorre in un serbatoio (tempo di permanenza) può essere calcolata semplicemente dividendo il volume del serbatoio per la portata volumetrica media che lo attraversa. La percentuale di completamento prevista della reazione viene calcolata utilizzando la cinetica chimica.

I serbatoi sono realizzati in acciaio inossidabile o leghe, nonché con rivestimento sm altato.

Alcuni aspetti importanti di NPM

Tutti i calcoli si basano su una perfetta miscelazione. La reazione procede ad una velocità correlata alla concentrazione finale. All'equilibrio, la portata deve essere uguale alla portata, altrimenti il serbatoio traboccherà o si svuoterà.

Spesso è conveniente lavorare con più HPM seriali o paralleli. I serbatoi in acciaio inossidabile assemblati in una cascata di cinque o sei unità possono comportarsi come un reattore plug flow. Ciò consente alla prima unità di funzionare a una concentrazione di reagente più elevata e quindi una velocità di reazione più rapida. Inoltre, diverse fasi di HPM possono essere collocate in un serbatoio d'acciaio verticale, invece di processi che si svolgono in contenitori diversi.

Nella versione orizzontale, l'unità multistadio è sezionata da tramezzi verticali di varie altezze attraverso i quali la miscela scorre a cascata.

Quando i reagenti sono scarsamente miscelati o differiscono significativamente in densità, viene utilizzato un reattore verticale multistadio (rivestito o in acciaio inossidabile) in modalità controcorrente. Questo è efficace per eseguire reazioni reversibili.

Il piccolo strato pseudo-liquido è completamente miscelato. Un grande reattore commerciale a letto fluido ha una temperatura sostanzialmente uniforme, ma un mix di flussi miscibili e spostati e stati di transizione tra di loro.

Reattore chimico plug-flow

RPP è un reattore (inossidabile) in cui uno o più reagenti liquidi vengono pompati attraverso uno o più tubi. Sono anche chiamati flusso tubolare. Può avere diversi tubi o tubi. I reagenti entrano costantemente da un'estremità ei prodotti escono dall' altra. I processi chimici si verificano durante il passaggio della miscela.

In RPP, la velocità di reazione è gradiente: in ingresso è molto alta, ma con una diminuzione della concentrazione dei reagenti e un aumento del contenuto dei prodotti in uscita, la sua velocità rallenta. Solitamente si raggiunge uno stato di equilibrio dinamico.

Sono comuni sia l'orientamento orizzontale che verticale del reattore.

Quando è richiesto il trasferimento di calore, i singoli tubi vengono rivestiti o viene utilizzato uno scambiatore di calore a fascio tubiero. In quest'ultimo caso, le sostanze chimiche possono esseresia in guscio che in tubo.

I contenitori in metallo di grande diametro con ugelli o bagni sono simili all'RPP e sono ampiamente utilizzati. Alcune configurazioni utilizzano flussi assiali e radiali, gusci multipli con scambiatori di calore integrati, posizione del reattore orizzontale o verticale e così via.

Il recipiente del reagente può essere riempito con solidi catalitici o inerti per migliorare il contatto interfacciale nelle reazioni eterogenee.

È importante nell'RPP che i calcoli non tengano conto della miscelazione verticale o orizzontale - questo è ciò che si intende con il termine "flusso a tampone". I reagenti possono essere introdotti nel reattore non solo attraverso l'ingresso. Pertanto, è possibile ottenere una maggiore efficienza dell'RPP o ridurne le dimensioni ei costi. Le prestazioni di RPP sono generalmente superiori a quelle di HPP dello stesso volume. Con uguali valori di volume e tempo nei reattori a pistoni, la reazione avrà una percentuale di completamento maggiore rispetto alle unità di miscelazione.

Equilibrio dinamico

Per la maggior parte dei processi chimici, è impossibile ottenere il 100 percento di completamento. La loro velocità diminuisce con la crescita di questo indicatore fino al momento in cui il sistema raggiunge l'equilibrio dinamico (quando non si verifica la reazione totale o il cambiamento di composizione). Il punto di equilibrio per la maggior parte dei sistemi è inferiore al 100% di completamento del processo. Per questo motivo è necessario effettuare un processo di separazione, come la distillazione, per separare i restanti reagenti o sottoprodotti daobbiettivo. Questi reagenti a volte possono essere riutilizzati all'inizio di un processo come il processo Haber.

Applicazione di PFA

I reattori a pistoni vengono utilizzati per effettuare la trasformazione chimica dei composti mentre si muovono attraverso un sistema tubolare per reazioni su larga scala, rapide, omogenee o eterogenee, produzione continua e processi di generazione di calore elevato.

Un RPP ideale ha un tempo di residenza fisso, ovvero qualsiasi liquido (pistone) che entra nell'istante t lo lascerà all'istante t + τ, dove τ è il tempo di permanenza nell'impianto.

I reattori chimici di questo tipo hanno prestazioni elevate per lunghi periodi di tempo, oltre a un eccellente trasferimento di calore. Gli svantaggi degli RPP sono la difficoltà nel controllare la temperatura di processo, che può portare a fluttuazioni di temperatura indesiderate, e il loro costo più elevato.

Reattori catalitici

Sebbene questi tipi di unità siano spesso implementati come RPP, richiedono una manutenzione più complessa. La velocità di una reazione catalitica è proporzionale alla quantità di catalizzatore a contatto con le sostanze chimiche. Nel caso di catalizzatore solido e reagenti liquidi, la velocità dei processi è proporzionale all'area disponibile, all'immissione di sostanze chimiche e al prelievo di prodotti e dipende dalla presenza di miscelazioni turbolente.

Una reazione catalitica è spesso in più fasi. Non soloi reagenti iniziali interagiscono con il catalizzatore. Anche alcuni prodotti intermedi reagiscono con esso.

Anche il comportamento dei catalizzatori è importante nella cinetica di questo processo, specialmente nelle reazioni petrolchimiche ad alta temperatura, poiché vengono disattivati dalla sinterizzazione, dalla cokefazione e da processi simili.

Applicare nuove tecnologie

RPP vengono utilizzati per la conversione della biomassa. Negli esperimenti vengono utilizzati reattori ad alta pressione. La pressione in essi può raggiungere i 35 MPa. L'utilizzo di più grandezze permette di variare il tempo di permanenza da 0,5 a 600 s. Per raggiungere temperature superiori a 300 °C, vengono utilizzati reattori riscaldati elettricamente. La biomassa è fornita da pompe HPLC.

Nanoparticelle aerosol RPP

C'è un notevole interesse per la sintesi e l'applicazione di particelle nanometriche per vari scopi, comprese le leghe altamente legate e conduttori a film spesso per l'industria elettronica. Altre applicazioni includono misurazioni della suscettibilità magnetica, trasmissione nel lontano infrarosso e risonanza magnetica nucleare. Per questi sistemi è necessario produrre particelle di dimensione controllata. Il loro diametro è generalmente compreso tra 10 e 500 nm.

A causa delle loro dimensioni, forma e area superficiale specifica elevata, queste particelle possono essere utilizzate per produrre pigmenti cosmetici, membrane, catalizzatori, ceramiche, reattori catalitici e fotocatalitici. Esempi di applicazioni per le nanoparticelle includono SnO₂ per i sensorimonossido di carbonio, TiO₂ per guide di luce, SiO_{2 per biossido di silicio colloidale e fibre ottiche, C per cariche di carbonio negli pneumatici, Fe per materiali di registrazione, Ni per le batterie e, in misura minore, palladio, magnesio e bismuto. Tutti questi materiali sono sintetizzati in reattori aerosol. In medicina, le nanoparticelle vengono utilizzate per prevenire e curare le infezioni delle ferite, negli impianti ossei artificiali e per l'imaging cerebrale.}

Esempio di produzione

Per ottenere particelle di alluminio, un flusso di argon saturo di vapore metallico viene raffreddato in un RPP con un diametro di 18 mm e una lunghezza di 0,5 m da una temperatura di 1600 °C ad una velocità di 1000 °C/s. Quando il gas passa attraverso il reattore, si verifica la nucleazione e la crescita delle particelle di alluminio. La portata è di 2 dm3/min e la pressione è di 1 atm (1013 Pa). Mentre si muove, il gas si raffredda e diventa supersaturo, il che porta alla nucleazione delle particelle a seguito di collisioni ed evaporazione delle molecole, ripetute fino a quando la particella raggiunge una dimensione critica. Mentre si muovono attraverso il gas supersaturo, le molecole di alluminio si condensano sulle particelle, aumentandone le dimensioni.