[تجهیزات فرایندی] - رآکتور شیمیایی چیست - chemical reactors

[P O U R I A]

رآکتورهای شیمیایی (chemical reactors) مخازنی هستند که برای انجام واکنش‌های شیمیایی ساخته می‌شوند. یک مثال از رآکتورها می‌تواند رآکتور تحت فشار (pressure reactor) باشد. طراحی یک رآکتور شیمیایی نیاز به استفاده از جنبه‌های مختلفی از مهندسی شیمی دارد.


مهندسان شیمی، طراحی رآکتور را برای به حداکثر رساندن ارزش خالص فعلی (net present value) برای واکنش انجام می‌دهند. طراحان اطمینان حاصل می‌کنند که واکنش با بالاترین بهره‌وری به سمت محصول مورد نظر پیشرفت خواهد کرد و بیش‌ترین میزان محصول با نیاز به حداقل هزینه خرید و بهره‌برداری تولید خواهد شد. هزینه‌های بهره‌برداری معمول شامل انرژی ورودی، خروج انرژی، هزینه مواد اولیه، نیروی کار و غیره می‌باشد. تغییر انرژی می‌تواند به صورت گرمایش یا خنک‌کاری، پمپاژ برای افزایش فشار، افت فشار اصطکاکی، مخلوط کردن و غیره باشد.


انواع مخازن رآکتور

• رآکتور تانکی یا رآکتور مخزنی (tank reactor)
• رآکتور لوله‌ای (pipe reactor) یا رآکتور تیوبی (tubular reactor) یا رآکتور جریان آرام (laminar flow reactor, LFR)

هر دو نوع رآکتور می‌توانند به صورت پیوسته (continuous) و یا بسته (batch) مورد استفاده قرار گیرند. بیش‌تر رآکتورها به صورت دایمی (steady state) مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی می‌توانند به صورت گذرا (transient state) نیز استفاده شوند. هنگامی که یک رآکتور برای نخستین بار وارد بهره‌برداری می‌شود (پس از تعمیرات و یا عدم استفاده)، می‌توان آن را به صورت گذرا در نظر گرفت که در آن متغیرهای کلیدی فرآیند با زمان تغییر می‌کنند. هر دو نوع رآکتور می‌توانند یک یا چند ماده جامد (واکنش‌گر، کاتالیست و یا مواد بی‌اثر) را در خود جای دهند اما واکنش‌گرها و محصولات معمولا مایعات و گازها هستند.


مدل‌های رآکتورهای شیمیایی

برای برآورد مهم‌ترین متغیرهای فرآیندی در رآکتور های شیمیایی، سه مدل اصلی مختلف وجود دارد:

• مدل رآکتور بسته یا بچ (batch reactor)
• مدل رآکتور تانکی با هم‌زنی پیوسته (continuous stirred-tank reactor) یا CSTR
• مدل رآکتور جریان پلاگ (plug flow reactor) یا PFR

متغیرهای فرآیندی کلیدی عبارت‌اند از:

• زمان اقامت (residence time, τ): زمان متوسط حضور ماده واکنش درون مخزن
• حجم (V)
• دما (T)
• فشار (P)
• غلظت گونه‌های شیمیایی (C1, C2, C3, …Cn)
• ضریب انتقال حرارت (U, h)

یک رآکتور شیمیایی، معمولا رآکتور لوله‌ای، می‌تواند به صورت یک بستر دانه‌ای (packed bed) باشد. برای تسریع واکنش شیمیایی، دانه‌های داخل بستر می‌توانند دارای کاتالیست باشند. همچنین رآکتور شیمیایی می‌تواند بستر سیال‌سان (fluidized bed) باشد.

انواع رآکتورهای بستر دانه‌ای

​

رآکتور بستر سیال‌سان

​

 

[P O U R I A]

واکنش‌های شیمیایی که در یک رآکتور اتفاق می‌افتند، می‌توانند گرمازا و یا گرماگیر باشند. مخزن یک رآکتور شیمیایی می‌تواند یک مخزن دو جداره دارای یک آستر گرمایش یا سرمایش و یا کویل‌های لوله‌ای گرمایش یا سرمایش باشد که در اطراف خارج از دیواره مخزن قرار گرفته و برای خنک‌کاری و یا گرمایش محتویات آن به کار می‌روند.

رآکتور بچ جکت دار


رآکتور بچ کویل دار​

 

[P O U R I A]

رآکتور تانکی با هم‌زنی پیوسته Continuous Stirred-Tank Reactor

در یک CSTR، یک یا چند واکنش‌گر مایع به یک رآکتور مخزنی مجهز به یک هم‌زن (agitator) پره‌ای وارد و هم‌زمان پس‌ماند از رآکتور خارج می‌شود. پره واکنش‌گرها را هم می‌زند تا اختلاط مناسب ایجاد شود. با تقسیم حجم مخزن بر نرخ جریان حجمی متوسط، می‌توان زمان اقامت را محاسبه نمود. با استفاده از سینتیک شیمیایی می‌توان درصد تکمیل واکنش را محاسبه کرد.



ویژگی‌های CSTR

• در حالت پایدار، نرخ جریان ورودی باید با نرخ جریان خروجی برابر باشد؛ در غیر این صورت مخزن سرریز می‌کند و یا خالی می‌شود که این شرایط مربوط به حالت گذرا می‌باشد. در زمانی که رآکتور در وضعیت گذرا قرار دارد، معادله مدل را باید از بالانس تغییرات جرم و انرژی به دست آورد.
• سرعت واکنش در ارتباط با غلظت نهایی (خروجی) قرار دارد.
• از نظر اقتصادی، اغلب استفاده از چند CSTR به صورت سری مفید است. این اجازه می‌دهد که به عنوان مثال اولین CSTR در غلظت واکنش‌گر بالاتر و در نتیجه سرعت واکنش بیش‌تر به کار گرفته شود. در این شرایط می‌توان اندازه رآکتورها را متفاوت ساخت و هزینه اولیه را کاهش داد.
• می‌توان نشان داد که تعداد نامحدود از CSTR به صورت سری، معادل با رآکتور جریان پلاگ (PFR) می‌شود.

 

[P O U R I A]

رآکتور جریان پلاگ Plug Flow Reactor


در یک رآکتور جریان پلاگ یا PFR، یک یا چند ماده واکنشی سیال به یک لوله و یا تیوب پمپ می‌شوند. واکنش شیمیایی در زمان حرکت واکنش‌گرها درون PFR انجام می‌شود. در این نوع رآکتور، تغییر سرعت واکنش به نسبت میزان مسافت پیموده شده، یک گرادیان ایجاد می‌کند؛ در ورودی به PFR نرخ بسیار بالا است، اما با کاهش غلظت مواد اولیه و افزایش غلظت محصولات، سرعت واکنش کند می‌شود.


ویژگی‌های PFR

• همان طور که به صورت ضمنی در عبارت "جریان پلاگ" گفته شده است،‌ همه محاسبات مربوط به PFR با فرض عدم اختلاط در بالادست یا پایین دست انجام می‌شود.
• می‌توان واکنش‌گرها را در نقاطی غیر از ورودی وارد PFR کرد. در این روش می‌توان راندمان بالاتری به دست آورد و یا اندازه و هزینه PFR را کاهش داد.
• معمولا PFRها نسبت به CSTRهای دارای همان حجم، دارای کارایی بیش‌تری هستند؛ به این معنی که با داشتن فضا - زمان برابر، واکنش در PFR به درصد تکمیل بالاتری نسبت CSTR می‌رسد.

برای بسیاری از واکنش‌های شیمیایی، انجام 100 درصد واکنش ناممکن است. با افزایش درصد تکمیل، سرعت واکنش کاهش می‌یابد تا این که به نقطه تعادل دینامیکی سیستم برسیم که در آن واکنش خالص و یا تغییر در گونه‌های شیمیایی رخ نمی‌دهد. نقطه تعادل برای اکثر سیستم‌ها کم‌تر از 100 درصد تکمیل است. به همین دلیل معمولا پس از یک رآکتور شیمیایی، یک فرآیند جداسازی (separation process) مانند تقطیر (distillation) انجام می‌شود تا هر گونه مواد واکنش‌گر و یا محصولات جانبی را از محصول مورد نظر جدا نماید. گاهی ممکن است این مواد را در ابتدای فرآیند مورد استفاده مجدد قرار داد.


رآکتور بافل‌دار نوسانی پیوسته (continuous oscillatory baffled reactor) یا COBR، نوعی رآکتور جریان پلاگ لوله‌ای است. اختلاط در COBR با ترکیب نوسان مایع و بافل‌های سوراخ‌دار به دست می‌آید که امکان ایجاد جریان پلاگ در شرایط جریان آرام با عدد رینولدز تنها حدود 100 را ایجاد می‌کند.

 

[P O U R I A]

رآکتور نیمه بسته

رآکتور نیمه بسته (semi-batch reactor) با هر دو ورودی و خروجی مداوم و بسته کار می‌کند. به عنوان مثال یک تخمیر کننده (fermenter) به صورت بسته بارگیری می‌شود؛ ولی به طور مداوم دی‌اکسید کربن تولید می‌کند که به طور مداوم خارج می‌شود. به همین صورت انجام واکنش یک گاز با یک مایع معمولا مشکل است زیرا حباب‌های گاز فرار می‌کنند. بنابراین تغذیه مداومی از گاز به بسته‌ای از مایع تزریق می‌شود. یکی از واکنش‌گرهای شیمیایی به مخزن شارژ و ماده شیمیایی دوم به آرامی اضافه می‌شود.

---

رآکتور کاتالیستی

اگر چه رآکتورهای کاتالیستی (catalytic reactors) اغلب به عنوان رآکتورهای جریان پلاگ در نظر گرفته می‌شوند، آنالیز آن‌ها نیاز به برخورد پیچیده‌تری دارد. سرعت یک واکنش کاتالیستی متناسب با میزان تماس کاتالیست با مواد واکنش‌گر است. با یک کاتالیست جامد و واکنش‌گرهای فاز مایع، سرعت واکنش متناسب با مساحت تماس، کارایی نفوذ واکنش‌گرها به داخل و محصولات به خارج و اختلاط توربولانت می‌باشد. نمی‌توان اختلاط را کامل فرض کرد. علاوه بر آن، یک مسیر واکنش کاتالیستی اغلب چند مرحله‌ای است که مواد واسطه با کاتالیست پیوند شیمیایی برقرار می‌کنند و اتصال شیمیایی به کاتالیست نیز یک واکنش شیمیایی می‌باشد که می‌تواند بر سینتیک تاثیر بگذارد.

یک مثال معمول از رآکتورهای کاتالیستی، مبدل کاتالیستی (catalytic converter) بعد از یک موتور است. بسیاری از رآکتورهای پتروشیمی کاتالیستی هستند که مسئول تولید بسیاری از مواد شیمیایی صنعتی در جهان می‌باشند.

مبدل کاتالیستی​

 

[فاطمه یاس]

راکتورهای با نوترون سریع، راکتورهای زاینده

یک راکتور هسته‌ای گرمایی تولید می‌کند که منشأ آن در شکافت دو هسته قابل شکافت ۲۳۵U یا ۲۳۹Pu قرار دارد. تنها ماده موجود قابل کشافت در طبیعت، ۲۳۵U است که ۱.۱۴۰ اورانیوم طبیعی را تشیل می‌دهد و بقیه اساسا ۲۳۸U غیر شکافتی است. هر شکافت اتم اورانیوم در اثر یک نوترون، ۲ تا ۳ نوترون با انرژی بالا (بطور متوسط ۲Mev) یعنی نوترونهای سریع (۲۰۰۰۰Km/s) را تولید می‌کند.این نوترونها به نوبه خود می‌توانند با سایر هسته‌های اورانیوم شکافت انجام دهند که نوترونهای گسیل شده شکافتهای دیگری را تولید می‌کنند و به این ترتیب واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌شود. اگر قطعه ماده قابل شکافت به حد کافی بزرگ باشد، تولید نوترونها تقویت شده و سبب انفجار می‌شود: این اساس بمب اتمی است. در یک راکتور هسته‌ای یک عده پدیده‌های دیگر را برای انجام واکنش مورد نظر قرار می‌دهند: تعدادی از نوترونها در اورانیوم بویژه در ۲۳۸U بدون تولید شکافت، تعدادی دیگر توسط مواد ساختاری جذب می‌شوند و بالاخره عده دیگری به بیرون مغز راکتور فرار می‌کنند و ناپدید می‌شوند.

● شرایط ایجاد شکافت زنجیری
یک راکتور فقط با یک حجم معین که کمترین ماده قابل شکافت را داشته باشد، می‌تواند کار کند: کمترین مقدار ماده قابل شکافت را جرم بحرانی می‌نامند. در یک قطعه اورانیوم طبیعی، هر چه قدر بزرگ هم باشد، واکنش زنجیره‌ای غیر ممکن است: مقدار ماده قابل شکافت (۲۳۵U) بسیار کم است و اکثریت نوترونهای جذب شده با ۲۳۸U تلف می‌شوند. بنابراین باید بطور مصنوعی شکافتها را در مقابل جذبهای بدون شکافت در شرایط مساعدی قرار داد. دو راه امکان پذیر است:
یا بطور قابل ملاحظه‌ای مقدار ماده قابل شکافت را افزایش می‌دهند (اورانیوم را با ۲۳۵U غنی کرد یا به آن ۲۳۹Pu افزود)، یا انرژی نوترونها را توسط کند کننده کاهش می‌دهند و آن نقش ۲۳۵U را (مقطع شکافت ۲۳۵U) در مقابل ۲۳۵۸U (مقطع جذب ۲۳۸U) تقویت می‌کند. به این ترتیب دو دسته راکتور شکل می‌گیرند.

● انواع راکتور شکافتی
از یک طرف راکتورهایی که بطور مستقیم نوترونهایی با انرژی زیاد ناشی از شکافت را مورد استفاده قرار می‌دهد و این راکتورها به راکتورهای با نوترونهای سریع معروفند که ماده قابل احتراق آنها شامل یک نسبت زیادی از ماده شکافتی (در راکتورهای بزرگ ۱۵%) است، از طرف دیگر راکتورهایی که کند کننده‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهند (راکتورهای با نوترونهای حرارتی) و ماده قابل احتراق آن می‌تواند اورانیوم طبیعی باشد.لازم به یادآوری است که در راکتورهای با نوترونهای حرارتی نمی‌توان اورانیوم طبیعی را مورد استفاده قرار داد، مگر آنکه مواد ساختاری و سیال خنک کننده که گرمای تولیدی را برای راه اندازی توربین آلترناتور انتقال می‌دهد، جذبهای اتلافی بسیار زیادی را سبب نشوند. در بسیاری از راکتورهای حرارتی نوع ماده ساختاری و سیال خنک کننده، یک غنای سبک (در حدود ۳ درصد) از ماده قابل احتراق را الزام می‌دارد.

● ساختمان راکتور
از مجموعه‌ای از یاخته‌های بنیادی که از مدادهای دراز یا سوزنهای ماده قابل احتراق تشکیل می‌شوند که سطح آنها توسط یک سیال خنک کننده پوشیده می‌شود. اگر راکتور با نوترون حرارتی باشد، این یاخته‌ها در داخل کند کننده بطور منظم توزیع می‌شوند و در راکتور با نوترون سریع کند کننده وجود ندارد. این مجموعه، مغز راکتور را تشکیل می‌دهد و توسط بازتاب کننده‌ای احاطه می‌شود که فرار نوترونها را محدود می‌کند و یک محافظ بیولوژیکی (بتن) در مقابل تشعشعات دارد. در مورد راکتورهای با نوترونهای سریع منطقه‌ای به نام غلاف و بطور مستقیم واقع در اطراف مغز، تولید تازه را امکان پذیر می‌سازد.قسمت اساسی یک راکتور با نوترون حرارتی (مغز) از عناصر قابل احتراق تشکیل می‌شود که توسط یک سیال مخصوصی که بطور منظم در کند کننده قرار دارد، سرد می‌شود. ماده قابل احتراق شامل ماده شکافتی (معمولا اکسید اورانیوم کم و بیش غنی شده در ایزوتوپ ۲۳۵) اغلب به صورت مدادهایی (بخ قطر حدود ۱۰ تا ۱۲ میلی متار و به ۳.۵ متر در یک راکتور بزرگ) در یک غلاف فلزی قرار داده می‌شود. سیال خنک کننده ممکن است آب معمولی، آب سنگین یا یک گاز باشد. کند کننده آب معمولی، آب سنگین یا گرافیت است. مغز راکتور با یک بازتاب کننده احاطه می‌شود که از همان ماده کند کننده تشکل می‌شود و فرار نوترونها را به حداقل می‌رساند، مجموعه در یک پوشش ضخیم بتونی قرار می‌گیرد تا در مقابل تشعشعات، یک حفاظ بیولوژیکی باشد.در یک راکتور با نوترونهای سریع همان تشکیل دهنده‌های اساسی به استثنای کند کننده وجود دارد. ماده قابل احتراق از پلوتونیم که به صورت اکسید مخلوط PUO۲ - UO۲ است. سوزنهای ظریف ماده قابل احتراق (به قطر ۶ تا ۸ میلیمتر و به طول ۰.۵ تا یک متر) با فولاد زنگ نزن پوشانده شده و توسط سدیم مذاب سرد می‌شوند. سایر سوزنها به نام غلاف، شامل اکسید UO۲، مغز را احاطه می‌کنند. آنها تولید تازه را بر اثر تبدیل ۲۳۸U به ۲۳۸Pu سبب می‌شوند. بازتاب کننده معمولا از قطعات فولادی تشکیل می شود.

● مورد خاص راکتورهای زاینده
نوعی از این راکتورها با مقدار زیادی از سدیم مایع خنک می‌شوند (مانند راکتور سوپرفنیکس که در مدار اولیه آن ۱۵۰۰ تن و در مدار ثانویه ۳۵۰۰ تن سدیم در نظر گرفته شده است) . ظرفیت گرمای سدیم زیاد است و در صورت نبودن مصرف، دمای مغز راکتور بیش از چند درجه در ساعت افزایش نمی‌یابد و آن خطر گرمی فزونی کلی را از بین می‌برد و به راکتور زمان توقف بیشتری می‌دهد. به هنگام کار راکتور، دمای سدیم در حدود C ۴۰۰ است و از دمای جوش آن (c ۸۸۰) خیلی دور است. بنابراین، سدیم در ذخیره گرما برای کوتاه مدت نقش بسیار مؤثری دارد. زیرا در ذخیره گرما با وجود این سدیم دارای خطراتی است و احتیاطهای ویژه‌ای را الزام می‌دارد و در تأسیسات کلاسیکی از آن استفاده نمی‌شود.
​